霍海霞,張建國,馬愛生,霍軍文

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊陵 712100；3 西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊陵 712100；4.延安市水土保持監(jiān)測分站，陜西 延安 716000)

隨著大氣CO2濃度以及全球溫度的不斷升高，位于陸地表層的土壤碳循環(huán)成為近些年全球變化研究的焦點。干旱荒漠區(qū)植被匱乏，土壤有機碳(SOC)含量非常低，30多年前，W.H.Schlesinger[1]研究認(rèn)為土壤無機碳(SIC)庫基本是一個“死庫”，對現(xiàn)代碳循環(huán)的貢獻幾乎可以忽略不計，因此在全球碳循環(huán)研究中，干旱荒漠區(qū)長期被忽視。但最新的研究結(jié)果表明，干旱荒漠以緩慢的速率大量吸收空氣中的CO2，其碳循環(huán)過程是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，況且全球荒漠面積約占陸地總面積的1/4，因此在延緩全球氣候變化方面的重要作用是不可忽略的[2-3]。長期以來，針對全球碳循環(huán)研究的熱點問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者對干旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程進行了較為系統(tǒng)的研究，并取得了很多重要的研究成果。本研究旨在對已有成果進行系統(tǒng)總結(jié)，以促進干旱荒漠區(qū)碳循環(huán)研究的進一步深入開展，揭示干旱荒漠區(qū)土壤固碳過程及機理，探尋“失匯”的碳，豐富土壤學(xué)基礎(chǔ)理論，為荒漠化防治和區(qū)域水土資源的合理開發(fā)利用提供參考。

1 土壤碳分布及影響因素

1.1 土壤碳的分布

相當(dāng)長一段時間內(nèi)，眾多學(xué)者主要關(guān)注的是土壤有機碳(SOC)，而對于土壤無機碳(SIC)的研究相對較少。干旱荒漠有限的生產(chǎn)力和較低的土壤含水量以及特殊的土壤理化性質(zhì)(如較高的土壤pH值)，使得土壤碳儲量表現(xiàn)為SOC儲量相對貧乏，而SIC儲量比較豐富[4]。SIC庫是干旱、半干旱區(qū)土壤碳庫的主要形式，一般比土壤SOC庫大2～5倍[5]，而貢璐[6]等對塔里木盆地南緣典型綠洲SOC和SIC的研究結(jié)果表明，SOC含量(2.51 g·kg-1)遠(yuǎn)低于SIC(25.63 g·kg-1)，僅為SIC含量的10%左右。全球約有40%的干旱土地，而我國西北干旱區(qū)SIC儲量相當(dāng)于全球的1/20～1/15[7]。

Y.Li[8]等和J.Liu[9]等的研究顯示，干旱荒漠區(qū)是一個巨大的無機碳匯，發(fā)揮著極其重要的固碳作用，由此激發(fā)了眾多學(xué)者對SIC特別是干旱半干旱區(qū)SIC的關(guān)注。SIC包括土壤溶液中HCO3-、土壤空氣中CO2及土壤中淀積的CaCO3，其中以CaCO3占絕對優(yōu)勢，多以結(jié)核狀、菌絲狀存在于土壤剖面。作為判斷土壤形成、發(fā)生與分類的重要指標(biāo)之一，CaCO3在土壤剖面中的淋溶和淀積特征與土壤發(fā)生分類研究關(guān)系密切。A.M.Cunliffe[10]等的研究表明，旱地鈣質(zhì)土壤中>2 mm的穩(wěn)定性團聚體包含了很高比例(24%～34%)的淺層土壤總有機碳(TOC)，CaCO3沉積可以促使土壤固定更多的有機碳。

1.2 土壤碳分布的影響因素

荒漠土壤碳的分布受多重因素的影響。據(jù)估算，面積為310.37×104km2中亞荒漠總生物碳儲量為57.03×107t，在未來降雨持續(xù)增加的條件下其將會有更大的碳匯潛力[11]。在毛烏素流動沙地上進行植被建設(shè)有助于土壤固碳，不同植被類型間的固碳效果差異性非常明顯，但應(yīng)盡量減少和避免強烈的人為干擾，以維持土壤碳庫穩(wěn)定[12]。青海共和高寒沙地烏柳防護林生態(tài)系統(tǒng)具有“碳匯”功能，碳儲量隨林齡的增加而顯著增加[13]?？茽柷呱车啬暇壭∪~錦雞兒和黃柳灌叢群落碳密度隨林齡增加而增加，具有一定的碳匯潛力，林齡<10 a 時為年碳匯速率增長迅速期，隨著林齡的增加，年碳匯速率有下降的趨勢[14]。內(nèi)蒙荒漠草原SOC與SIC含量呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，SOC含量隨土壤深度增加逐漸降低而SIC含量依次增加，且存在明顯的SOC向SIC轉(zhuǎn)化[15-16]。徐薇薇[17]等研究結(jié)果表明，SOC含量與土壤營養(yǎng)成分和交換性陽離子含量呈顯著正相關(guān)，與土壤pH和容重呈顯著負(fù)相關(guān)，同時也證明了SOC和SIC含量呈顯著負(fù)相關(guān)。劉麗娟[18]等對民勤綠洲0～10 cm土壤可溶性無機碳(DIC)空間分布特征進行了研究，結(jié)果表明該區(qū)DIC平均含量為0.056 g·kg-1，從南向北整體呈逐漸降低的趨勢，其中耕地和沙地含量較高，而林地、草地和鹽堿地則較低。DIC含量與HCO3-呈極顯著正相關(guān)，與其他土壤離子呈顯著負(fù)相關(guān)，而與pH呈弱的正相關(guān)。

截至目前，干旱荒漠區(qū)土壤碳分布的有關(guān)研究多集中在SOC方面，而SIC方面的研究相對不足，特別是對于碳酸鹽的空間分布及區(qū)域碳儲量的研究報道更為少見，但這部分碳在大氣、植被、土壤碳庫間的長期動態(tài)變化中發(fā)揮著重要作用。碳酸鹽形態(tài)的SIC(約940 PgC)和地下水中的碳酸氫鹽(約1 404 PgC)組成了陸地最大的碳庫，超過了土壤有機碳(類似于1 530 PgC)，其巨大規(guī)模的碳庫得到了普遍認(rèn)可，但對于無機碳固持大氣CO2潛力的爭議仍未解決[19]。

2 土壤碳循環(huán)過程

2.1 土壤碳通量過程

眾多研究表明，干旱荒漠以緩慢的速率大量吸收空氣中的CO2[2-3,8-9]，在延緩全球氣候變化方面發(fā)揮著重要作用。這些被吸收的CO2最終的歸宿是地下咸水層，因而存在一個巨大的活動無機碳庫[8]。國內(nèi)外學(xué)者對撒哈拉沙漠、騰格里沙漠、阿拉善沙漠、塔克拉瑪干沙漠等荒漠地區(qū)的CO2通量進行了較為系統(tǒng)的研究。T.Tagesson[20]等的研究表明，撒哈拉沙漠是一個面積巨大的碳匯，土壤水分和植被是影響CO2吸收和釋放的關(guān)鍵因素。高艷紅[21]等的研究表明騰格里荒漠紅砂-珍珠群落在6:00-9:00出現(xiàn)1個CO2吸收的高峰值，隨后在12:00-15:00出現(xiàn)1個CO2釋放高峰值。T.Shao[22]等的研究表明，阿拉善沙漠1～5 m沙層的CO2濃度高于大氣，說明該沙漠暖季是一個向大氣釋放碳的源；不同沙層的CO2濃度日變化呈先升高后減低的趨勢，溫度和含水量是引起濃度變化的主要因素。塔克拉瑪干沙漠腹地CO2通量表現(xiàn)為白晝地表吸收CO2，夜間地表排放CO2，且地表吸收強度明顯>地表排放，春夏季節(jié)平均凈吸收速率分別為147.31 mg CO2·m-1·h-1和129.89 mg CO2·m-1·h-1[23]，冬季平均凈吸收速率是1.45 mg CO2·m-2·h-1[24]。

2.2 土壤呼吸過程及其影響因素

土壤呼吸是溫度與其他多種因子共同作用的結(jié)果，溫度的改變會影響土壤微生物和酶的活性，同時也會改變非生物學(xué)碳循環(huán)過程[25]。當(dāng)距地表10 cm 氣溫達到30℃ 時，土壤呼吸受到抑制；土壤碳通量與土壤含水量之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[26]。在塔克拉瑪干沙漠腹地，CO2通量受大氣穩(wěn)定性影響較大，穩(wěn)定大氣條件利于沙漠地表CO2的釋放，不穩(wěn)定大氣條件有利于沙漠地表CO2的吸收，此外，地表溫度、土壤濕度、風(fēng)速均與CO2通量呈不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系[24]。其中，地表溫度對土壤呼吸貢獻最大，其次是5 cm土壤濕度[24]。

土壤水分不僅是影響荒漠植物生長發(fā)育關(guān)鍵限制因子，同時也是影響土壤碳排放的主要因子之一，無論是降雨還是灌溉均會對土壤碳循環(huán)過程產(chǎn)生顯著影響。在一定范圍內(nèi)，土壤水分的增加將促進土壤呼吸作用[27]。R.A.Sponseller[28]的研究表明，降雨會使墨西哥索諾蘭(Sonoran)沙漠的土壤呼吸迅速增加30倍，劉殿君[29]等的研究也表明極端干旱區(qū)增雨會顯著加劇泡泡刺群落的土壤碳排放，J.D.Jabro[30]等發(fā)現(xiàn)適度的灌溉可以加速土壤呼吸作用。土壤濕度是限制固定沙地植物群落土壤呼吸的重要因子，隨土壤濕度的增加而增加，而沙化嚴(yán)重的流動沙地植物群落的土壤呼吸速率僅隨土壤濕度的增加而有輕微增加。但K.Y.Fa[31]等的研究表明，降雨脈沖可以強烈影響毛烏素沙漠生態(tài)系統(tǒng)中的碳通量，可以導(dǎo)致土壤吸收大氣的CO2，這可能是由于降雨改變了土壤與大氣間的氣壓差所致。當(dāng)土壤水分>一定閾值時，土壤水分的增加反而會降低土壤呼吸速率，因為高含水量導(dǎo)致土壤通透性變差，土壤缺氧會引起根系呼吸作用減弱，并使CO2在土壤中的擴散阻力增大[32]。降水模式確定了以禾本科植物為主的沙漠生態(tài)系統(tǒng)碳通量的年際變化[33]。張前前[34]等研究了微咸水灌溉條件下新疆干旱區(qū)綠洲棉田土壤CO2通量，結(jié)果表明微咸水灌溉可顯著降低土壤CO2通量，降低土壤有機質(zhì)的礦化分解速率，從而有利于增加土壤碳的固定量。土地利用方式也會對荒漠草地碳密度產(chǎn)生重要影響[35]。

電導(dǎo)率是影響鹽生土壤呼吸的主要因素。顆粒狀有機碳、腐殖質(zhì)C和黏土的含量也會產(chǎn)生影響，但它們的影響程度主要取決于鹽的影響[36]。pH的升高也會加速沙質(zhì)土壤中的“天然”有機碳的礦化[37]。此外，生物結(jié)皮在碳固持方面也發(fā)揮著重要作用。藻類和苔蘚是荒漠地表普遍存在的固碳生物(藍藻、綠藻和苔蘚等)，不僅能夠改善土壤的物理性質(zhì)，起到保護土壤的作用，最重要的是這些固碳生物能夠通過光合作用固定空氣中的CO2，是荒漠地區(qū)土壤表層固碳的主要貢獻者[38]。內(nèi)蓋夫沙漠有生物結(jié)皮覆蓋區(qū)和無生物結(jié)皮覆蓋區(qū)整體碳固定量分別為每年3.7 g C·m-2和2.3 g C·m-2[39]。根據(jù)V.R.Squires[40]的預(yù)測，未來的50 a干旱、半干旱地區(qū)每年能固定碳1.0×1015g。

干旱半干旱區(qū)土壤吸收CO2的機制包括大氣壓輸送、碳酸鹽溶解和土壤水包氣帶滲濾作用[41]，但W.H.Schlesinger[42]認(rèn)為每個機制都不足以解釋渦流-協(xié)方差系統(tǒng)的觀測，因此對沙漠生態(tài)系統(tǒng)無機碳吸收的準(zhǔn)確性提出了質(zhì)疑。面積廣袤的干旱荒漠區(qū)是一個潛在的巨大碳匯，其極低的土壤有機碳含量使之具有巨大的增碳潛力，該區(qū)域水土資源的合理開發(fā)利用與管理對于生態(tài)環(huán)境和全球氣候變化的重要性不言而喻，開展土壤碳相關(guān)的研究具有十分重要的戰(zhàn)略意義和理論價值。

2.3 土壤碳淋溶過程

眾所周知，水是影響干旱荒漠區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性最關(guān)鍵的因素。同時，灌溉也是影響土壤碳儲量的重要因素，因為灌溉可以使土壤可溶性碳發(fā)生淋溶。土壤碳的淋溶流失是指在水的作用下土壤中的碳沿著水文路徑轉(zhuǎn)移到水環(huán)境的過程。J.A.Entry[43]等對美國愛達荷州的研究表明，灌溉會顯著提高干旱區(qū)農(nóng)田SIC固持量，但同時也會造成可溶性碳淋溶損失。碳酸鹽溶解是荒漠土壤通過無機過程吸收大氣CO2的主要方式[44]，吸收的CO2大部分被土壤液相捕獲，這部分碳可能會被淋溶至地下水[8](圖1)，干旱荒漠鹽堿土灌溉洗鹽的過程中[45-46]同時會淋洗掉一部分土壤中的可溶性碳，使之進入沙漠下的地下咸水層而形成碳匯[8]。鑒于沙漠地下咸水層被厚厚的黃沙覆蓋，進入之后可能不再溢出，因此可以說該碳匯幾乎是一個單向發(fā)生過程：一旦進入就成為了地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的一部分[47]。

土壤可溶性無機碳(SDIC)含量受降水和灌溉的影響較大，當(dāng)土壤含水量超過田間持水量時，SDIC濃度增加；另外，土壤pH值對SDIC含量也具有較大影響[48]。研究表明，從土壤溶解淋溶出來的可溶性碳數(shù)量能夠在很大程度上解釋大氣與陸地生態(tài)系統(tǒng)碳吸收數(shù)量的差異[49]。干旱、半干旱區(qū)由于其特殊的地理位置及氣候條件，使得土壤鹽漬化程度較高，其次生碳酸鹽就有顯著的碳匯效應(yīng)，作為動態(tài)性碳的SDIC，由于受自然降水和人工灌溉的作用，顯著參與碳循環(huán)過程[50]。干旱區(qū)荒漠綠洲灌溉農(nóng)田有機碳和無機碳淋溶量十分可觀，土壤的含鹽量及作物灌溉量對土壤無機碳淋溶有重要影響[51]，并且土地開發(fā)和作物的種植灌溉模式對土壤碳淋溶也具有顯著影響[52]。王艷丹[53]等采用原狀土柱模擬試驗研究了強降雨對森林、不同植茶年限茶園SOC淋溶規(guī)律及淋溶通量，結(jié)果表明0～20 cm土層的SOC淋失通量大于0～40 cm土層，即0～20 cm土層流失的碳22.3%被20～40 cm土層截留，但仍然有占0～20 cm土層淋溶損失量77.7%的SOC通過40 cm厚的土層繼續(xù)向下層淋溶，通過延長植茶年限可以減少SOC的淋溶損失而有利于土壤碳的儲存。

圖1 塔里木盆地DIC淋溶與遷移示意

2.4 荒漠化與荒漠化逆轉(zhuǎn)對碳釋放/固持的影響

荒漠化和荒漠化逆轉(zhuǎn)在土壤碳固存方面發(fā)揮著截然相反的作用。土地荒漠化的加劇會顯著降低土壤碳，特別是SOC儲量[54]。隨荒漠化程度的加重，毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)碳固持能力逐漸降低，采取合理措施使荒漠化土地向以油蒿或本氏針茅為主的固定沙地演替，有助于毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)碳固持能力的提高和植物群落的生長[55]。而干旱荒漠、次生鹽漬化土地的植被恢復(fù)和重建具有很大的增加碳固存和改善土壤質(zhì)量的潛力[56-58]，嚴(yán)重沙漠化土地的人工植被恢復(fù)會顯著增加SOC和SIC的含量[57]。X.Zhao[59]等通過14C同位素標(biāo)定技術(shù)室內(nèi)模擬研究了新疆鹽堿土CaCO3重結(jié)晶固定CO2過程，結(jié)果表明鹽土可以比堿土固持更多的CO2，且大氣CO2濃度是影響固持過程的最為關(guān)鍵的因素?；哪恋亟亓籼嫉臐摿薮?，荒漠化防治導(dǎo)致的沙漠化逆轉(zhuǎn)不僅能改善生態(tài)環(huán)境，促進區(qū)域社會經(jīng)濟的良性循環(huán)，而且土壤碳的固定對緩解CO2排放和全球氣候變化同樣具有重要意義。

3 小結(jié)與展望

縱觀國內(nèi)外相關(guān)研究，干旱荒漠區(qū)作為巨大的土壤無機碳庫已被廣泛認(rèn)可。土壤碳的積累與否取決于碳輸入與碳釋放之間的平衡，土壤碳循環(huán)過程受到自然和人為因素的綜合影響，存在非常大的變數(shù)。與農(nóng)田、森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)相比，目前對于干旱荒漠區(qū)土壤碳循環(huán)的研究仍存在非常大的差距，這方面的研究有待于進一步加強?；哪畢^(qū)土壤碳循環(huán)現(xiàn)有的研究主要集中于碳儲量和垂直分布特征方面，碳淋溶研究的報道非常少且以室內(nèi)模擬為主，而關(guān)于荒漠土壤碳固定過程和機理的研究顯得非常不足，仍存在很多的科學(xué)問題需要進一步探討。

在全球碳循環(huán)的“未知匯”的尋找和相關(guān)研究中，陸地生態(tài)系統(tǒng)碳，特別是荒漠碳源/匯強度的估算方面仍存在很大的差異。因此，非常有必要建立全國性的荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測網(wǎng)絡(luò)，覆蓋我國各類典型荒漠生態(tài)系統(tǒng)，以保證資料的可比性和連續(xù)性，用以全國層面的荒漠碳收支與計算，這對于國際碳談判同樣具有重要戰(zhàn)略意義。而且土壤碳的形態(tài)與轉(zhuǎn)移過程和速率的關(guān)系，以及碳轉(zhuǎn)移過程的定量估計，也需要通過系統(tǒng)的野外定位觀測和試驗分析來推動。

干旱荒漠區(qū)氣候干旱，大氣蒸發(fā)潛力大，降雨非常稀少，光照強度大，惡劣的自然環(huán)境條件使得荒漠生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱。因此，為加強土壤碳的可持續(xù)管理，需要進一步加強自然因素和人為因素影響下的多尺度荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程與機理的研究，特別強調(diào)對荒漠生態(tài)系統(tǒng)不同發(fā)展階段(荒漠化與荒漠化逆轉(zhuǎn)過程)、不同利用方式(荒漠轉(zhuǎn)化為農(nóng)田、人工林或草地等)，荒漠生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)過程與機理[60]，以及應(yīng)對氣候變化的荒漠生態(tài)系統(tǒng)管理對策和技術(shù)措施等的研究。比如，人工林在碳循環(huán)及溫室氣體減排中發(fā)揮著重要作用，通過科學(xué)合理的維護管理，增強荒漠人工林的土壤碳匯，對減緩大氣溫室氣體濃度的提升具有積極的意義。

需要進一步加強荒漠生態(tài)系統(tǒng)土壤碳轉(zhuǎn)移和歸宿方面的研究?；哪鳛榫薮蟮臒o機碳匯，降雨和灌溉過程中勢必造成可溶性碳向深層土壤淋溶，Y.Li[8]等的研究認(rèn)為這部分碳主要被淋溶至地下水而被封存起來。但地表徑流、灌溉和降雨對土壤碳的淋溶程度如何，在淋溶過程中碳存在形態(tài)的轉(zhuǎn)化過程如何？特別是絕大部分荒漠區(qū)降雨量非常低，水資源短缺，且水質(zhì)較差，利用劣質(zhì)咸水灌溉是解決水資源短缺的重要途徑[61]。劣質(zhì)咸水對土壤碳的固持和淋溶轉(zhuǎn)化又會產(chǎn)生什么樣的影響？另外，荒漠SOC在分解轉(zhuǎn)化為SIC的過程和機理以及影響因素有哪些[62]，這些問題都需要研究來進一步揭示。

改進與拓展現(xiàn)有荒漠生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)模型，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)模型，強化遙感技術(shù)在草地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究中的應(yīng)用，以快速診斷與準(zhǔn)確評估我國荒漠生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯的時空分布格局。干旱荒漠區(qū)土壤碳“源/匯效應(yīng)”及其驅(qū)動機制是當(dāng)前土壤碳循環(huán)研究領(lǐng)域也是荒漠化防治領(lǐng)域的一個熱點問題，目前對荒漠土壤碳庫的研究主要集中于土壤有機碳的分布及其影響因素方面，而荒漠區(qū)土壤無機碳在最近幾年才引起較為廣泛的關(guān)注。因此，亟需加強對荒漠區(qū)土壤有機碳和無機碳動態(tài)及其驅(qū)動機制，特別是土壤無機碳固持及轉(zhuǎn)化機理方面的研究，充分認(rèn)識荒漠區(qū)土壤碳的“源匯”特征和機理。

開展上述研究，不僅對于荒漠生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性研究具有重要的實際應(yīng)用價值，而且對于豐富全球碳循環(huán)過程的研究內(nèi)容，豐富土壤學(xué)基礎(chǔ)理論，促進區(qū)域水土資源的高效利用同樣具有借鑒作用。

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