森林土壤碳汇功能研究进展
1.四川农业大学林学园艺学院，四川雅安(625014)； 2.四川农业大学都江堰分校，四川都江堰(611830) E-
摘 要：该文结合碳汇/源的概念和国内外对土壤碳汇功能的定义与评价，对森林土壤碳库、碳密度及碳循环规律作了综述，并就报道较多的森林类型土壤碳汇/源功能作了概述。
关键词：森林生态系统，土壤有机碳，碳库，碳循环，碳源/汇
中图分类号：S715.7 文献标示码：A
全球气候变暖及其影响是当前人类所面临的最为严重的环境问题之一。准确确定陆地生态系统碳汇/ 源机制是其中一个关键[1]。在陆地生态系统中, 碳汇功能体现在碳库的贮量和积累速率, 碳源体现在碳的排放强度; 基本碳库包括植被活体、残体和土壤部分, 基本积累过程包括光合作用和土壤碳的吸收, 基本排放过程包括植被和土壤的呼吸作用[2]。其中，土壤的碳汇效应举足轻重，研究陆地土壤碳循环机制及对全球变化的响应，是预测大气CO2含量及全球变化的重要基础。据估计, 全球土壤按1 m 土层计, 有机碳的贮量约1550×109 t,占陆地生态系统碳贮量(2100×109 t 碳) 的3/ 4 [3]; 土壤有机碳库由不同周转率的组分组成,其周转期从几周到近万年[4]; 相对于贮存在植被中的碳来说, 贮存在土壤深层中的碳较为稳定,如果没有受到大的地质变迁, 它们将长久地保存在土壤剖面中而形成稳定的有机碳库。土壤平均每年排放到大气中的CO2 以碳计为(68～100) ×109 t[5],约为化石燃料碳排放量的11 倍[6], 大气CO2 贮量的10%[7]。在陆地生态系统中，森林作为最大的有机碳库,在陆地生态系统碳循环中起着重要的作用[8] ，土壤是贮量最大的碳库部分，森林土壤碳库(占全球土壤碳贮量73％)又是全球土壤碳库中最主要的部分[9]，陆地碳库的重要组成部分, 也是森林生态系统中最大的碳库，其碳库的变化被认为是导致大气碳库和全球气候变化的主要原因[10]，其表现出巨大的碳汇/源效应。了解森林土壤碳循环是研究陆地生态系统碳循环的重要前提[11]，为研究各种环境变量因子和植物区系下土壤碳库释放与吸存提供了基础数据[12－15]。
1 森林土壤碳汇/源功能的含义及表现
1.1 土壤碳汇与碳源
源( source) 指来源, 即事物间传递或接受物质或信息的属性及具有这种属性的事物或过程。汇(sink) 与源是相对的概念, 它指接受物质或信息流动的系统或接受流动的过程[16]。在土壤系统和大气系统之间, 如果土壤中碳流入到大气中, 则把土壤称为碳源, 反之, 则把土壤称为碳汇。
土壤作为陆地生态系统的核心，是链接大气圈、水圈、生物圈及岩石圈的纽带[17、18]。土壤碳库是陆地碳库的主要组成部分，土壤碳库量约是大气碳库的2倍，是地球表面最大且周转最慢的碳库，主要以有机碳形式存在[19]。由于土壤有机碳储量的巨大库容, 其较小幅度的变化就可能影响到碳向大气的排放,以温室效应影响全球气候变化。因此，对土壤碳库及其动态变化准确、详实的研究无疑对研究陆地生态系统碳循环及全球变化问题意义重大。
1.2 土壤碳汇功能的表现
土壤碳汇功能主要通过土壤碳储量、碳密度和碳循环三方面综合反映，三方面密切相关[16]，其表现为一个碳平衡动态过程，由吸收、排放、固定、转移四个子系统共同决定。
土壤有机碳库积累量由残体分解量决定,减少过程由土壤呼吸量决定,净变化由残体输入和呼吸排放量决定[19、20]。而土壤有机碳贮量的年际变化决定于土壤侵蚀及淋溶导致的土壤有机碳的迁移。国内外关于土壤有机碳储量及其影响因素等方面的研究已积累了较多成果[3、20、21、22]。
土壤碳密度是估算碳储量的基础数据[23]，它本身也是评价土壤碳汇功能的重要指标。土壤碳循环关系到整个地球三相系统碳循环[18]，其循环状态直接关系到土壤是碳源还是碳汇。当前土壤碳循环的研究仍是陆地碳循环研究中最不充分的部分，由于土壤在时间和空间上的复杂性，使得土壤碳循环的研究仍面临着大量需要解决的问题[24]，对土壤碳库的估计误差也很大。
1.3 森林土壤碳汇效应表现
森林土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，全球森林土壤有机碳贮量约为402～787 Gt C(1Gt =109t)，约占全球陆地土壤中碳储量的25～50%[16]。全球森林土壤碳库的地理分布格局与森林植被碳库有显著的不同，按纬度带划分，以高纬度地区森林土壤碳贮量最大，约占全球森林土壤碳贮量的60％，低纬度地区森林土壤碳贮量占27％，中纬度地区森林土壤碳贮量占13%。森林土壤的碳贮量在森林总碳贮量中所占的比重，在高纬度的北方森林中约占84%，在中纬度的温带森林中约占63%，在低纬度热带森林中约占50％ ，即森林土壤碳贮量在森林总碳库中所占的比重随着纬度的降低而降低。森林土壤平均碳密度也呈现类似的变化规律，以高纬度的北方森林土壤最大，中纬度的温带森林土壤次之，低纬度的热带森林最小，森林土壤碳库及碳密度的这种纬向分布规律是气候、植被、土壤相互作用平衡后的一种结果。森林枯落物是森林土壤有机质的主要来源，森林土壤碳密度与森林地表枯落物的积累量成正比，而地表枯落物的积累量主要决定于枯落物生成量与分解速度，二者又同时受温度与水分两个气候因子的控制。当气温较高、降雨量较大时，森林的生产力高、枯落物的生成量大，同时枯落物及土壤中的有机质分解作用强烈，地面枯落物的净积累量较少;当气温较低、降雨量较小时，森林生产力相对较低，枯落物生成量也较少，但由于枯落物的分解作用较低，地面枯落物的积累量反而较大。
要精确估算森林生态系统的碳汇能力必须采用由下而上的方法，即通过了解每个不同的生态系统单元再到区域尺度，然后到国家或全球尺度，生态系统尺度的研究是全部工作的重要基础，而区域尺度起着桥梁和纽带作用[16]。森林土壤碳周转是森林生态系统碳循环的基础，各种森林植被类型（特别是典型生态地理区域植被带谱）土壤碳研究可为各级尺度碳汇功能评价提供依据。
2 森林土壤碳汇功能评价因子
2.1 土壤有机碳储量和碳密度
土壤有机碳储量是生态系统碳汇效应的重要组成部分，也是评价土壤碳汇功能的主要指标。土壤碳密度是衡量土壤是碳源或汇的重要标准，也为估算碳储量提供了基础数据。
2.1.1 有机碳库和碳密度
森林土壤是陆地生态系统中的主要碳库,其碳储量的变化必然引起整个陆地生态系统或区域生态系统碳的转移。土壤碳库大小决定于生物物质输入量、分解释放碳量和进入水系统的损失碳量间的关系[25]，与气候、干扰因子特征(时间、强度、方式等)及地上部分生物量变化密切相关。目前土壤研究资料较少，主要通过模拟分解速率、干扰特征和生物量动态变化的影响，来估测平均土壤碳库大小。土壤有机碳库是表现活跃的那部分碳库，通常用其大小来衡量总碳库大小。同样，通过测定有机碳密度来估量土壤总碳密度。对土壤有机碳储量的估计方法主要有4种类型[26]：根据植被类型推算；根据土壤类型推算；根据生命气候带推算；模型计算。在众多估算方法中以Batjes所用的按土壤类型的研究方法和Post的按生命带方法的研究最有代表性。
2.1.2 有机碳库稳定性及碳库组分
土壤有机碳库稳定性也是土壤碳贮量源/ 汇功能的重要体现。土壤有机碳稳定性增强是土壤碳贮量汇功能增加的过程,反之则是减弱的过程[27]。土壤有机碳库组分也与土壤碳贮量汇功能密切相关，其保护性组分是土壤碳贮量汇功能增加的体现, 非保护性组分是汇减弱的体现。
2.1.3 活性有机碳库贮量
土壤活性有机碳受植物和微生物影响强烈，具有一定溶解性，在土壤中移动比较快，不稳定，易氧化，易分解，易矿化，其形态和空间位置对植物和微生物来说活性比较高[26]，对土壤质量变异具有强烈指示作用,可以敏感地反映森林土壤的碳汇功能。它们是土壤有机物和其他养分循环转化的驱动力,与土壤实际起作用的有机碳密切相关[28]。国外描述这一部分碳素的术语为微生物量碳和一部分微生物产物的碳，包括溶性有机碳(DOC)和水溶性有机碳(WSOC)和土壤微生物量碳。
2.2 土壤碳循环
土壤碳循环由土壤碳输入、碳输出与碳库稳定性三部分共同决定[29]。土壤碳输入主要是植被枯死物、凋落物和动物、微生物的残体等组成，而碳输出主要是植物的带出与转移、土壤呼吸释放和凋落物+粗死木呼吸等组成[30]。土壤中碳素的稳定性直接关系到碳的循环与周转。目前，土壤碳循环的研究是陆地碳循坏研究中最不充分的部分，土壤碳库与其它碳库间的碳通量、碳平衡情况还不十分清楚[31]，但国内外对森林土壤碳释放量已经做了大量的研究[26]。
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延伸阅读
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