氣候變暖對濕地有機碳組分的影響研究

袁 杰，田 昆,2

(1.西南林業大學，云南 昆明 650224；2.國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224)

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氣候變暖對濕地有機碳組分的影響研究

袁 杰1，田 昆1,2

(1.西南林業大學，云南 昆明 650224；2.國家高原濕地研究中心，云南 昆明 650224)

摘要：指出了隨著全球氣候變暖的加劇，氣候變化對碳循環的影響越來越深。濕地土壤碳庫作為主要的碳源儲存區，受氣候變化的影響日益明顯，而氣候變暖對不同的有機碳組分影響并不同。通過綜述有機碳組分的基本分類，分析了當前有機碳組分對氣候變暖的影響，探討了土壤有機碳組分的不同變化機制。

關鍵詞：氣候變暖；有機碳；活性有機碳

1引言

濕地是生態系統中十分重要的一種系統類型，其具有獨特的水文環境，能夠不斷積累土壤有機碳。據統計，濕地蘊含有機碳總量約為550Pg碳(Bernal，2008)，占全球土壤碳庫的15 %～30 %。土壤有機碳組分按不同的標準，可以分為化學分組、物理分組、生物分組。土壤有機碳化學分組是根據化學性質和化學組成進行分類，基于有機碳在不同提取劑中的溶解性，分為可溶性有機碳和非溶解性有機碳。其中可溶性有機碳分為水溶性有機碳和鹽溶性有機碳。土壤有機碳物理分組是按有機碳的密度分類：可分為輕組有機碳和重組有機碳(張國，2011)。生物學分組主要是通過一些生物學測定方法對已經礦化的生物和被礦化的有機殘體的微生物生物量，如微生物生物量碳等。

2有機碳分組方法

2.1化學分組

土壤有機碳組分是依照其化學組成和化學性質來進行分類。由于土壤有機碳組分在不同的化學提取劑中的溶解性性不同，將有機碳可分為可溶解性有機碳和非溶解性有機碳。其中可溶解性有機碳又可以依據溶解劑的不同可以分為水溶性有機碳和鹽溶性有機碳。溶解性有機碳是生物可直接代謝的有機碳，包括有機酸、酚類和糖類等。水溶性有機碳(WOC)包括低分子葡萄糖、蔗糖、氨基酸等。其測定由于水溫的不同可以分為冷水浸提和熱水浸提兩種方法。冷水浸提有機碳的測定通常采用Liang等的測定方法，即以過2 mm篩的新鮮土壤與蒸餾水按1∶2．5(或1∶2)的土水比混合，室溫或25 ℃恒溫下經振蕩(30 min)、離心(10～30 min)、抽濾后，測定濾液中的有機碳即為土壤活性有機碳。酸水解方法可將有機碳分成惰性和活性成分。目前大多是利用KMnO4模擬酶氧化來分離出活性碳和非活性碳(霍蓮杰，2012)。

2.2物理分組

物理學分組是依據有機碳的顆粒大小或密度來分類，密度分類是根據有機碳在重液中的溶解度不同來分類，分為輕組有機碳和重組有機碳。目前國內常用的測定方法，主要選擇密度為1．6～2．0g/cm3的NaI為重液進行密度分組。顆粒大小分類是利用美國制土壤分級系統的標準，將土壤分成5個粒級：細粘粒(<0．2 μm)、粗粘粒(0．2～2 μm)、粉粒(2～53 μm)、細砂粒(53～250 μm)和粗砂粒(250～20001 μm)，通過不同孔隙的篩子可以分離出不同的粒級的土壤，然后對分離出的每一粒級土壤中有機碳含量進行測定。通過物理分組的方法對有機碳組分進行測定可以有效地避免測定過程中對有機碳結構的破壞，此方法能夠較為客觀的反映土壤有機碳的結構和功能(張國，2011)。

2.3生物學分組

生物學分組主要是通過一些生物方法測定已經礦化的生物和被礦化的有機殘體的微生物生物量，或根據把有機碳作為一種底物的反應來推斷出土壤中生物可利用的有機碳量(霍蓮杰，2011)。土壤活性有機碳庫的重要組成部分主要是微生物量碳，監測有機碳的動態變化就是用微生物生物量碳來指示土壤碳的平衡、積累或消耗，是比有機碳更為敏感的一種動態指示因子，能夠準確預測出土壤有機碳的長期變化。目前對微生物量碳的測定多用氯仿薰蒸浸提法。

3氣候變暖對有機碳儲量的研究

3.1增溫對有機碳儲量的研究

溫度與CO2濃度的升高是全球變暖的主要變化。溫度升高，加速了土壤有機碳分解，減少了土壤有機碳含量。同時增溫提高了植被的生物量，增加了植物對土壤碳庫的碳輸入，這兩種作用的比重不同，是導致土壤碳庫有機碳積累還是消耗的關鍵。因此，土壤碳庫的變化在不同尺度上，隨溫度增加，變化不同。部分學者認為，溫度的增加會減少土壤碳庫中有機碳含量。Chen等研究表明溫度升高，有機碳在土壤中的平均滯留時間減小。即碳在大氣與土壤之間的周轉速度加快，導致土壤碳庫的減少。在氣候變暖條件下，增加了土壤微生物的酶活性，促進了硝化作用，進而增強了土壤的碳通量。溫度每升高1 ℃，土壤有機碳損失10%，而在碳儲量豐富的地區或者氣溫低的高緯度地區，損失比例會更高。Niu等在中國內蒙古多倫針對草地系統觀測結果表明增溫降低了草地土壤中CO2的交換量。孔雨光等研究表明土壤中各種酶活性通過影響土壤中有機質的分解和轉化速率，從而影響土壤CO2產生速率。周曉宇等通過模擬實驗發現，在大興安嶺北部及南部、小興安嶺南部及吉林東部部分地區增溫使土壤有機碳儲量有所增加。

3.2CO2濃度對有機碳的影響

氣候變暖的另一表征為CO2濃度，其施肥效應與抗蒸騰效應均使植物生物量提高，間接導致輸入土壤碳庫的有機質增加，進而影響土壤有機碳含量(周曉宇，2014)。龍鳳玲等研究表明；在0～60 cm土壤層中，CO2濃度增加，促進了植物地上生物量增加，進而提高了對土壤的碳輸入，且0～10 cm內變化最為明顯。李曉佳等研究表明，在倍增CO2濃度和增溫的交互作用下，藏北草原表層土壤有機碳含量呈現減少趨勢(LI Xiaojia，2011)。這與劉瑜等研究結果類似。增加CO2濃度，減少表層土壤有機碳含量，下層有機碳呈先下降后增加的趨勢。

4土壤活性有機碳變化的研究

土壤活性有機碳是土壤碳庫中能被微生物快速利用的一部分有機碳。其含量在總有機碳中所占比例極小，但由于其對外界環境變化十分敏感，可以在全碳變化之前反映土壤碳含量的微小變化，因而可作為指示土壤對氣候變化的響應指標。

4.1溫度對活性有機碳的影響

土壤活性有機碳對溫度等因子的變化具有極高的敏感性，因此土壤活性有機碳對季節變化存在明顯的響應。研究表明：溫度升高使土壤活性有機碳含量增加(劉艷，2007)。唐政等研究也表明，喀斯特退耕還林后，提高了土壤活性有機碳含量。然而部分研究表明增溫并不能長久地增加土壤呼吸，因為土壤活性碳庫的量是有限的，當這部分碳釋放進入大氣以后，增溫就不能再刺激土壤呼吸作用了。徐俠等在武夷山的研究表明：不同林分的活性有機碳含量隨海拔上升而遞增。不同海拔下，溫度差異明顯，導致植被出現差異。因此，溫度和植被類型在一定程度上影響著土壤活性有機碳的含量。董揚紅等研究表明：同一地區，不同植被類型下的的土壤活性有機碳含量不同。

4.2CO2濃度對活性有機碳的影響

CO2濃度升高能促進地上生物量的增加，提高對土壤的碳輸入；同時能夠提高植物根系的CO2通量與微生物的碳供應，促進微生物活動加劇，加速有機碳的分解，使得土壤活性有機碳輸出增加。因此CO2濃度對土壤活性有機碳影響的最終結果取決于兩者的平衡結果。劉艷等研究表明，增溫使土壤活性有機碳含量增加。近年來，由于氣候變暖，CO2濃度變化對陸地生態系統的影響越來越明顯。因此，有關環境對CO2濃度變化的響應得研究逐漸引起人們的關注。土壤中CO2濃度一般為大氣CO2濃度的10～50倍，其對土壤生境的影響主要是由其影響的植物間接影響(Carrilloy，2012)。趙光影等人在三江平原利用開頂箱研究了不同CO2濃度下的土壤活性有機碳和微生物量碳的變化。實驗表明；CO2濃度升高，能促進土壤活性有機碳和微生物量碳含量增加(趙光影，2011)。

5土壤可溶性有機碳(DOC)變化的研究

5.1溫度對DOC的影響

土壤可溶性有機碳在土壤有機碳中所占比例很小(1 %～5 %)，具有一定的溶解性，在土壤中移動快、不穩定、易氧化、易分解(曹璐，2011)。由于其直接參與土壤生物化學轉化過程，因此可以作為評價生態系統的指標之一。影響土壤可溶性有機碳的環境因素包括溫度、土壤含水量、土壤pH值、降雨和氮沉降等(丘清燕，2013)，其中溫度是影響土壤DOC的直接因子之一。研究表明，溫度對可溶性有機碳的吸附具有一定的影響，溫度上升，會導致土壤對DOC的結合能力降低，促進碳的釋放。有研究表明，在9～28 ℃范圍內，土壤可溶性有機碳含量變化呈先增加后降低的趨勢(劉艷，2007)。劉芙蓉等研究發現，在森林土壤中，增溫提高了土壤中可溶性有機碳含量。廖艷等研究發現，不同培養溫度下，3種農田土壤的活性有機碳含量均表現為隨溫度增加而減少的趨勢。增溫環境下，土壤微生物酶活性增加，活性有機碳被大量分解，含量減少。

5.2CO2濃度對DOC的影響

DOC作為少數能被微生物直接利用的碳源，受植物和微生物直接影響；有研究指出，施肥對土壤可溶性有機碳含量有重要影響，施加有機肥能顯著增加黑土可溶性有機碳(劉麗，2009)。趙光影等研究發現，CO2濃度升高，相應濕地土壤可溶性有機碳與微生物量碳含量增加。在高濃度CO2處理下，根際可溶性C含量提高了60 %。董揚紅等研究發現，不同植被類型下土壤可溶性有機碳含量不同，表現為森林區>草原區>森林草原區。鄧琦等人利用開頂箱人工控制的試驗表明，倍增CO2濃度能使南亞熱帶人工森林土壤呼吸年通量提升28 %。

6土壤微生物量碳變化的研究

6.1增溫對微生物量碳的影響

部分研究發現，增溫能夠改變微生物的群落結構。在4～36 ℃范圍內，微生物量氮與溫度變化呈顯著相關。在增溫環境下，微生物群落中真菌比例將會升高，細菌比例下降，但其微生物量碳總量不變，而真菌能夠同化較多的碳，釋放少量的碳，這促進了微生物量碳的增加。在土壤表層，微生物量碳與有機碳呈顯著相關(杜滿義，2013；侯翠翠，2013)。肖燁等發現，不同類型的濕地土壤的微生物量碳隨深度增加呈減小趨勢。增溫對微生物及酶活性的影響直接決定土壤微生物量炭對增溫的響應，這是由于增溫影響了微生物及其分泌的個中有機碳含量。

6.2CO2濃度對微生物量碳的影響

土壤中CO2濃度一般為大氣CO2濃度的10～50倍，其對土壤生境的影響主要是由其影響的植物間接影響(Carrilloy，2012)。有研究表明CO2濃度增高能為根際微生物提供更多的底物，有益于微生物活性的提高。趙光影等研究也表明，CO2濃度升高，能促進土壤活性有機碳和微生物量碳含量增加(趙光影，2011)。龍鳳玲等研究表明：在5～60 cm土壤層中，CO2濃度增加，植物地上生物量增加，進而使輸入土壤的碳增加，土壤微生物活動加劇，生物量碳增加。

7結語

在氣候變化的大環境下，針對土壤有機碳組分變化已經做了大量的研究。這些研究多集中于單因素對其的影響，而環境變化往往是多個因素之間的共同變化、共同作用導致。而多個因素對有機碳組分的影響不是簡單地疊加，這導致了研究的結果與事實存在一定的誤差，因此在未來的研究中要加強對多因子影響的研究，探討因子與因子之間的相互作用和聯系，更深入的了解因子與因子、因子與有機碳組分之間的作用機制，為未來的環境保護和管理提供更全面的信息。

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Studyof theGlobal Warming Effects onOrganic Carbon Fractions

Yuan Jie1，Tian Kun1,2

(1.SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China2.NationalPlateauWetlandResearchCenter,Kunming650224,China)

Abstract:With the intensification of global warming, climate change impacts on the carbon cycle aredeeper and deeper. Wetland soil carbon pool as the main carbon source storage areas, suffersfrom the impact of climate change,which is increasingly evident.However,the impacts of climate warming on distinctorganic carbon fractionsare different. This paper reviewed the basic classification of organic carbon components, introducedthe response towardsclimate warmingby current organic carbon components,anddiscussed different components of soil organic carbon change mechanism.Finallywe put forward the need for further problems.

Key words:climate warming, organic carbon, active organic carbon, wetlands

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：袁杰(1989—)，男，西南林業大學碩士研究生。

通訊作者：田昆(1957—)，男，教授，博士，主要從事濕地生態、恢復生態、土壤生態的教學與科研工作。

中圖分類號：P467

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944(2016)10-0133-03