河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳匯時(shí)空演變研究.pdf

1、隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，為探索降低大氣溫室氣體濃度的對(duì)策，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及碳收支研究成為當(dāng)前全球變化研究的熱點(diǎn)問題。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是重要的溫室氣體源和匯，一方面通過作物光合作用和人為途徑吸收大量的碳；另一方面通過作物和土壤的呼吸作用以及各種途徑的人工投入過程間接釋放碳。另外，原始土地轉(zhuǎn)化為耕地的過程也使土壤喪失了大量的有機(jī)碳。隨著耕作強(qiáng)度的增加，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域面臨著越來越多的碳釋放。因此，如何采取措施實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤固碳增匯成為目前亟待解決的問

2、題之一。 本文結(jié)合碳源/匯模型，通過1949～2005年的統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)河西4市縣綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳現(xiàn)狀潛力、主要農(nóng)作物的碳吸收、不同土地利用方式下的土壤碳匯以及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的經(jīng)濟(jì)效益等方面進(jìn)行分析，初步了解了大尺度上河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯的特征及河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在減緩全球變暖中的貢獻(xiàn)，提出了河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳增匯/減排的戰(zhàn)略措施。通過研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論： （1）河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤固碳潛力

3、估算研究的結(jié)論是：通過對(duì)河西4市縣綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳現(xiàn)狀和固碳潛力的分析表明，①河西4市縣綠洲農(nóng)田土壤固碳現(xiàn)狀和單位面積的平均固碳速率在不同耕作水平下是不同的。在施用化肥、有機(jī)肥、秸稈還田和少免耕等不同耕作條件下，土壤固碳現(xiàn)狀和單位面積的平均固碳速率分別為6.65Tg·a-1和240.51kg·hm-2·a-1、5.97Tg·a-1和215.91kg·hm-2·a-1、3.27Tg·a-1和118.26kg·hm-2·a-1以及7.

4、86Tg·a-1和284.27kg·hm-2·a-1。相對(duì)而言，少免耕的耕作措施更適用于河西4市縣。②在土地利用方式、耕作措施、施肥水平和氣候條件不變的情況下，經(jīng)過多年的農(nóng)田管理措施后，土壤有機(jī)碳密度都將達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)模擬計(jì)算，河西全區(qū)的土壤有機(jī)碳密度由1989年的10.33kg·m-2達(dá)到新穩(wěn)定狀態(tài)后的12.31kg·m-2。③河西土壤碳儲(chǔ)量由1989年的620Tg達(dá)到新穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的740Tg，固碳潛力為120Tg。④從土

5、壤有機(jī)碳密度及其儲(chǔ)量上看，隨著時(shí)間的推移，地區(qū)間碳密度和儲(chǔ)量發(fā)生的變化不是很大。第二次土壤普查期間，河西土壤高碳密度區(qū)主要分布在張掖市，其次為永昌縣、武威市和酒泉市；在2005年時(shí)，仍然是張掖市的碳密度最高，其次為永昌縣、酒泉市和武威市。 （2）河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳匯估算研究結(jié)論是：通過對(duì)河西4市縣綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)主要農(nóng)作物的碳吸收的估算、不同農(nóng)作物生態(tài)系統(tǒng)碳源匯變化以及農(nóng)田管理土壤碳匯估算分析表明，①河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)

6、主要農(nóng)作物碳吸收的貢獻(xiàn)者是糧食作物和蔬菜，但是在具體的碳吸收上存在較大差異，這與農(nóng)作物本身的特性和種植面積有關(guān)。②在作物——土壤系統(tǒng)CO2源匯關(guān)系的日變化中，CO2源匯關(guān)系存在不確定性，小麥生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)中等水平的碳匯；棉花生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)弱碳匯；玉米生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)碳匯；在年變化中，小麥生態(tài)系統(tǒng)除8～9月份是弱碳源外，其余月份均屬于碳匯，棉花生態(tài)系統(tǒng)在6～9月份為碳匯，其余月份為碳源，玉米生態(tài)系統(tǒng)6～9月份為碳匯，其余月份為碳源。③19

7、49～2005年河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳吸收呈階段性增長(zhǎng)趨勢(shì)，碳吸收總量從1949年的24.39萬t增加到2005年的298.37萬t，凈增273.98萬t，增長(zhǎng)了12.23倍。碳吸收的發(fā)展趨勢(shì)基本呈現(xiàn)出三個(gè)發(fā)展階段即：波動(dòng)式增長(zhǎng)階段（1960年以前）、恢復(fù)性增長(zhǎng)階段（1960～2000年）和快速增長(zhǎng)階段（2000年以后）。④河西4市縣綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳匯效應(yīng)中，有機(jī)無機(jī)配施的作用較為明顯，可使SOC增長(zhǎng)0.81tCha-1·a-1，其

8、次為免耕，SOC增長(zhǎng)0.62tCha-1·a-1。秸稈還田和施有機(jī)肥的效果相當(dāng)，SOC的年增加量分別為0.57和0.38tCha-1·a-1。施單一氮、磷、鉀肥幾乎不能使SOC增加，甚至起負(fù)作用。配合施用氮、磷、鉀肥也只能彌補(bǔ)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化損失，不能明顯提高其含量。 （3）不同土地利用方式對(duì)土壤碳匯的影響研究結(jié)論是：從土地利用及其變化的角度出發(fā)，對(duì)河西農(nóng)田、草地和林地的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量、生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能等方面的影響進(jìn)行分析表明，

9、①灌木林、山楊林和青海云杉×祁連圓柏變成農(nóng)田或草地后，土壤表層（0～50cm）的土壤有機(jī)碳含量下降；而在農(nóng)田或草地中營(yíng)造落葉松人工林后，土壤表層（0～40cm）的土壤有機(jī)碳含量將增加，在土壤剖面底層的有機(jī)碳含量受土地利用變化的影響較小。②灌木林、山楊林和青海云杉×祁連圓柏變成農(nóng)田或草地后，土壤有機(jī)碳密度下降（35%和14%）；農(nóng)田中營(yíng)造落葉松人工林后，土壤有機(jī)碳密度將增加；在草地中營(yíng)造落葉松人工林后，土壤有機(jī)碳密度未顯著變化。另外，土地

10、利用變化后，土壤有機(jī)碳密度的變化幅度比土壤有機(jī)碳含量的變化幅度小。③不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳的積累不同。在0～45cm土層，草地的土壤有機(jī)碳均顯著高于農(nóng)田；在翻耕、少耕和免耕3種耕作方式下，土壤碳積累貢獻(xiàn)的次序是：少耕>免耕>翻耕。④天然次生林生態(tài)系統(tǒng)通過土地利用變化變成農(nóng)田或草地后，土壤碳貯量匯功能強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性和非穩(wěn)定性匯減弱，保護(hù)和非保護(hù)性、活性碳匯的強(qiáng)度也都將減弱。而農(nóng)田或草地生態(tài)系統(tǒng)通過造林變成人工林生態(tài)系統(tǒng)后，土壤碳貯

11、量這些匯功能強(qiáng)度都將增加。⑤在植被生產(chǎn)力碳積累方面，天然次生林和人工林生態(tài)系統(tǒng)都具有較強(qiáng)的匯，而農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)則相對(duì)較弱。在土壤有機(jī)碳貯量變化方面，天然次生林生態(tài)系統(tǒng)是強(qiáng)匯，而農(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)為源，人工林生態(tài)系統(tǒng)為弱匯。 （4）河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳匯功能評(píng)價(jià)結(jié)論是：通過數(shù)學(xué)模型，對(duì)河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳匯功能的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析表明，①1949～2005年間，河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的經(jīng)濟(jì)效益變化趨勢(shì)呈階段性增

12、長(zhǎng)趨勢(shì)，碳匯功能的經(jīng)濟(jì)效益從1949年的0.63億元增加到2005年的7.76億元，凈增7.13億元，增長(zhǎng)了11.32倍。②河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展趨勢(shì)基本呈現(xiàn)出波動(dòng)式增長(zhǎng)（1960年以前）、恢復(fù)性增長(zhǎng)（1960～2000年）和快速增長(zhǎng)三個(gè)發(fā)展階段。 （5）通過以上分析，得出河西綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳增匯/減排的戰(zhàn)略措施：①調(diào)整耕作制度：免耕法是一種對(duì)土壤擾動(dòng)最小的耕作方式，能非常有效的提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳。②改善

13、施肥方式：長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能顯著提高土壤活性有機(jī)碳的含量，有機(jī)無機(jī)配施，可提高作物產(chǎn)量，而使用化學(xué)肥料能增加土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性。③秸稈還田：秸稈還田是減少農(nóng)田碳排放、增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的重要途徑，還可以將秸稈過腹還田，不僅能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，而且還能發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)，增加經(jīng)濟(jì)效益。④其他措施：如改良作物品種，有計(jì)劃地抓緊培育具有對(duì)高溫、干旱等極端氣候及病蟲害有抗性的品種，確保在新的生態(tài)環(huán)境中農(nóng)牧產(chǎn)量不斷提高，擴(kuò)大碳的吸收存儲(chǔ)。另外，也可以采取