新疆土地利用变化与土壤固碳潜力研究

王红岩

摘要 土地利用变化是影响陆地碳源和碳汇变化的主要因素之一。该研究根据国内外文献资料，探讨分析新疆农业土地利用管理对土壤碳汇功能及其土壤固碳减排潜力的影响。结果表明，通过新疆地区宜农后备土地的开发，增加新疆农田面积并控制土地荒漠化可以有效地缓解我国土壤有机碳损失；加强灌溉、施肥和翻耕等农田管理措施，对土壤-大气CO2交换产生重要影响；新疆地区土壤对大气CH4吸收和N2O排放也不容忽视；后两者需要进一步深入研究证实。

关键词 干旱区；农田土壤；土壤固碳；管理措施；温室气体

中图分类号 S28 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）20-06816-02

人类活动加剧气候变化进程[1]，其中土地利用变化就是人类活动影响气候变化的重要因素之一，同时气候变化又对人类赖以生存的水、生态环境以及农业持续性发展、人类健康等产生很大的负面影响，其中农业生态系统方面表现出对土壤碳和氮循环的影响上[2]。土壤作为一种碳源或碳汇，影响着大气中CO2浓度[3]，土地利用发生变化后将严重影响陆地碳源和碳汇变化，全球干旱（荒漠）区占陆地总面积的47.2%，而荒漠生态系统开垦为农田后可增加土壤有机碳含量，可见其土壤碳库及变化在区域/全球碳循环过程中占有重要地位。新疆自治区耕地面积仅占中国的3%，但其土壤有机碳的累积量却不容忽视，若新疆地区未来20年内将18%的宜农后备土地开垦为农田，土壤有机碳储量将增加约0.65×1015，为过去20年全国土壤有机碳净损失量的22%；而且新疆地区土壤对CH4吸收和N2O排放也不容忽视，如2005年全区农田N2O直接排放总量可达5.34×109 g N2ON，其增温潜势在可抵消过去20年农田土壤有机碳的平均年累积量；因此增加新疆农田面积并控制土地荒漠化将有效缓解我国土壤有机碳的损失。相关研究显示，干旱区土壤无机碳库较重要，土地利用变化对干旱区土壤碳库影响的研究多集中于有机碳，其损失主要由土地（草地）荒漠化引起，而且灌溉、施肥和翻耕等农田管理措施对土壤-大气CO2交换产生重要影响，但其净效果需要进一步研究证实，新疆地区土壤的温室气体源/汇功能及土地利用变化引起的源/汇功能变化亟需深入的实验研究。

1 干旱区土壤碳库研究进展

陆地生态系统（植物和土壤）是主要碳库之一，其碳储量是大气碳储量的4倍，其中约30%～90%储存于土壤[4]，土地利用变化是造成土壤碳库变化的主要驱动因子之一，而土壤碳库的变化将对生态系统碳储量产生重大影响，改变其碳源/汇功能。干旱（荒漠）区（年降水量：潜在蒸发量<0.65）大约占全球陆地面积的47.2%，所以干旱区土壤碳库及其变化在区域/全球碳循环中占有重要地位。温带和热带地区，自然生态系统（森林、草地和湿地）开垦为农田后，導致土壤有机碳含量下降并以CO2形式释放，可见退耕还林还草是增加土壤有机碳含量的有效途径；相反，在自然环境恶劣的干旱区，气候变化使得干旱区洪涝和干旱灾害频繁发生，造成自然生态系统退化加剧，使得荒漠生态系统初级生产力和土壤有机碳含量较低，这种土壤有机碳的损失主要由土地荒漠化引起，荒漠土地经人为开垦管理后，农田生态系统初级生产力提高，农田作物能够固定更多的大气CO2，而且农田土壤有机碳含量也较荒漠土壤高[5]，而且开展免耕、秸秆还田、施用有机肥和轮作等合理的管理措施有利于进一步提高农田土壤有机碳含量。

由于干旱区土壤有机碳含量较低，无机碳（碳酸盐）的含量显得十分重要[6]，通常情况下，荒漠化越严重的地区，土壤碳酸盐含量越高，从侧面反映出荒漠生态系统被开垦为农田后将造成土壤无机碳的损失，另一方面过磷酸钙（普钙和重钙）是干旱区农田主要磷肥之一[7]，其引入的Ca2+有利于碳酸钙的形成，大多数农田因灌溉致使表层土壤盐碱化，较高的土壤酸碱度（pH）则有利于碳酸钙沉积。当前还尚未有针对干旱区荒漠生态系统开垦为农田后土壤无机碳净固定/损失方面的文献报导，但可以肯定的是，氮、磷、钾等复合肥逐步替代过磷酸钙，使得干旱区农田土壤无机碳碳汇功能随着土壤Ca2+浓度降低而减弱。

2 新疆土地利用变化与土壤固碳潜力

2.1 新疆土地利用变化与土壤有机碳库

新疆维吾尔自治区地处我国西部内陆，地形复杂，气候多样，属典型的干旱半干旱地区，沙漠、戈壁、荒漠、高山占全疆面积的2/3以上，全区总面积4%的绿洲上集中了95%的人口。随着人口增加和经济发展，自20世纪50年代以来，新疆农业经历了大规模的开发，2012年耕地面积达到512.33万hm2，较1950年增加了3.5倍；但新疆仍属我国土地荒漠化最严重的地区之一，荒漠化面积占全区面积的80%左右，大约有44%的耕地受到荒漠化威胁[8]。目前，受人为和自然因素影响，新疆地区大规模的土地利用变化对土壤碳库造成了强烈扰动，甚至会对全球碳循环过程产生重大影响。尽管新疆全区耕地仅占全国耕地总面积的3%，但过去20年间新疆地区农田土壤有机碳累积增加量却达全国总量的7%，土地（草地）荒漠化造成的土壤有机碳损失则占全国总量的17%，全区土壤有机碳净损失占全国总量的19%（未计入土壤无机碳的固定/损失），因此，增加新疆农田面积并控制土地荒漠化将在一定程度上有效缓解我国土壤有机碳损失。

新疆地区宜农后备土地面积达880万hm2[9]，是现有耕地面积的2.2倍。随着宜农后备土地的逐步开发，新疆农田土壤的碳源/汇功能将成为我国CO2减排增汇研究的重要内容，假如宜农后备土地以每年8万hm2的速度开垦，农田土壤1 m深度内有机碳密度为0.55×108 g/hm2，荒漠土壤1 m深度内有机碳含量为0.20×108 g/hm2，农田土壤有机碳含量随开垦年限的年增长率为0.53 g/kg，农田土壤1 m深度内土壤容重平均为1.26 g/cm3，那么20年后，将有1.6×106 hm2（约占总数的18%）宜农后备土地开垦为农田，全区农田面积可增加40%，农田土壤有机碳储量将增加0.65×1015 g，较2005年农田土壤有机碳储量增加2.2倍，相当于过去20年全国土壤有机碳净损失的22%。按照这样的速度，我国因土地荒漠化造成的土壤有机碳损失可在未来20年通过新疆地区少量宜农后备土地的开垦至少恢复1/5，在今后更长的时间尺度上，或加快宜农后备土地的开发速度，或采取合理的管理措施，来提高农田土壤有机碳的累积速率，更多的大气CO2将被以有机碳的形式固定在农田土壤中。

2.2 农田管理与土壤CO2排放

土壤-大气CO2交换主要由植物根系呼吸强度和微生物对有机质分解速率决定的。在自然条件下，土壤水分含量是干旱区生态系统植物生长和土壤微生物活性的首要限制因子，土壤CO2排放与降水量呈正相关，与温度呈负相关，而降水量和温度则控制土壤湿度的变化；此外，绿色植物光合作用对大氣CO2也具有一定的的固定作用，Meyers的研究结果表明，农田生态系统在湿润年由于绿色植物光合作用强而固定大气CO2，反之，干旱年则由于光合作用减弱而释放CO2；而且灌溉、施肥和翻耕等人为管理措施会在一定程度上减弱环境因子的胁迫作用，造成CO2排放可能与自然生态系统存在差异。

灌溉是新疆农田水分管理措施之一，全区耕地有效灌溉面积超过80%，灌溉为农田作物生长提供必需的水分条件，使地下根系呼吸加强，保证较高的初级生产力，并使作物固定更多的CO2，同时有效提高土壤微生物活性，加快土壤有机质分解，促进土壤碳的释放。相关资料表明，灌溉可引起土壤CO2爆发式排放，强度为背景排放的10倍，持续时间约为42 h，相对较短，其中沟灌、喷灌和滴灌等节水灌溉措施较漫灌更有利于土壤有机碳的保持。灌溉可对土壤无机碳造成一定影响，灌溉用水通常含有大量溶解态CO2，灌溉可致碱性土壤中CO2浓度突然升高，造成碳酸钙的沉积，而且灌溉水也是农田土壤中Ca2+、Mg2+的主要来源，为碳酸盐的形成创造条件；灌溉致使农作物根系呼吸和微生物活性加强，土壤空气中CO2浓度升高，这些CO2即可参与碳酸盐的形成过程，而不必吸收大气中CO2，当然灌溉对土壤碳库的影响还有待进一步的研究分析。

化肥和有机肥是保证农田高产稳产的有效措施，长期施用有机肥或有机肥与化肥混合施用，能够有效提高土壤有机碳含量，但同时其土壤CO2排放量也有所增加，输入的有机碳中约有24%～36%以CO2形式释放。目前，新疆农田以单纯施用化肥为主，有机肥施用和秸杆还田量较少或没有，不利于土壤有机碳固定。

翻耕可避免表层土壤结块，有利于种子发芽和出苗，同时具有除草、保水和匀地等效果，是新疆农田特别是盐碱化土地的重要管理措施之一。大量研究结果表明，翻耕将促进土壤有机碳的分解，翻耕后土壤有机碳含量较免耕土壤可减少25%～33%；翻耕造成表层土壤空气中CO2的快速释放，持续时间不超过24 h；暴露在空气中的土壤易受到风蚀、水蚀而造成碳损失；因此，实施浅耕、翻耕后覆盖秸杆等保护性耕作可减少土壤碳的损失。

2.3 CH4吸收和N2O排放

除CO2之外，与土壤密切相关的还包括CH4和N2O。CH4在厌氧条件下由产CH4细菌产生，干旱区土壤通常不具备产生CH4的条件，而表现为对大气CH4的较强吸收。新疆面积广大，土壤对CH4的吸收总量不容忽视，其中新疆约有占全疆耕地面积的2%水田，全疆各地还分布着少量的河流湖泊，其流域沿岸形成滩涂湿地，各地洪涝灾害也可能形成季节性水洼，这些人工和自然湿地均成为CH4可能的源头。N2O主要由土壤微生物硝化反硝化过程产生，是由土壤速效氮（NH4+和NO3-）浓度、土壤湿度、温度和pH等决定的。N是干旱区生态系统植物生长和土壤微生物活性的主要限制因子之一，干旱区自然生态系统土壤N2O排放量通常较低，在年尺度上表现为弱源，但新疆面积大，其源总量不可忽略。施肥、灌溉等农田管理措施都极大的促进N2O排放，2005年全疆氮素化肥使用量为0.534×1012 g N，若按IPCC推荐的农田N2O直接排放因子1%计算，全疆农田N2O排放量为5.34×109 g N2ON，在20年尺度上相当于1.5×1012 g CO2C，与过去20年农田土壤有机碳累积量的年平均值相当[2]。

3 结论

新疆干旱区生态系统因分布面积广泛而在区域/全球碳循环过程中占有重要地位，其土壤无机碳库较有机碳库更为重要，但目前对土地利用变化引起土壤无机碳库的变化尚缺乏深入认识。新疆虽然耕地面积小，但其土壤有机碳的累积量却不可忽略，今后可通过新疆地区宜农后备土地的开发，增加新疆农田面积并控制土地荒漠化，有效地缓解我国土壤有机碳损失；另外，加强灌溉、施肥和翻耕等农田管理措施，对土壤-大气CO2交换产生重要影响，这种固碳净效果尚需要进一步研究证实；除CO2排放之外，新疆地区土壤对大气CH4吸收和N2O排放也不容忽视，对于新疆地区土壤的温室气体源/汇功能及土地利用变化引起的源/汇功能变化亟需进行深入实验研究。

参考文献

[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.