全球变化背景下农田生态系统碳循环研究

2013年1月农机化研究第1期

全球变化背景下农田生态系统碳循环研究

张

赛

a，b

b

，王龙昌a，

（西南大学a．农学与生物科技学院；b．南方山地农业教育部工程研究中心，重庆

摘

400716）

要：综述了农田生态系统碳循环的循环机制、影响因素以及模型模拟研究3个方面，并对未来农田生态系统

碳循环研究趋势进行了展望，以期增强农田生态系统的固碳减排功能，为研究全球气候变化提供科学的依据。关键词：农田；生态系统；碳循环；全球变化中图分类号：X322

文献标识码：A

文章编号：1003－188X（2013）01－0004－06

0引言

全球变化是指由于人类活动排放温室气体而产生

划（IGBP）、国际人文因素计划（IHDP）、世界气候研究计划（WCRP）和生物多样性计划（DIVERSITES）为核其中有关碳循环的生物地球化学心的全球变化研究，研究是主要方向之一

［3］

降水量增加、海平面上温室效应导致全球气候变化、

升，并由此产生的一系列生态和环境变化的总称

［1］

。农田生态系统碳储量是关

。系到生产力和环境的重要因素，土壤有机质代表土壤肥力的大小，越肥沃的土壤有机质含量越高。农田生态系统研究尺度由小到大分别是：植株、根际、农田、农场、区域、全球，不同尺度的碳储量和固碳潜力可以间接评价一个区域的农业产量和环境质量。国内外一直围绕农田生态系统的可持续性，研究农田生态系碳迁移过程和通量、收支以及影响因统碳循环机制、素

［4］

温室效应是一个自然过程，如果没有它，地球表面的温度将不是现在的15℃，而是－18℃。现在的问题是大气中温室气体增加了，温室效应加强了，因而导致近1万年来，气温全球气候变暖。据气象学家考证，

的变化尚未超过2℃，但是在最近200年内，大气中二氧化碳含量增加了40%，全球平均气温增加了1．5℃，特别是近十几年来，大气中二氧化碳含量急剧上升。科学家们预言，人类如不采取果断和必要的措施，到2030－2050年，大气中二氧化碳含量将比1850年增全球平均气温有可能比现在升高1．5～4．加1倍，

5℃，变暖速度是过去100年的5～10倍。与此同时，

［2］

海平面将上升30～50cm。在全球气候变暖的背景

。近年来，人们开始关注全球变化对农田生态系

统碳循环的影响，特别是从环境角度探索农田增加碳汇的不同措施，如保护性耕作与传统耕作相比，有更多的碳截留。对农田生态系统的碳循环研究，应兼顾在保障产量的前提下粮食安全和环境保护双重目标，

最大限度地减少环境污染，创造和谐家园。

下，以低能耗、低污染为基础的“低碳经济”成为全球热点。低碳经济，是指通过技术创新、制度创新、产业新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石转型、

油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会可持续发展与生态环境保护的一种经济发展形态。低碳经济的技术涉及电力、交通、建筑、冶金、化工、石汽车、种植和养殖等多个产业部门。化、

在全球范围内正开展着以国际地圈生物圈计

收稿日期：2012－03－14

“十一五”基金项目：国家科技支撑项目（2006BAD29B08）；国家自然科学基金项目（30871474；31271673）；重庆市科技攻关项

2008AB1001）；重庆市自然科学基金项目（CSTC，目（CSTC，

2006BB1028）

作者简介：张赛（1987－），女，山西运城人，在读博士。

（E－通讯作者：王龙昌（1964－），男，陕西周至人，教授，博士生导师，

mail）wanglc2003@163．com。

1农田生态系统碳循环机制

碳是地球上生命有机体的关键成分，它以二氧化

碳、碳酸盐及有机化合物等多种形式在环境中不断循环，碳循环是生物圈健康发展的重要标志。了解各碳通过物理、化学和生库的碳循环过程及其动态变化，

物反馈机制来认识碳循环与气候变化、生态系统、人类活动的相互作用与影响过程，预测气候变化以及由此引起的后续响应等均是当前研究的热点。

物质循环和能量流动是生态系统最基本的功能，物质循环是一切生命活动的基础。在农田生态系统中，碳的循环流动路线是：农作物通过光合作用从大气中吸收二氧化碳并固定在作物体内，作物向土壤输入有机碳有两种方式：一是作物生长期间凋落物以及收获后的秸秆根茬部分；二是根系释放的有机物质。

2013年1月农机化研究

及遗体重新进入系统

［1］

第1期

。此外还包括物质投入和农

土壤中另外一部分碳来源于有机肥和化肥中的碳量。同时，作物和土壤的呼吸作用向大气转移碳量。碳素然后人畜粪便以沿着食物链向家禽家畜和人类流动，

业管理等活动折合的碳量。总体说来，包括碳的固贮存和释放，如图1所示

。定、

图1Fig．1

农田生态系统碳循环过程示意图

Diagramofcarboncycleinfarmlandecosystem

全球碳库包括大气碳库、海洋碳库、陆地碳库和其中陆地碳库与我们的生活息息相岩石圈中的碳，

关，也是受人类活动影响最大的。而农田生态系统又是陆地生态系统的重要组成部分，占全球陆地面积的10．5%，其中的二氧化碳排放量占人为温室气体排放农田生态量的21%～25%。在整个陆地生态系统中，系统是最活跃的碳库，可以在最短时间内通过人为因素得以调节。全球碳库中土壤碳库是植物碳库的3倍、大气碳库的2倍

［5］

改变土壤微生物的群落结构，破坏以真菌为主的土壤生态系统，微生物活性和数量受到影响，直接降低土壤有机质的分解和矿化速率

［7］

。

农田生态系统是受人类活动影响最大的农业生态在研究碳循环的过程中必然要考虑人为因素。系统，

目前，人们对于碳循环的研究主要集中在森林、草原等生态系统，对于农田生态系统研究，更多集中在土韩冰等人壤有机碳含量变化以及影响因素上。例如，通过整理全国典型实验站数据资料发现，提高化肥施用量、秸秆还田量、有机肥施用量和推广免耕，可以使42．23，我国农田土壤的固碳量分别提高到94．91，

［8］

41.38，3．58Tg/a，合计为182．1Tg/a。李忠佩等重

，土壤碳库也是最活跃的部分，

这也是人们更多关注土壤有机碳研究的原因之一，庞大的土壤碳库的微小变化就会引起严重的全球碳循环。南京土壤研究所谢祖彬研究员课题组近期发表在2010年《ScienceChina》上的研究论文显示，土壤碳增加约90g，相当于减少大气二氧化碳0．33kg。土壤固碳的实质是不同团聚体特别是微团聚体中有机质不同组分特别是HS（腐殖质）的综合行为。所以，应尽快开展以团聚体－HS为重点的SOM（土壤有机质）物理—化学保护机制及相互关系研究

［6］

点研究了红壤水稻土有机碳的平衡值与固碳潜力，通发现有相当面积的水稻土有机碳含量低于平过计算，

衡水平，认为通过采取有效措施保持和提高农田土壤扩大其固碳能力，可以有效控制的有机物质归还量，全球气候变暖

［9］

。韩广轩等人通过田间实验，建立土

。保护性耕壤呼吸速率与玉米根系生物量的回归方程估算了玉发现在玉米生长初米农田生态系统的碳收支情况，

期，农田生态系统表现为碳的弱源，玉米播种后36天一直到收获，则都表现为碳汇

［10］

作措施能够增加土壤碳储存，是促进土壤固碳的关键措施，主要源于以下几个机制：一是耕作不断将下层土壤翻到表层，改变了原有土壤的物理条件（温度、水分和透气性等），并使其经受持续的干湿循环和冻融从而提高了SOC（土壤有机碳）的分解速率；二交替，

是耕作扰动降低了土壤的团聚作用，提高了团聚体的周转速率，从而降低SOC的物理保护作用；三是耕作

。不同耕作方式对土

［11］

壤有机碳的影响体现在少、免耕以及秸秆还田等保护性耕作措施有利于土壤有机碳的累积

，土壤有机碳

对不同肥水管理的响应是在双季稻种植下有机无机肥配施比纯化肥配方施肥增产30%，碳汇增加50%，

2013年1月

此外水田耕作比旱作有更高的碳汇效应

［12］

农机化研究。

第1期

素由刚开始的气态形式首先被固定在农作物中，假设农产品没有离开农田，他们终究要被微生物分解，贮存在植株中的碳素会进入土壤。如果农产品离开了农田，被人类或者家禽、家畜消化后又以粪便、遗体的形式返回土壤。从长远意义上看，影响农田生态系统碳贮存量的因素归结为农田土壤固碳量。

农田土壤固碳能力是随着外源碳输入的增加呈饱和趋势增长，达到饱和水平的土壤有机碳含量即为农田土壤固碳潜力，表现为在当地环境条件下所能具有的最大稳定碳库存能力。目前，估算土壤固碳潜力的方法主要有基于长期定位实验的外推估算法和基于情景假设的模型模拟法

［16］

2

2．1

农田生态系统碳循环影响因素

碳的固定

碳的来源是大气中的二氧化碳，在一定时间段内

大气中二氧化碳的浓度是一定的，所以要想更多的固定碳量，就要从农作物入手，只要有利于增强光合作都能实现目标。不同作物的固碳能力不用的措施，

种植结构以及气候条件的变化均会导致农作物碳同，

蓄积量的变化。

目前，估算农作物碳蓄积量的方法主要有以下3种：一是用农作物经济产量估算生物产量，再利用光计算出吸收二氧化碳的总量，转换为合作用方程式，

碳的生产量，或利用生物量乘以碳转换系数。不同农作物的经济系数和碳吸收率如表1所示。二是利用农作物生物量、实测值或已有研究农作物含碳率、根冠比、含水率的乘积计算。三是实验测得地下生物量与估算地上生物量之和，乘以含碳率。国内外专家对农作物碳蓄积量的计算公式为

Yigr（1－Wi）

C=×Ki（1+Yrec）

Hi

Yigr为经济产量，Wi为含水率，Hi为农作物的其中，

Ki为农作物的碳吸收率，Yrec为农作物地下经济系数，

Ci为农作物碳部分含碳量与地上部分含碳量的比值，蓄积量

［13－14］

。土壤有机碳固定机制有

粘粒化学保护机制、团聚体物理保护机制和生物学机制3种解释。由于土壤有机质高度异质性、动态性以及影响因素的多变，对有机碳的固定保护机理仍不清楚，今后研究需结合3种机制综合开展，全面分析2．3

碳的释放

在农田生态系统中，碳的释放主要包括植株呼吸作用和土壤呼吸作用。植株的呼吸作用和光合作用的净值表现为生物量，如果用生物量法计量，那么碳的释放重点测定就在于土壤呼吸。根据王永强等的研究

［18］

［17］

。

，土壤呼吸的影响因素很多，它们相互作用、相

互影响，有大气因素（温度、湿度、压强、大气二氧化碳土壤自身因素（温度、湿度、孔隙度、微生物活浓度）、

性、有机碳储量）和其他因素（植被类型、土壤覆盖度、灌溉、施肥、耕作）。其中，土壤温度和含水量是最主要的因素。描述温度与土壤呼吸之间关系最常见的模型是指数模型，用Q10表示，即温度每增加10℃，呼吸量增加的倍数。水分和土壤呼吸的关系难以定量。翻耕导致土质疏松，加快土壤二氧化碳排放，同时增加机械和燃油的二氧化碳排放。试验研究表明，免耕比常规耕作在80h内累计的二氧化碳通量低3倍。施肥与土壤呼吸的研究较少，从理论上讲，施肥促进作物生长，有更多的凋落物进入土壤，施肥激活土壤微生物的活性，促进根系发育，增加根系和微生物呼吸，即增加土壤呼吸。一般认为，施用有机肥比化肥更为明显2．4

［19］

。

［15］

表1Table1

中国主要农作物经济系数Hi与碳吸收率Ki

Economiccoefficient（Hi）andCabsorptionrate（Ki）of

majoragriculturalcropsinChina

作物名称水稻小麦玉米大豆烟草棉花油菜薯类高粱谷子花生甜菜

Hi0．450．400．400．340．550．100．250．700．350．400．430．70

Ki0．41440．48530．47090．45000．45000．45000．45000．42260．45000．45000．45000．4072

。

人类活动

农田生态系统中人类活动的干扰是最严重的。农

田生态系统是复杂的自然—社会—经济复合系统，为了满足人类物质的需求，受到大量的化肥、农药以及机械作业影响，远远超过系统自身的吸收能力，带来了更多的环境问题甚至经济政治问题。在农田生态系统中，人类活动对碳循环的影响不仅表现在“硬

2．2碳的贮存

在农田生态系统中，碳最终的贮存地是土壤。碳

：化肥、：件”农药、机械投入使用方面，还包括“软件”人类的思想、国家相关政策、国际金融形势和政治格局等。

陈述悦等人利用静态箱/气相色谱（GC）法测定了华北平原麦田土壤呼吸特性，从小麦返青到蜡熟阶

2段，平均净光合速率为307．92mg/cm·h，平均土壤2

得出该麦田系统为碳呼吸速率为97．08mg/cm·h，

种分析多是基于森林生态系统，站在全球生态系统大尺度的角度，在农田生态系统中，由于它属于半人工光合器官碳库和植物支持器官碳半自然的生态系统，

库综合体现在生物量方面，凋落物碳库则表现在秸秆还田的量上。这两者是很方便测量的。但是土壤有机碳库则是一个复杂的系统，为了描述农田生态系统科学家们自20世纪80年中有机碳循环的复杂过程，

代开始致力于发展各种生态系统的循环计算机模拟模型，到目前位置，已有十几个模型发表，以描述土壤有机质活动为核心的较为成熟的有：CENTURY，DNDC，NCSO－IL，RothC等［23］。1995年在英国洛桑农业实验站举办的“应用长期观测数据评价土壤有机质模型”国际研讨会，利用全球不同地点12组土壤碳变化长期观测数据集，对9个模型进行了验证，其中模拟精度较高的模型有RothC（ColemanandJenkinson，1996），CENTURY（Partonetal．，1987），DAISY（Jensenetal．，1997），CANDY（Frankoetal．，1995），NCSOIL（Molinaetal．，1983）和DNDC（Lietal．，1992b）等［4］，DNDC模型最有特色其中以CENTURY、

［24］

汇

［20］

。这个结论没有考虑人类活动的影响。如果考

虑人类投入的化肥、农药、机械燃油、灌溉和人工等因

2

素，二氧化碳的释放远远不止97．08mg/cm·h，甚至

超过平均净光合速率，从而得出该系统为碳源的相反结论。因此，从整体的角度考虑，人类活动是不可忽略的一个影响因素。

综上所述，农田生态系统碳循环的研究可以简单地描述为对植物光合作用、土壤呼吸作用以及人类活动的研究。

3农田生态系统碳循环模型模拟研究

农田生态系统碳循环是一个非常复杂的过程，受

。

到农业气象因子、农作物制度、土壤生产力以及耕作栽培技术等多种因子的影响和制约，再加上人力、物力、财力和生长周期等因素的限制，仅仅依靠实验和观测数据无法获得全面的更有说服力的结论，利用模加快研究进型模拟可以不同程度地简化试验过程、

度、缩短研究周期。为了研究陆地碳循环与全球变化之间复杂的相互作用以及实现碳循环的定量模拟和预测，模型方法已经成为陆地碳循环研究中不可替代的手段

［21］

生物地球化学模型重点考虑植被通过光合作用从大气中固定碳后，碳在植被—土壤中的传输过程，包括自养呼吸、异养呼吸、光合同化产物在各植物器官间的分配、植物死亡、凋落、凋落物分解呼吸、土壤有并模拟土壤有效氮、土壤水分机物呼吸和氮矿化等，

［18］

和大气CO2浓度等对其的影响。DNDC模型便是

生物地球化学循环研究的一个具体结果之一。DNDC模型（DeNitrification－DeCompositionModel）是美国新罕布什尔州大学陆地海洋空间研究中心开发研制的，最初是为了模拟农田生态系统固碳、氮流失和水平衡而创建，目前该模型可以模拟草地、湿地、林地等陆地生态系统碳氮动态过程。DNDC模型已经在美洲、欧洲、澳洲以及亚洲的一些地区得到了验证和运用。Li等用DNDC模型模拟英国洛桑实验站冬小麦近地150年土壤有机碳的变化，模拟结果与长期实际测定值之间具有较强的一致性

［25］

，在一定程度上更加直观形象。农田生态系

统碳循环可以从两个方面考虑：一是碳的形态。无机碳—有机碳—无机碳。二是碳的贮存地点。大气碳库—植物碳库—土壤碳库—大气碳库。在全球变化背景下，生物地球化学循环模型在研究生态系统水平碳收支方面是最适当的选择，因为它对大气—植被—土壤间碳交换过程考虑较为全面。

目前，我国陆地生态系统碳循环模型研究主要以静态模型为主，估算净初级生产力和生物量，动态模型相对较少。总体来说，模型的基本结构趋于稳定。但是由于研究目的的不同，不同的模型往往以各种假设加以简化，从不同的角度进行模拟，各有侧重。毛留喜

［22］

。该模型可用来分

析陆地植物生长规律、土壤硝化和反硝化作用、温室气体和痕量气体排放预测研究、不同土壤类型以及气候条件对森林生态系统碳氮通量变化的影响以及气候变化对生物地球化学循环的影响预测等。国内在土壤碳模拟方面，仍以应用和发展国际上已有的模型为主，已有部分研究者从土壤有机碳氮动态和温室气体排放等方面对该模型进行了验证。童成立等（2001）发展了SCNC模型，模拟了亚热带红壤和黄土高原黑垆土土壤有机碳平衡对大气温度变化的响应。

等通过综合考察现有的陆地生态系统碳循环

模型的特点，总结出现有陆地碳循环模型的基本结构，包括植物光合器官碳库、植物支持器官碳库、凋落物碳库和土壤有机碳库。这4个结构均至少需要1个碳库来模拟近似，才能构成一个完整的循环。但是这

黄耀等建立了农田土壤有机碳动态模拟模型。韩冰等利用DNDC模型，计算了农田生态系统土壤碳库的饱和水平及固碳潜力

［26］

不断深入、现代科学技术的发展和多学科的综合分析，面对严峻的全球变化，人们越来越深刻地认识到致力于农田生态系统的固碳能力的责任义不容辞。农田生态系统碳循环研究是一个非常复杂的过程，积极探索其循环机制，摸清整个循环涉及的物理、化学、生物机理以及影响碳吸收、转移和支出的因素至关重要。首先从不同的空间尺度上分析各个区域不同种植模式的农田相应的固碳现状与潜力，再从不同时间尺度上研究影响各个农田生态系统固碳的气候、土壤、农作制度等综合因素，阐释他们还有多少潜力有待开发，变定性描述为定量测量。利用碳循环与养分循环机理的结合点，寻找耦合机制，从个案研究到利用模型模拟，从而实现减少温室气体排放和减缓农业非点源污染的目标。参考文献：

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。王立刚等利用实验站长期

［27］

定位实验的实际测定值验证DNDC模型，发现模拟结果与实测值之间表现出较强的一致性壤机质动态

［28］

。DNDC的

模拟结果基本再现了英国洛桑农业实验站农田的土

。

CENTURY模型是美国科罗拉多州立大学的Par-ton等在20世纪80年代末建立起来的，起初是用于模N，P，S等元素的长期演变，拟草地生态系统的C，后来加以改进扩展应用到森林、农业等生态系统中。在国内外各个研究者的模拟与验证中，该模型对土壤有机碳的演变模拟与实测值具有极高的相关性

［29］

。研究

表明，该模型用于农田和草地生态系统的效果优于森林生态系统，一般认为，该模型是对生态系统研究尤其是对土壤碳动态研究非常有用的工具

［30］

。

几乎所有的模型都在逐步集成植物生理、土壤有机质过程（包括分解、硝化、反硝化、发酵）、氮循环和水循环等过程，这是模型向综合发展的趋势。而且氮循环模拟将越来越被重视，作为碳循环研究的重要组成部分。周希琴从植物的生理生化角度概述了碳循环和氮循环之间的耦合关系

［31］

，王建安等人详细阐释

了草原生态系统碳氮循环的机制与耦合特征，并指出基于碳氮循环的密切关系以及他们在相互作用和相互影响的过程中的复杂变化，这种耦合特征以及对气候变化和人类活动响应需要我们继续进行深入大量的研究

［32］

。

生态系统碳循环过程以及各个碳库之间的碳通量和反馈机制是非常复杂的，土地利用模式和土地覆盖变化对陆地表层碳库和通量上的影响及其反馈是当前研究的难点和热点

［33］

，目前已开始在大陆以及全球

上模拟未来土地利用模式和土地覆盖变化对陆地生态系统碳动态变化影响。基于机理过程的微观循环模型，应用计算机模拟，结合3S技术，在不同时间空间尺度上估算预测农田生态系统碳动态是今后碳循环模型研究的趋势。

4展望

目前，极端天气日益频繁，各种灾害数不胜数，过

去几十年来我国农田已经损失了大量的有机质，化肥的大量使用和有机肥的减少，已经造成耕地的极度贫瘠。基于我国特殊的国情—人多地少，不能像西方国家那样单季种植或休耕，而是借鉴他们的成功经验，发展有中国特色的农田土壤固碳模式。随着研究的

2013年1月农机化研究

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ZhangSaia，，WangLongchanga，

（a．CollegeofAgronomyandBiotechnology；b．EngineeringResearchCenterofSouthUplandAgriculture，MinistryofEducation，SouthwestUniversity，Chongqing400716，China）

Abstract：Theresearchadvancesincirculationmechanism，influencingfactorsandmodelsimulationofcarboncyclinginfarmlandecosystemhavebeenreviewed，andthefutureresearchtrendsofcarboncyclinginfarmlandecosystemhavebeenprospected，withthepurposetoenhancethereductioncapabilitiesofcarbonemissioninagriculturalecosystemandtoprovidethescientificbasisforthestudyofclimatechanges．Keywords：farmland；ecosystem；carboncycle；globalchanges

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