新疆土地利用變化與土壤固碳潛力研究

王紅巖

摘要 土地利用變化是影響陸地碳源和碳匯變化的主要因素之一。該研究根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，探討分析新疆農(nóng)業(yè)土地利用管理對(duì)土壤碳匯功能及其土壤固碳減排潛力的影響。結(jié)果表明，通過(guò)新疆地區(qū)宜農(nóng)后備土地的開(kāi)發(fā)，增加新疆農(nóng)田面積并控制土地荒漠化可以有效地緩解我國(guó)土壤有機(jī)碳損失；加強(qiáng)灌溉、施肥和翻耕等農(nóng)田管理措施，對(duì)土壤-大氣CO2交換產(chǎn)生重要影響；新疆地區(qū)土壤對(duì)大氣CH4吸收和N2O排放也不容忽視；后兩者需要進(jìn)一步深入研究證實(shí)。

關(guān)鍵詞 干旱區(qū)；農(nóng)田土壤；土壤固碳；管理措施；溫室氣體

中圖分類(lèi)號(hào) S28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）20-06816-02

人類(lèi)活動(dòng)加劇氣候變化進(jìn)程[1]，其中土地利用變化就是人類(lèi)活動(dòng)影響氣候變化的重要因素之一，同時(shí)氣候變化又對(duì)人類(lèi)賴(lài)以生存的水、生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)持續(xù)性發(fā)展、人類(lèi)健康等產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，其中農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)方面表現(xiàn)出對(duì)土壤碳和氮循環(huán)的影響上[2]。土壤作為一種碳源或碳匯，影響著大氣中CO2濃度[3]，土地利用發(fā)生變化后將嚴(yán)重影響陸地碳源和碳匯變化，全球干旱（荒漠）區(qū)占陸地總面積的47.2%，而荒漠生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)墾為農(nóng)田后可增加土壤有機(jī)碳含量，可見(jiàn)其土壤碳庫(kù)及變化在區(qū)域/全球碳循環(huán)過(guò)程中占有重要地位。新疆自治區(qū)耕地面積僅占中國(guó)的3%，但其土壤有機(jī)碳的累積量卻不容忽視，若新疆地區(qū)未來(lái)20年內(nèi)將18%的宜農(nóng)后備土地開(kāi)墾為農(nóng)田，土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量將增加約0.65×1015，為過(guò)去20年全國(guó)土壤有機(jī)碳凈損失量的22%；而且新疆地區(qū)土壤對(duì)CH4吸收和N2O排放也不容忽視，如2005年全區(qū)農(nóng)田N2O直接排放總量可達(dá)5.34×109 g N2ON，其增溫潛勢(shì)在可抵消過(guò)去20年農(nóng)田土壤有機(jī)碳的平均年累積量；因此增加新疆農(nóng)田面積并控制土地荒漠化將有效緩解我國(guó)土壤有機(jī)碳的損失。相關(guān)研究顯示，干旱區(qū)土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)較重要，土地利用變化對(duì)干旱區(qū)土壤碳庫(kù)影響的研究多集中于有機(jī)碳，其損失主要由土地（草地）荒漠化引起，而且灌溉、施肥和翻耕等農(nóng)田管理措施對(duì)土壤-大氣CO2交換產(chǎn)生重要影響，但其凈效果需要進(jìn)一步研究證實(shí)，新疆地區(qū)土壤的溫室氣體源/匯功能及土地利用變化引起的源/匯功能變化亟需深入的實(shí)驗(yàn)研究。

1 干旱區(qū)土壤碳庫(kù)研究進(jìn)展

陸地生態(tài)系統(tǒng)（植物和土壤）是主要碳庫(kù)之一，其碳儲(chǔ)量是大氣碳儲(chǔ)量的4倍，其中約30%～90%儲(chǔ)存于土壤[4]，土地利用變化是造成土壤碳庫(kù)變化的主要驅(qū)動(dòng)因子之一，而土壤碳庫(kù)的變化將對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生重大影響，改變其碳源/匯功能。干旱（荒漠）區(qū)（年降水量：潛在蒸發(fā)量<0.65）大約占全球陸地面積的47.2%，所以干旱區(qū)土壤碳庫(kù)及其變化在區(qū)域/全球碳循環(huán)中占有重要地位。溫帶和熱帶地區(qū)，自然生態(tài)系統(tǒng)（森林、草地和濕地）開(kāi)墾為農(nóng)田后，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量下降并以CO2形式釋放，可見(jiàn)退耕還林還草是增加土壤有機(jī)碳含量的有效途徑；相反，在自然環(huán)境惡劣的干旱區(qū)，氣候變化使得干旱區(qū)洪澇和干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生，造成自然生態(tài)系統(tǒng)退化加劇，使得荒漠生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力和土壤有機(jī)碳含量較低，這種土壤有機(jī)碳的損失主要由土地荒漠化引起，荒漠土地經(jīng)人為開(kāi)墾管理后，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力提高，農(nóng)田作物能夠固定更多的大氣CO2，而且農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量也較荒漠土壤高[5]，而且開(kāi)展免耕、秸稈還田、施用有機(jī)肥和輪作等合理的管理措施有利于進(jìn)一步提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量。

由于干旱區(qū)土壤有機(jī)碳含量較低，無(wú)機(jī)碳（碳酸鹽）的含量顯得十分重要[6]，通常情況下，荒漠化越嚴(yán)重的地區(qū)，土壤碳酸鹽含量越高，從側(cè)面反映出荒漠生態(tài)系統(tǒng)被開(kāi)墾為農(nóng)田后將造成土壤無(wú)機(jī)碳的損失，另一方面過(guò)磷酸鈣（普鈣和重鈣）是干旱區(qū)農(nóng)田主要磷肥之一[7]，其引入的Ca2+有利于碳酸鈣的形成，大多數(shù)農(nóng)田因灌溉致使表層土壤鹽堿化，較高的土壤酸堿度（pH）則有利于碳酸鈣沉積。當(dāng)前還尚未有針對(duì)干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)開(kāi)墾為農(nóng)田后土壤無(wú)機(jī)碳凈固定/損失方面的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，但可以肯定的是，氮、磷、鉀等復(fù)合肥逐步替代過(guò)磷酸鈣，使得干旱區(qū)農(nóng)田土壤無(wú)機(jī)碳碳匯功能隨著土壤Ca2+濃度降低而減弱。

2 新疆土地利用變化與土壤固碳潛力

2.1 新疆土地利用變化與土壤有機(jī)碳庫(kù)

新疆維吾爾自治區(qū)地處我國(guó)西部?jī)?nèi)陸，地形復(fù)雜，氣候多樣，屬典型的干旱半干旱地區(qū)，沙漠、戈壁、荒漠、高山占全疆面積的2/3以上，全區(qū)總面積4%的綠洲上集中了95%的人口。隨著人口增加和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，新疆農(nóng)業(yè)經(jīng)歷了大規(guī)模的開(kāi)發(fā)，2012年耕地面積達(dá)到512.33萬(wàn)hm2，較1950年增加了3.5倍；但新疆仍屬我國(guó)土地荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，荒漠化面積占全區(qū)面積的80%左右，大約有44%的耕地受到荒漠化威脅[8]。目前，受人為和自然因素影響，新疆地區(qū)大規(guī)模的土地利用變化對(duì)土壤碳庫(kù)造成了強(qiáng)烈擾動(dòng)，甚至?xí)?duì)全球碳循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重大影響。盡管新疆全區(qū)耕地僅占全國(guó)耕地總面積的3%，但過(guò)去20年間新疆地區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳累積增加量卻達(dá)全國(guó)總量的7%，土地（草地）荒漠化造成的土壤有機(jī)碳損失則占全國(guó)總量的17%，全區(qū)土壤有機(jī)碳凈損失占全國(guó)總量的19%（未計(jì)入土壤無(wú)機(jī)碳的固定/損失），因此，增加新疆農(nóng)田面積并控制土地荒漠化將在一定程度上有效緩解我國(guó)土壤有機(jī)碳損失。

新疆地區(qū)宜農(nóng)后備土地面積達(dá)880萬(wàn)hm2[9]，是現(xiàn)有耕地面積的2.2倍。隨著宜農(nóng)后備土地的逐步開(kāi)發(fā)，新疆農(nóng)田土壤的碳源/匯功能將成為我國(guó)CO2減排增匯研究的重要內(nèi)容，假如宜農(nóng)后備土地以每年8萬(wàn)hm2的速度開(kāi)墾，農(nóng)田土壤1 m深度內(nèi)有機(jī)碳密度為0.55×108 g/hm2，荒漠土壤1 m深度內(nèi)有機(jī)碳含量為0.20×108 g/hm2，農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量隨開(kāi)墾年限的年增長(zhǎng)率為0.53 g/kg，農(nóng)田土壤1 m深度內(nèi)土壤容重平均為1.26 g/cm3，那么20年后，將有1.6×106 hm2（約占總數(shù)的18%）宜農(nóng)后備土地開(kāi)墾為農(nóng)田，全區(qū)農(nóng)田面積可增加40%，農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量將增加0.65×1015 g，較2005年農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量增加2.2倍，相當(dāng)于過(guò)去20年全國(guó)土壤有機(jī)碳凈損失的22%。按照這樣的速度，我國(guó)因土地荒漠化造成的土壤有機(jī)碳損失可在未來(lái)20年通過(guò)新疆地區(qū)少量宜農(nóng)后備土地的開(kāi)墾至少恢復(fù)1/5，在今后更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，或加快宜農(nóng)后備土地的開(kāi)發(fā)速度，或采取合理的管理措施，來(lái)提高農(nóng)田土壤有機(jī)碳的累積速率，更多的大氣CO2將被以有機(jī)碳的形式固定在農(nóng)田土壤中。

2.2 農(nóng)田管理與土壤CO2排放

土壤-大氣CO2交換主要由植物根系呼吸強(qiáng)度和微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解速率決定的。在自然條件下，土壤水分含量是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)和土壤微生物活性的首要限制因子，土壤CO2排放與降水量呈正相關(guān)，與溫度呈負(fù)相關(guān)，而降水量和溫度則控制土壤濕度的變化；此外，綠色植物光合作用對(duì)大氣CO2也具有一定的的固定作用，Meyers的研究結(jié)果表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在濕潤(rùn)年由于綠色植物光合作用強(qiáng)而固定大氣CO2，反之，干旱年則由于光合作用減弱而釋放CO2；而且灌溉、施肥和翻耕等人為管理措施會(huì)在一定程度上減弱環(huán)境因子的脅迫作用，造成CO2排放可能與自然生態(tài)系統(tǒng)存在差異。

灌溉是新疆農(nóng)田水分管理措施之一，全區(qū)耕地有效灌溉面積超過(guò)80%，灌溉為農(nóng)田作物生長(zhǎng)提供必需的水分條件，使地下根系呼吸加強(qiáng)，保證較高的初級(jí)生產(chǎn)力，并使作物固定更多的CO2，同時(shí)有效提高土壤微生物活性，加快土壤有機(jī)質(zhì)分解，促進(jìn)土壤碳的釋放。相關(guān)資料表明，灌溉可引起土壤CO2爆發(fā)式排放，強(qiáng)度為背景排放的10倍，持續(xù)時(shí)間約為42 h，相對(duì)較短，其中溝灌、噴灌和滴灌等節(jié)水灌溉措施較漫灌更有利于土壤有機(jī)碳的保持。灌溉可對(duì)土壤無(wú)機(jī)碳造成一定影響，灌溉用水通常含有大量溶解態(tài)CO2，灌溉可致堿性土壤中CO2濃度突然升高，造成碳酸鈣的沉積，而且灌溉水也是農(nóng)田土壤中Ca2+、Mg2+的主要來(lái)源，為碳酸鹽的形成創(chuàng)造條件；灌溉致使農(nóng)作物根系呼吸和微生物活性加強(qiáng)，土壤空氣中CO2濃度升高，這些CO2即可參與碳酸鹽的形成過(guò)程，而不必吸收大氣中CO2，當(dāng)然灌溉對(duì)土壤碳庫(kù)的影響還有待進(jìn)一步的研究分析。

化肥和有機(jī)肥是保證農(nóng)田高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效措施，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或有機(jī)肥與化肥混合施用，能夠有效提高土壤有機(jī)碳含量，但同時(shí)其土壤CO2排放量也有所增加，輸入的有機(jī)碳中約有24%～36%以CO2形式釋放。目前，新疆農(nóng)田以單純施用化肥為主，有機(jī)肥施用和秸桿還田量較少或沒(méi)有，不利于土壤有機(jī)碳固定。

翻耕可避免表層土壤結(jié)塊，有利于種子發(fā)芽和出苗，同時(shí)具有除草、保水和勻地等效果，是新疆農(nóng)田特別是鹽堿化土地的重要管理措施之一。大量研究結(jié)果表明，翻耕將促進(jìn)土壤有機(jī)碳的分解，翻耕后土壤有機(jī)碳含量較免耕土壤可減少25%～33%；翻耕造成表層土壤空氣中CO2的快速釋放，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)24 h；暴露在空氣中的土壤易受到風(fēng)蝕、水蝕而造成碳損失；因此，實(shí)施淺耕、翻耕后覆蓋秸桿等保護(hù)性耕作可減少土壤碳的損失。

2.3 CH4吸收和N2O排放

除CO2之外，與土壤密切相關(guān)的還包括CH4和N2O。CH4在厭氧條件下由產(chǎn)CH4細(xì)菌產(chǎn)生，干旱區(qū)土壤通常不具備產(chǎn)生CH4的條件，而表現(xiàn)為對(duì)大氣CH4的較強(qiáng)吸收。新疆面積廣大，土壤對(duì)CH4的吸收總量不容忽視，其中新疆約有占全疆耕地面積的2%水田，全疆各地還分布著少量的河流湖泊，其流域沿岸形成灘涂濕地，各地洪澇災(zāi)害也可能形成季節(jié)性水洼，這些人工和自然濕地均成為CH4可能的源頭。N2O主要由土壤微生物硝化反硝化過(guò)程產(chǎn)生，是由土壤速效氮（NH4+和NO3-）濃度、土壤濕度、溫度和pH等決定的。N是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)和土壤微生物活性的主要限制因子之一，干旱區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)土壤N2O排放量通常較低，在年尺度上表現(xiàn)為弱源，但新疆面積大，其源總量不可忽略。施肥、灌溉等農(nóng)田管理措施都極大的促進(jìn)N2O排放，2005年全疆氮素化肥使用量為0.534×1012 g N，若按IPCC推薦的農(nóng)田N2O直接排放因子1%計(jì)算，全疆農(nóng)田N2O排放量為5.34×109 g N2ON，在20年尺度上相當(dāng)于1.5×1012 g CO2C，與過(guò)去20年農(nóng)田土壤有機(jī)碳累積量的年平均值相當(dāng)[2]。

3 結(jié)論

新疆干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)因分布面積廣泛而在區(qū)域/全球碳循環(huán)過(guò)程中占有重要地位，其土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)較有機(jī)碳庫(kù)更為重要，但目前對(duì)土地利用變化引起土壤無(wú)機(jī)碳庫(kù)的變化尚缺乏深入認(rèn)識(shí)。新疆雖然耕地面積小，但其土壤有機(jī)碳的累積量卻不可忽略，今后可通過(guò)新疆地區(qū)宜農(nóng)后備土地的開(kāi)發(fā)，增加新疆農(nóng)田面積并控制土地荒漠化，有效地緩解我國(guó)土壤有機(jī)碳損失；另外，加強(qiáng)灌溉、施肥和翻耕等農(nóng)田管理措施，對(duì)土壤-大氣CO2交換產(chǎn)生重要影響，這種固碳凈效果尚需要進(jìn)一步研究證實(shí)；除CO2排放之外，新疆地區(qū)土壤對(duì)大氣CH4吸收和N2O排放也不容忽視，對(duì)于新疆地區(qū)土壤的溫室氣體源/匯功能及土地利用變化引起的源/匯功能變化亟需進(jìn)行深入實(shí)驗(yàn)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]

UNFPA （United Nations Population Fund）.The State of Word Population 2009.Facing a changing world：women，population and climate[R].United Nations Population Fund，2009.