不同土地利用方式下亞熱帶花崗巖小流域碳匯潛力及其影響因素

左雙苗，楊金玲*，張甘霖，黃來明,31.土壤與農業可持續發展國家重點實驗室//中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049；3.生態系統網絡觀測與模擬院重點實驗室//中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101

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不同土地利用方式下亞熱帶花崗巖小流域碳匯潛力及其影響因素

左雙苗1,2，楊金玲1,2*，張甘霖1,2，黃來明1,2,3
1.土壤與農業可持續發展國家重點實驗室//中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；2.中國科學院大學，北京 100049；3.生態系統網絡觀測與模擬院重點實驗室//中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101

摘要：了解小流域尺度上植物生長與巖石風化對CO2吸收的相對貢獻對評估生態系統碳匯功能有重要意義，但過去的研究大多集中在某一單一過程且多基于特定土地利用類型。本研究以亞熱帶丘陵地區不同土地利用方式下的3個花崗巖小流域（F-100%森林、FA1-82%森林/18%農田和FA2-76%森林/24%農田）為研究區，自2010年3月至2012年2月定期監測了流域內的雨水、徑流水，并采集了植物樣品，分析其化學組成，系統研究了小流域尺度下植物生長和巖石風化的碳匯潛力及其影響因素。結果表明，F流域中不同林分（馬尾松Pinus massoniana Lamb.闊葉樹混交林、杉木Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.闊葉樹混交林、馬尾松林、杉木林、灌木林和竹Bambusoideae林）的碳密度和年均CO2吸收通量均不相同，碳匯潛力存在差異。不考慮施肥的影響，F、FA1和FA2流域植被的碳密度分別為44.5、37.3和35.0 t·hm-2，植被年均單位面積吸收CO2的量分別為10.5、11.8和12.4 t·hm-2·a-1，巖石風化消耗CO2的量分別為54.7×10-3、99.8×10-3和109.2×10-3t·hm-2·a-1，均隨農田比例的增加而增加。施肥對農田水稻（Oryza sativa）碳截留的直接貢獻很小，但可通過多種途徑間接影響農田的碳匯潛力。3個流域徑流水中HCO3-的物質的量濃度隨農田比例增加而增加，在一定程度上受到施肥的影響，扣除施肥對徑流水中HCO3-的貢獻外，FA1和FA2流域土壤風化吸收CO2的量分別為84.4×10-3和88.6×10-3t·hm-2·a-1，仍高于F流域土壤風化吸收的大氣CO2的量，說明農田土壤和森林土壤通過風化對CO2的固定存在差異。因此，農業活動在一定程度上影響了流域碳匯，不同土地利用方式下流域的碳匯潛力存在差異。盡管短時間尺度上植物生長對流域碳匯的貢獻遠高于巖石風化，但植物的收獲與利用也可能加劇生態系統的碳排放，而硅酸巖風化在任何尺度上都是凈碳匯，因而在地質時間尺度上硅酸鹽風化對全球碳循環的影響不容忽視。

關鍵詞：流域；植物固碳；巖石風化；風化固碳；碳匯潛力

ZUO Shuangmiao,YANG Jinling,ZHANG Ganlin,HUANG Laiming.Carbon Sequestration Potential in Granitic Watersheds under Different Land Uses in Subtropical China [J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(1):1-8.

工業革命以來，隨著化石燃料的大量使用、森林砍伐和土地利用方式的改變，大量已被固定的碳被重新釋放進入大氣，使得大氣CO2濃度呈持續上升趨勢（Falkowski et al.，2000）。大氣中CO2濃度已由工業革命前的280 mg·kg-1升高到2010年的389 mg·kg-1，并以每年約2 mg·kg-1的速度繼續增加（劉再華，2012），由CO2排放增多帶來的溫室效應使得全球變暖已成為最嚴重的環境問題之一。研究發現目前已知的碳源和碳匯不能達到平衡，存在很大的碳失匯（劉建棟等，2007）。相比大氣和海洋生態系統，同為碳匯的陸地生態系統更復雜，不確定性更大，因此尋找陸地碳匯成為當前研究的焦點（Gaillardet et al.，1999；韓冰等，2008；邱冬生等，2004）。

陸地生態系統中，充當碳匯的兩個主要過程是巖石風化對大氣CO2的消耗和植物光合作用對大氣CO2的吸收（Gaillardet et al.，1999）。早在上世紀80年代初，Walker et al.（1981）即提出硅酸鹽巖風化是大氣CO2的一個主要的凈匯。硅酸鹽巖風化過程將CO2全部轉化為HCO3-并將其作為碳酸鹽礦物埋藏在海洋，已知碳酸鹽礦物的存留時間超過百萬年，因而在地質時間尺度上硅酸鹽礦物的風化是消耗大氣CO2的重要途徑（劉建棟等，2007）。植物作為陸地生物圈碳循環的主體，通過光合作用吸收CO2制造碳氫化合物，將大氣中的CO2以有機碳的形式固定于機體中，在減少全球CO2排放、維護區域乃至全球氣候穩定中起著重要作用（Sedjo，1993；楊昆等，2006）。與此同時，巖石風化和植物生長相互影響，巖石風化可為植物提供礦質養分，間接促進植物光合作用對CO2的吸收；而植物通過分泌有機酸和吸收風化產物加速巖石風化進程，進而加快巖石風化對CO2的消耗（Berner，1992；Perrin et al.，2008；Hinsinger et al.，2001）。過去研究陸地生態系統的碳匯主要針對巖石風化和植物光合作用中的某一過程單獨開展。此外，盡管前人分別針對林地和農田的碳匯進行了廣泛研究（Fang et al.，2001；Schlesinger et al.，2001；Zhang et al.，2001），但是關于小流域尺度上不同土地利用方式下植物生長與巖石風化對CO2吸收的對比研究較少，不能系統地理解小流域尺度下巖石風化和植物吸收對碳匯的相對貢獻。

本研究選取我國亞熱帶丘陵地區不同土地利用方式下的3個相鄰流域（F-100%森林、FA1-82%森林/18%農田和FA2-76%森林/24%農田），通過定期監測與采集流域內雨水、徑流水以及植物樣并分析其化學組成，系統研究了小流域尺度上不同土地利用方式下巖石風化和植物吸收的碳匯潛力及其影響因素。

1　材料與方法

1.1研究區概況

研究區位于安徽省南部的涇縣包合鄉厚岸村，屬亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫為16.5 ℃，年均降雨量為1585 mm。該地區最具代表性的巖石類型為花崗巖，其抗風化能力強，形成的土層較薄，主要土壤類型為濕潤雛形土、正常新成土和水耕人為土。研究區內農作物主要為單季水稻（Oryza sativa）且休耕時不種植其它作物；而森林中林分類型較多，主要包括：馬尾松Pinus massoniana Lamb.闊葉樹混交林（I）、杉木Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.闊葉樹混交林（II）、馬尾松林（III）、杉木林（IV）、灌木林（V）和竹Bambusoideae林（VI）。除灌木林外，不同林分類型下灌木層和草本層物種豐富度差異性不大。根據調查結果，林下灌木樹種主要有山礬Symplocos caudata、山胡椒Lindera glauca (Sieb.et Zucc.) Bl和檵木Loropetalum chinensis (R.Br.) Oliv.、野茶樹Camellia assamica、桑樹Morus alba L.和烏藥Lindera aggregate (Sims) Kosterm.等，還有少量的六月雪Serissa japonica (Thunb.) Thunb.、野鴉椿Euscaphis japonica (Thunb.) Dippel、荊條Vitex negundo L.var.heterophylla (Franch.) Rehd.、茅栗Castanea seguinii Dode和映山紅Rhododendron simsii Planch.。草本主要是鐵芒萁Dicranopteris dichotoma、鐵線蕨Adiantum capillus-veneris L.和顯子草Phaenosperma globosa Munro ex Benth.等，而香附Cyperus rotundus L.、淡竹葉Lophatherum gracile、胡枝子Lespedeza bicolor Turcz.和白茅Imperata cylindrical (Linn.) Beauv.較少見。灌木林主要由山礬Symplocos caudata和矮竹Shibataea chinensis Nakai組成，草本極少。

選取不同土地利用方式下的3個相鄰小流域（F-100%森林、FA1-82%森林/18%農田和FA2-76%森林/24%農田），流域的面積分別為359、72和101 hm2。2012年10月中旬對森林流域（F）手持GPS進行全流域踏查，確定了主要林分類型及其邊界，選取了6個具有代表性的標準樣地（選取依據詳見本文1.2）（圖1）。由于研究區3個小流域（F，FA1，FA2）緊連，且前期調查表明3個流域森林林分構成基本一致，因此本研究中FA1和FA2流域森林部分各指標參照純森林流域F，并在FA1和FA2流域各選取了3塊稻田標準樣地（2 m×2 m）。

圖1　森林流域 (F) 林分類型和標準樣地示意圖Fig.1　Schematic diagram of forest types and standard sample plot in the forest watershed (F)

1.2樣品采集與分析

2010年3月至2012年2月對3個小流域（F，FA1，FA2）進行定期采樣。雨水樣品逢雨采用干濕沉降自動采樣儀（青島普仁PSC-Ⅲ）收集，用小型氣象站（美國Watch Dog小型便攜式自動氣象站900ET）監測降雨量。在流域出口處分別修建了標準堰，用標準堰法測定徑流量（黃來明等，2012），徑流水樣品采樣周期為每周1次。

由于本研究區位于九華山和黃山風景區附近，林木采伐被限制，為盡量滿足采樣的科學性和代表性，在對整個流域衛星影像解讀的基礎上，對其進行實地踏勘，針對每個林分類型（馬尾松闊葉樹混交林、杉木闊葉樹混交林、馬尾松林、杉木林、灌木林和竹林），根據林分長勢和立地條件分別選取3 個20 m×20 m的樣地并對樣地內的主要樹種進行每木尺檢，最終各林分分別選取主要樹種的樹高和胸徑居中的樣地為標準樣地。根據標準樣地每木尺檢結果，在每個樣地內，主要樹種分別選取樹高和胸徑接近、高于和低于平均值的樹木各1株作為標準木進行砍伐取樣，選取的標準木具有較強的代表性。其中，馬尾松林、杉木林和竹林各選3株標準木，馬尾松闊葉樹混交林選取馬尾松和楓香Liquidambar formosana Hance各3株，杉木闊葉樹混交林選取杉木和苦櫧（Castanopsis sclerophylla (Lindl.) Schott.各3株。將選取的樹木伐倒后分別對其干、枝和葉稱重并取樣。在樣地的對角線4個角和中心設5個2 m×2 m小樣方，記錄樣方內的灌木、草本種類，用全收獲法分別測定鮮重并取樣。灌木林僅需設小樣方，用全收獲法稱重取樣。2010年水稻收獲時在FA1和FA2流域各隨機選取3塊稻田樣地（2 m×2 m），在樣地內用全收獲法采集稻谷、稻稈和稻根樣品。

雨水和徑流水樣品采集后立即用pH計（PHS型）測定pH值，過濾后立即用HCl滴定法測定HCO3-。植物樣分析前先將樣品清洗干凈，置于80 ℃恒溫烘箱內烘干后磨成粉備用。用碳氮分析儀測定所有植株中的碳。

1.3流域碳密度與CO2吸收通量計算方法

1.3.1植物碳密度及年均吸收CO2通量

不同植被碳密度根據森林或水稻的生物量（B）及其含碳率（Cc）計算得到，公式如下：

式中，C為植被碳密度（t·hm-2），Cc為含碳率（%），B為生物量（t·hm-2），其中B包括地上生物量（Ba）和地下生物量（Bu）。本研究中森林植被的Ba用收獲法估算，具體步驟是在F流域按林分類型測定標準樣地內樹木的干、枝和葉，灌木、草本的地上部分及枯落物的鮮重，分別取樣帶回室內測干鮮比，算出樣地的地上生物量，再乘以林分的相應面積即可求得。各林分面積通過手持GPS對F流域踏查確定相應的斑塊邊界，結合流域地形圖用Arcgis軟件定位獲取，用該方法分別獲取FA1和 FA2流域農田和森林面積。根據地下和地上部分生物量之比（Bu/Ba）乘以實測的地上生物量可估算地下生物量（姜萍等，2005）。由于多數植物的Bu/Ba值較穩定（Perala et al.，1994），本研究植物的地下部分生物量根據臨近研究區相應植物的Bu/Ba值乘以實測的地上生物量獲得（李海奎等，2010；張貴啅，2009；樊后保等，2006；孫剛，2009；汪永文等，2010）。水稻及森林植物地上部分的含碳率通過實測求得，森林植物根系的含碳率按如下原則替代：喬木用樹干，灌木用灌木干枝，草本用地上部分替代。FA1和FA2流域中水稻生物量根據小樣方（2 m×2 m）收獲的水稻根系、籽粒和秸稈的鮮重，室內測定的干鮮比及農田面積計算而得，森林部分各項指標參照F流域。

各流域單位面積植被年均CO2吸收量可用下述公式估算：

式中，Cp為流域單位面積植被年均CO2吸收量（t·hm-2·a-1），Ci為植被類型i的碳密度（t·hm-2），Ai為植被i的面積（hm2），Yi為植被i的年齡（a），A為流域面積（hm2），k為CO2與C的摩爾質量比（3.67）。馬尾松闊葉樹混交林、杉木闊葉樹混交林、馬尾松林、杉木林和灌木林的平均生長年齡根據具有平均樹高和胸徑的優勢樹種的地徑年輪估算，竹林的平均年齡由有經驗的植物學家判斷得來，水稻以一年計。

1.3.2花崗巖風化消耗CO2的量

根據Yang et al.（2013）的研究，本流域內花崗巖的主要礦物為斜長石，可用化學反應式：2NaAlSi3O8+2CO2+11H2O→2Na++2HCO3-+4H4SiO4+Al2Si2O5(OH)4來表示。由此可見，研究區巖石的碳匯功能實際上是1 mol大氣或土壤中的CO2通過風化轉變為1 mol碳酸鹽的過程，該過程中有1 mol CO2的凈消耗。根據風化產生的碳酸鹽量，利用水化學方法，參照劉玉等（2008）的公式，由于研究區雨水呈較強酸性檢測不到無機碳存在，而徑流水中的無機碳以HCO3-的形態為主，故本研究區花崗巖單位面積風化消耗的CO2量可簡化為：

式中，C’w代表單位面積巖石風化消耗CO2的量（t·hm-2·a-1），44為CO2的摩爾質量（g·mol-1），[c(HCO3)-為徑流水中HCO3-年加權平均物質的量濃度（μmol·L-1），Q代表年加權平均流量（L·a-1），A代表流域面積（hm2）。

2　結果

2.1流域碳匯

2.1.1植物含碳率分析

研究區喬木的含碳率都在40%以上，其中馬尾松闊葉樹混交林（I）中馬尾松的加權平均含碳率最高，而楓香最低（表1），研究區喬木的含碳率略低于前人在安徽池州和江西千煙洲人工林的研究結果（張樂勤，2011；沈文清等，2006）。同種喬木的不同器官（干、枝、葉）間及不同喬木的含碳率差異都很小，變異系數均小于5%（表1）。

林下植被層中，灌木枝條、灌木葉、草本和枯落物的含碳率均值分別為44.8%、41.7%、42.0%和45.0%，各林分間的變異系數分別為1.5%、3.5%、2.0%和5.5%。不同林分中，枯落物因其組成成分差異大，含碳率變異系數最高。流域內不同林分及其枯落物含碳率高低表現為：喬木層＞枯落物＞灌木＞草本，與前人在江西人工林的研究結果一致（沈文清等，2006）。水稻樣品中，稻根、稻谷和稻稈含碳率均值分別為37.3%、39.0%和37.1%。

表1　流域內喬木的含碳率Table 1　Carbon content rates of trees in watershed　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　%

2.1.2流域內植被的碳儲量

由于3個小流域的森林林分類型相同且各林分的面積占森林總面積比例基本一致，因此本研究以森林流域（F）為例估算不同林分的碳密度。研究區不同林分地上部分碳密度存在較大差異（表2），其中以馬尾松純林（III）最高（56.5 t·hm-2），竹林（VI）最低（10.4 t·hm-2）。流域（F）內不同林分地上部分的總碳儲量為13.2×103t，其中覆蓋面積最大的馬尾松闊葉樹混交林（I）貢獻最高（39.2%），而占流域面積最少的竹林貢獻最低（1.7%）（表2）。F流域單位面積地上部碳密度平均值為36.9 t·hm-2。

表2　F流域植被地上部分的生物量和碳儲量Table 2　Above-ground biomass and carbon storage of plants in the forested watershed (F)

流域內不同林分地下生物量占總生物量的比例為12.4%～28.5%，各林分地下部分碳儲量占總碳儲量的比例為12.4%～28.6%，與生物量的變化規律一致（圖2）。F流域植被地上與地下部分碳儲量之和為16.0×103t，植被碳密度為44.5 t·hm-2，安徽省喬木林碳密度為29.0 t·hm-2（李海奎等，2010），研究區森林碳密度是安徽省喬木林平均碳密度的1.5倍，與臨近區域池州的研究結果相近（張樂勤，2011）。

圖2　不同林分類型單位面積生物量和單位面積碳儲量Fig.2　Biomass and carbon storage per unit area of different vegetation types

農林流域（FA1，FA2）內水稻的碳密度為4.9 t·hm-2，低于任意林分類型。農林流域（FA1，FA2）植物的碳儲量通過農田和森林的面積及其碳密度求得。FA1和FA2流域植物的碳儲量分別為2.7×103和3.5×103t，碳密度分別為37.3和35.0 t·hm-2，均低于森林流域（F）。

2.1.3植物年均吸收大氣CO2的量

研究區各林分年均吸收大氣CO2的量相差較小，其中以杉木闊葉樹混交林最大為11.9 t·hm-2·a-1，灌木林最小為7.9 t·hm-2·a-1（圖3），與前人在閩江流域的研究結果差別不大（姬桂珍等，2003）。森林流域（F）植物年均吸收CO2的量為10.7 t·hm-2·a-1，與曾曙才等（2003）提出的生產1 g干物質需要吸收1.63 g CO2（10.18 t·hm-2·a-1）的結果基本一致。研究區水稻年均吸收的CO2量為17.9 t·hm-2·a-1，與按曾曙才等（2003）的方法計算的結果20.99 t·hm-2·a-1相差較大，說明該方法可能更適于計算森林植物CO2的吸收量。FA1和FA2流域內植物年均吸收的CO2量根據農田和森林在流域中的面積及農田和森林單位面積年均吸收的CO2量求得，分別為11.8和12.4 t·hm-2·a-1，流域中農田比例越高則流域內植被單位面積年均吸收的CO2量越高。

圖3　不同林分類型年均吸收大氣CO2的量Fig.3　Average annual absorption of CO2of different forest types

2.2流域花崗巖風化過程消耗的CO2量

2.2.1徑流水中HCO3-的物質的量濃度

監測期間，F、FA1和FA2流域徑流水中HCO3-變異系數分別為34.4%、30.8%和36.5%，3個小流域徑流水中HCO3-物質的量濃度最高值與最低值均相差10倍以上，說明徑流水中HCO3-物質的量濃度受環境氣候條件等的影響而差異較大（圖4）。3個流域（F、FA1和FA2流域）的HCO3-含量加權平均物質的量濃度隨農田比例的增加而增加，分別為178.7，310.8和360.7 μmol·L-1（圖4）。

圖4　徑流水中HCO3-濃度動態變化Fig.4　Dynamic change of concentration of HCO3- in runoff water

監測期間，徑流水中HCO3-物質的量濃度大小的一般趨勢為FA2＞FA1＞F，2010年度和2011年度徑流水中HCO3-季平均物質的量濃度變化規律分別為：F流域（夏季＞春季＞秋季＞冬季）、FA1和FA2流域（冬季＞夏季＞春季＞秋季）；F流域（秋季＞春季＞冬季＞夏季）、FA1和FA2流域（秋季＞冬季＞春季＞夏季）。結果表明，含部分農田的兩個流域（FA1和FA2）的HCO3-季平均物質的量濃度變化規律一致，而與純森林流域（F）不同，說明土地利用方式的不同可能會影響巖石礦物風化消耗大氣CO2的量。

2.2.2巖石風化消耗大氣CO2的量

圖5　各流域巖石風化消耗CO2的量 (季度)Fig.5　Seasonal adsorption of CO2of rock weathering in all watersheds

若將徑流輸出的HCO3-全部歸因于巖石風化消耗大氣CO2，則3個流域巖石風化吸收大氣CO2的趨勢為FA2＞FA1＞F，這與流域徑流水中HCO3-的物質的量濃度的變化規律一致（圖5）。3個流域（F、FA1和FA2），2010年巖石風化吸收大氣CO2量的規律均為春季＞夏季＞秋季＞冬季，而2011年的規律為：F流域（夏季＞春季＞秋季＞冬季）、FA1和FA2流域（夏季＞冬季＞秋季＞春季），這與各流域徑流水中的HCO3-季物質的量濃度的規律不完全一致。監測期間，F、FA1和FA2流域巖石風化消耗大氣CO2的量與降雨量的相關性分別為0.96（n=8，P＜0.01）、0.99（n=8，P＜0.01）和0.97（n=8，P＜0.01），均具有明顯的相關性，說明流域巖石風化吸收大氣CO2還受降雨量的影響。監測期間，流域（F，FA1和FA2）巖石風化吸收的大氣CO2通量分別為54.7×10-3、99.8×10-3和109.2×10-3t·hm-2·a-1，與我國花崗巖單位面積平均碳匯量的數值相近（劉玉，2006），但3個流域呈現出隨農田比例增加而增加的規律（圖5）。

3　討論

3.1農業活動對流域碳匯的影響

本研究選取的3個小流域土地利用方式不同，3個流域中植物年均吸收大氣CO2的量隨流域農田比例的增高而增加，而流域內植被碳密度表現出相反的規律。這是因為雖然FA1和FA2流域中水稻的碳密度低于森林各林分類型中植被的碳密度，但由于水稻的生長周期僅1年，其年均吸收的CO2量高于所有森林林分類型，因而3個流域中植被碳密度和年均吸收大氣CO2的量隨農田比例不同呈現出相反的規律。

根據調查，研究區農田在水稻生長期間會被施入尿素，按照當地的尿素施用量，隨尿素進入FA1 和FA2流域中農田的碳為39.0×10-3t·hm-2·a-1，由于水稻對尿素的利用率為25%～40%（林新堅等，1992），假定40%施入的尿素被水稻吸收，將這部分碳折算為水稻對CO2的截留量為57.2×10-3t·hm-2·a-1，水稻生長年截留的CO2是該數值的200多倍，這說明施肥對水稻碳截留的直接貢獻很小。但施肥可通過促進水稻生長，提高其光合作用效率從而間接增加水稻對大氣CO2的截留，此外，通過改進和優化耕作措施，如采用保護性耕作措施、擴大水田種植面積、增加秸稈還田和增加有機肥施用等，可以減少農田土壤的CO2凈排放，穩定甚至增加土壤有機碳貯量（韓冰等，2008）。前人研究表明，近年來我國南方稻田生態系統土壤有機碳含量普遍呈升高趨勢，表現為重要的碳匯（張琪等，2004），因此潘根興（2008）認為，我國農田具有顯著的固碳減排潛力，其中稻作農業的固碳潛力十分突出。

FA1和FA2流域徑流水中HCO3-物質的量濃度顯著高于森林流域（F）也與農田施肥有關，這是因為尿素施入土壤后，除少量以分子態被土壤膠體吸附外，大部分在土壤脲酶的作用下，水解成碳酸銨（胡靄堂等，2003）。由于稻田氮肥利用率僅25%～40%，剩余的氮肥除氨揮發外，一部分轉化為碳酸氫銨的形式進入徑流水中。流域農田比例越高，施肥量越多，因此研究區3個流域徑流水中HCO3-的物質的量濃度呈現隨農田比例增加而增加的趨勢。假定尿素中碳被水稻利用外全部以HCO3-的形式進入徑流水中，扣除施肥對徑流水中HCO3-的貢獻外，FA1和FA2流域土壤風化吸收的大氣CO2量分別為84.4×10-3和88.6×10-3t·hm-2·a-1，仍高于森林流域（F）土壤風化吸收的大氣CO2的量（54.7×10-3t·hm-2·a-1），說明農田土壤和森林土壤通過風化對大氣CO2的固定本身也存在一定的差異。

3.2植物生長與巖石風化消耗大氣CO2的差異

監測期間，研究區3個小流域（F，FA1和FA2）中植物生長吸收大氣CO2的量均為巖石風化消耗大氣CO2的100多倍，因此，植物生長消耗大氣CO2的量遠高于巖石風化的貢獻。這一方面與研究區植被的覆蓋度高、植物單位面積的生物量相對較高有關；另一方面由于研究區的母巖為花崗巖，屬于溶解速度較慢的硅酸鹽類（劉再華，2012），且本研究未測定徑流水中的有機碳，而前人研究（劉再華等，2012）表明相當一部分輸出的有機碳源于巖石風化的貢獻，本研究在一定程度上了低估巖石風化的碳匯潛力。

值得注意的是，雖然監測期間研究區植物固定的碳遠高于巖石風化固定的碳，但是植物被利用的過程同時也是CO2排放的過程（徐德應等，1992）。例如森林被砍伐后，其地下生物量未被有效利用，而地上部分的樹葉和樹皮等通常也未被利用，加工后的木制品只有少部分“永久地”保存下來，其余最終以CO2的形式歸還大氣。同時，土地利用方式改變、生態系統退化可導致生態系統由碳匯變為碳源，如每年我國森林砍伐開荒所釋放的CO2量為1.66 t（劉玉，2006）。此外，研究表明全球每年約1%的森林遭受火干擾（Crutzen et al.，1979），森林火災排放到大氣中的碳相當于每年化石燃料燃燒排放量的70%（Taylor et al.，1990），而隨著全球氣候變暖，森林火災頻率和強度將加劇（Running，2006），勢必進一步弱化森林的碳匯潛力。因此，雖然短時間尺度上由于森林的總碳貯量很大，它的微小變化就可以引起大氣中CO2濃度的較大波動，但從長時間尺度來看森林對大氣碳的作用較小。硅酸鹽巖風化過程是將大氣中的CO2全部轉化為HCO3-并隨著徑流水進入海洋，將其作為碳酸鹽礦物埋藏在海洋，而轉化后的碳酸鹽礦物的存留時間可超過百萬年，因而在地質時間尺度上硅酸鹽礦物的風化是消耗大氣CO2的重要途徑，該理論已被大量科學家所驗證和認可（劉建棟等，2007；Gaillardet et al.，1999；Walker et al.，1981；李海奎等，2010；劉玉等，2007；邱冬生等，2004），因此在長時間尺度上巖石風化的碳匯潛力不容忽視，今后要加強對這部分碳匯的研究。

在陸地生態系統中，巖石風化和植物生長對大氣CO2的吸收作用是相互影響的，巖石的風化產物能給植物生長提供礦質養分，通過促進植物光合作用間接提高對大氣CO2的吸收；而植物通過分泌有機酸和吸收風化產物能加速巖石風化進程，進而加快巖石風化對CO2的消耗（Berner，1992；Perrin et al.，2008；Hinsinger et al.，2001），因此，系統研究植被生長和巖石風化的碳匯潛力是很有必要的。

4　結論

（1）3個流域（F，FA1和FA2）中植被的碳密度分別為44.5、37.3和35.0 t·hm-2，年均吸收大氣CO2的量依次為10.3、11.4和12.4 t·hm-2·a-1，隨流域農林比例的遞增碳密度和CO2吸收量表現出相反的變化趨勢。施肥對農田水稻碳截留的直接貢獻很小，但可通過多種途徑間接影響農田的碳匯潛力。不考慮施肥的影響，F、FA1和FA2流域徑流水中HCO3-的物質的量濃度和巖石風化吸收大氣CO2的量分別為178.7、310.8和360.7 μmol·L-1和54.7×10-3、99.8×10-3和109.2×10-3t·hm-2·a-1，均隨農田比例增加而增加。扣除施肥對徑流水中HCO3-的貢獻外，FA1和FA2流域土壤風化吸收的大氣CO2量分別為84.4×10-3和88.6×10-3t·hm-2·a-1，仍高于森林流域（F）土壤風化吸收的大氣CO2的量，說明農田土壤和森林土壤通過風化對大氣CO2的固定本身也存在一定的差異。因此，農業活動在一定程度上影響了流域碳匯，研究區流域內植被和巖石風化的碳匯潛力因土地利用方式不同而異。

（2）監測期間，3個流域植物年均吸收的大氣CO2量均遠高于巖石風化年均消耗的大氣CO2量，短時間尺度內流域碳匯潛力主要受植物生長的影響。但植物砍伐、土地利用方式的轉變等可能加劇生態系統內碳的排放，而硅酸鹽巖風化在地質時間尺度上是CO2的凈碳匯，二者在短時間尺度上相差較大，但從長時間尺度上的比較還需要更系統的評估。

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Carbon Sequestration Potential in Granitic Watersheds under Different Land Uses in Subtropical China

ZUO Shuangmiao1,2,YANG Jinling1,2*,ZHANG Ganlin1,2,HUANG Laiming1,2,3
1.State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 3.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling,Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China

Abstract:It is critical to understand the relative contributions of plant assimilation and rock weathering to carbon sinks at watershed scale for the quantitative assessment of the carbon sequestration potential of ecosystems.This study used three adjoining granite watersheds with different land use types (F-100% forest,FA1-82% forest/18% farmland and FA2-76 % forest/24% farmland) as pilot areas for a comprehensive monitoring and quantification of carbon cycling fluxes.The rainwater and surface runoff of watersheds were monitored from March,2010 to February,2012.Plant samples were collected and related chemical properties were determined.Carbon sequestration potential and its influencing factors in small-scaled watersheds were investigated systemically.The results showed that the carbon storage and average annual adsorption of CO2of six different forest types (Masson pine (Pinus massoniana Lamb.) and broad-leaved mixed forest,Chinese fir (Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.) and broad-leaved mixed forest,Masson pine forest,Chinese fir forest,Shrub forest and Bamboo (Bambusoideae) forest) in F watershed were different.Ignoring the contribution of fertilization,carbon density of vegetation,average annual absorption of CO2of vegetation and annual absorption of CO2of rock weathering in the three watersheds (F,FA1 and FA2) were 44.5,37.3 and 35.0 t·hm-2,10.5,11.8 and 12.4 t·hm-2·a-1and 54.7×10-3,99.8×10-3and 109.2×10-3t·hm-2·a-1,respectively,which all increased with higher proportion of farmland in the watersheds.Though the direct contribution of fertilization in farmlands was minor,fertilization could indirectly increase carbon sink potential by many mechanisms.The concentration of HCO3-in the three watersheds increased with higher farmland proportion,suggesting that HCO3-concentrations in FA1 and FA2 were affected by fertilization to some extent.Subtracting the contribution of fertilization,annual absorption of CO2of rock weathering in FA1 and FA2 watershed were 84.4×10-3and 86.9×10-3t·hm-2·a-1,which were still both higher than that in the forested watershed (F).This indicated that there was difference between carbon sequestration by weathering in farmland soil and forest soil.The results demonstrated that agricultural activities may affect carbon sequestration potential of watershed to some extent.Although the contribution of vegetation to sequestration of CO2was much higher than rock weathering over short time scales,harvest and utilization of vegetation can intensify the emission of carbon in ecosystem.By contrast,rock weathering is a net carbon sink over both short and long time scales,so its influence on global carbon cycling should not be ignored.

Key words:watershed; CO2fixation by plants; rock weathering; carbon sequestration by weathering; carbon sequestration potential

收稿日期：2015-11-05

*通信作者：楊金玲（1973年生），女，副研究員，博士，研究方向為土壤發生和土壤地球化學。E-mail:jlyang@issas.ac.cn

作者簡介：左雙苗（1986年生），女，博士研究生，研究方向為土壤地球化學。E-mail:smzuo@issas.ac.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（41471176；41071141）

中圖分類號：X14

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5906（2016）01-0001-08

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.01.001

引用格式：左雙苗,楊金玲,張甘霖,黃來明.不同土地利用方式下亞熱帶花崗巖小流域碳匯潛力及其影響因素[J].生態環境學報,2016,25(1):1-8.