河西绿洲农田生态系统土壤碳汇时空演变研究

摘要

随着全球温室效应的加剧，为探索降低大气温室气体浓度的对策，陆地生态系统碳循环及碳收支研究成为当前全球变化研究的热点问题。农田生态系统是重要的温室气体源和汇，一方面通过作物光合作用和人为途径吸收大量的碳；另一方面通过作物和土壤的呼吸作用以及各种途径的人工投入过程间接释放碳。另外，原始土地转化为耕地的过程也使土壤丧失了大量的有机碳。随着耕作强度的增加，农业领域面临着越来越多的碳释放。因此，如何采取措施实现农田土壤固碳增汇成为目前亟待解决的问题之一。 本文结合碳源/汇模型，通过1949～2005年的统计资料，对河西4市县绿洲农田生态系统土壤固碳现状潜力、主要农作物的碳吸收、不同土地利用方式下的土壤碳汇以及农田生态系统碳汇功能的经济效益等方面进行分析，初步了解了大尺度上河西绿洲农田生态系统碳汇的特征及河西绿洲农田生态系统在减缓全球变暖中的贡献，提出了河西绿洲农田生态系统碳增汇/减排的战略措施。通过研究，得出以下几点结论： （1）河西绿洲农田生态系统土壤固碳潜力估算研究的结论是：通过对河西4市县绿洲农田生态系统土壤碳现状和固碳潜力的分析表明，①河西4市县绿洲农田土壤固碳现状和单位面积的平均固碳速率在不同耕作水平下是不同的。在施用化肥、有机肥、秸秆还田和少免耕等不同耕作条件下，土壤固碳现状和单位面积的平均固碳速率分别为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7.86Tg·a-1和284.27kg·hm-2·a-1。相对而言，少免耕的耕作措施更适用于河西4市县。②在土地利用方式、耕作措施、施肥水平和气候条件不变的情况下，经过多年的农田管理措施后，土壤有机碳密度都将达到一个新的稳定状态。根据模拟计算，河西全区的土壤有机碳密度由1989年的10.33kg·m-2达到新稳定状态后的12.31kg·m-2。③河西土壤碳储量由1989年的620Tg达到新稳定状态时的740Tg，固碳潜力为120Tg。④从土壤有机碳密度及其储量上看，随着时间的推移，地区间碳密度和储量发生的变化不是很大。第二次土壤普查期间，河西土壤高碳密度区主要分布在张掖市，其次为永昌县、武威市和酒泉市；在2005年时，仍然是张掖市的碳密度最高，其次为永昌县、酒泉市和武威市。 （2）河西绿洲农田生态系统土壤碳汇估算研究结论是：通过对河西4市县绿洲农田生态系统主要农作物的碳吸收的估算、不同农作物生态系统碳源汇变化以及农田管理土壤碳汇估算分析表明，①河西绿洲农田生态系统主要农作物碳吸收的贡献者是粮食作物和蔬菜，但是在具体的碳吸收上存在较大差异，这与农作物本身的特性和种植面积有关。②在作物——土壤系统CO2源汇关系的日变化中，CO2源汇关系存在不确定性，小麦生态系统是一个中等水平的碳汇；棉花生态系统是一个弱碳汇；玉米生态系统是一个强碳汇；在年变化中，小麦生态系统除8～9月份是弱碳源外，其余月份均属于碳汇，棉花生态系统在6～9月份为碳汇，其余月份为碳源，玉米生态系统6～9月份为碳汇，其余月份为碳源。③1949～2005年河西绿洲农田生态系统碳吸收呈阶段性增长趋势，碳吸收总量从1949年的24.39万t增加到2005年的298.37万t，净增273.98万t，增长了12.23倍。碳吸收的发展趋势基本呈现出三个发展阶段即：波动式增长阶段（1960年以前）、恢复性增长阶段（1960～2000年）和快速增长阶段（2000年以后）。④河西4市县绿洲农田生态系统的碳汇效应中，有机无机配施的作用较为明显，可使SOC增长0.81tCha-1·a-1，其次为免耕，SOC增长0.62tCha-1·a-1。秸秆还田和施有机肥的效果相当，SOC的年增加量分别为0.57和0.38tCha-1·a-1。施单一氮、磷、钾肥几乎不能使SOC增加，甚至起负作用。配合施用氮、磷、钾肥也只能弥补土壤有机质的矿化损失，不能明显提高其含量。 （3）不同土地利用方式对土壤碳汇的影响研究结论是：从土地利用及其变化的角度出发，对河西农田、草地和林地的土壤有机碳储量、生态系统碳汇功能等方面的影响进行分析表明，①灌木林、山杨林和青海云杉×祁连圆柏变成农田或草地后，土壤表层（0～50cm）的土壤有机碳含量下降；而在农田或草地中营造落叶松人工林后，土壤表层（0～40cm）的土壤有机碳含量将增加，在土壤剖面底层的有机碳含量受土地利用变化的影响较小。②灌木林、山杨林和青海云杉×祁连圆柏变成农田或草地后，土壤有机碳密度下降（35%和14%）；农田中营造落叶松人工林后，土壤有机碳密度将增加；在草地中营造落叶松人工林后，土壤有机碳密度未显著变化。另外，土地利用变化后，土壤有机碳密度的变化幅度比土壤有机碳含量的变化幅度小。③不同土地利用方式下土壤有机碳的积累不同。在0～45cm土层，草地的土壤有机碳均显著高于农田；在翻耕、少耕和免耕3种耕作方式下，土壤碳积累贡献的次序是：少耕>免耕>翻耕。④天然次生林生态系统通过土地利用变化变成农田或草地后，土壤碳贮量汇功能强度降低，稳定性和非稳定性汇减弱，保护和非保护性、活性碳汇的强度也都将减弱。而农田或草地生态系统通过造林变成人工林生态系统后，土壤碳贮量这些汇功能强度都将增加。⑤在植被生产力碳积累方面，天然次生林和人工林生态系统都具有较强的汇，而农田和草地生态系统则相对较弱。在土壤有机碳贮量变化方面，天然次生林生态系统是强汇，而农田和草地生态系统为源，人工林生态系统为弱汇。 （4）河西绿洲农田生态系统土壤碳汇功能评价结论是：通过数学模型，对河西绿洲农田生态系统土壤碳汇功能的经济效益进行分析表明，①1949～2005年间，河西绿洲农田生态系统碳汇功能的经济效益变化趋势呈阶段性增长趋势，碳汇功能的经济效益从1949年的0.63亿元增加到2005年的7.76亿元，净增7.13亿元，增长了11.32倍。②河西绿洲农田生态系统碳汇功能的经济效益的发展趋势基本呈现出波动式增长（1960年以前）、恢复性增长（1960～2000年）和快速增长三个发展阶段。 （5）通过以上分析，得出河西绿洲农田生态系统碳增汇/减排的战略措施：①调整耕作制度：免耕法是一种对土壤扰动最小的耕作方式，能非常有效的提高农田土壤有机碳。②改善施肥方式：长期施用有机肥能显著提高土壤活性有机碳的含量，有机无机配施，可提高作物产量，而使用化学肥料能增加土壤有机碳的稳定性。③秸秆还田：秸秆还田是减少农田碳排放、增加土壤有机质含量的重要途径，还可以将秸秆过腹还田，不仅能增加土壤有机质含量，而且还能发展养殖业，增加经济效益。④其他措施：如改良作物品种，有计划地抓紧培育具有对高温、干旱等极端气候及病虫害有抗性的品种，确保在新的生态环境中农牧产量不断提高，扩大碳的吸收存储。另外，也可以采取措施改变地表径流、改良土壤，扩大人工草地等来间接增加农田的碳汇功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章碳汇的国内外研究进展

1.1国内外研究进展

1.1.1国外碳汇理论研究

1.1.2国内碳汇理论研究

1.2研究成果

1.2.1碳失汇与陆地生态系统碳循环研究

1.2.2农田生态系碳循环研究

1.2.3土壤有机碳研究

1.3农田生态系统及其碳循环的主要特征研究

1.3.1碳源／汇与碳固存

1.3.2农田生态系统及其碳源／汇特征研究

1.3.3农田生态系统土壤固碳机制研究

1.3.4农田生态系统的固碳增汇措施

1.4当前国内外研究中的不足之处

1.5本研究的目的及重要性

第二章研究区概况、研究内容和研究方法

2.1研究区概况

2.2研究内容、方法及技术路线

第三章河西绿洲农田生态系统土壤固碳潜力估算研究

3.1河西绿洲农田生态系统土壤的固碳潜力估算的原理

3.2河西绿洲农田生态系统土壤的固碳现状

3.2.1土壤固碳速率的计算方法

3.2.2河西绿洲农田生态系统土壤的固碳量现状的估算

3.3河西绿洲农田生态系统土壤固碳潜力分析

3.3.1农田土壤碳库的固碳潜力

3.3.2农田土壤碳库新的稳定状态

3.3.3河西绿洲农田生态系统土壤固碳潜力

3.4河西绿洲土壤碳库的分布格局

3.4.1河西土壤有机碳密度

3.4.2河西土壤有机碳时空分布

3.5本章小结

第四章河西绿洲农田生态系统土壤碳汇估算研究

4.1农田生态系统CO2汇的理论模型

4.2河西绿洲生态系统碳吸收估算

4.2.1河西绿洲区主要农作物碳吸收估算分析

4.2.2作物生态系统CO2源／汇关系分析

4.2.3河西绿洲农田生态系统碳吸收时空变化分析

4.3河西绿洲农田管理土壤碳汇估算

4.3.1河西绿洲农田管理情景构建

4.3.2农田管理土壤碳汇估算方法

4.3.3河西绿洲农田管理土壤碳汇估算分析

4.4本章小结

第五章不同土地利用方式对土壤碳汇的影响研究

5.1土地利用变化对土壤有机碳储量的影响

5.1.1土地利用变化对土壤有机碳含量的影响

5.1.2土地利用变化对土壤有机碳密度的影响

5.2不同土地利用方式下土壤有机碳的积累特征

5.2.1不同土地利用方式下土壤有机碳含量的比较

5.2.2不同耕作方式下土壤中的碳储量

5.3土地利用变化对生态系统碳汇功能影响

5.3.1不同土地利用方式的碳源／汇

5.3.2土地利用变化的生态系统碳源／汇转化

5.4小结

第六章河西绿洲农田生态系统土壤碳汇功能评价

6.1农田生态系统碳汇服务功能的经济学特征

6.2农田生态系统碳汇功能的理论估算

6.2.1农田生态系统的碳汇功能

6.2.2农田生态系统碳汇功能的经济效益估算

6.3河西绿洲农田生态系统碳汇功能的经济效益估算

6.4本章小结

第七章 河西绿洲农田生态系统碳增汇／减排技术及潜力研究

7.1影响河西绿洲农田生态系统碳增汇／减排的因素分析

7.2河西绿洲农田生态系统碳增汇／减排技术与潜力分析

7.3农田生态系统碳增汇／减排技术选择的准则和效益评价

7.4当前农田生态系统碳增汇／减排方面存在的主要问题和发展趋势

7.5河西绿洲农田生态系统碳增汇／减排技术的战略措施

7.6本章小结

第八章结果与讨论

8.1结论

8.2讨论

参考文献

作者简介

致谢