土地利用變化對土壤有機碳儲存的影響——一個案例研究的實驗站在中國
摘要：森林在從大氣中而來的游離碳中發揮著重要作用。自從上個世紀80年代以來，植樹造林活動已在千葉洲林業實驗站的周邊地區貫徹執行。該實驗站位于中國江西省境內。耕地和嚴重侵蝕的荒地上種植水果和森林種植園。千煙洲林業試驗站的周圍地區作為一個研究站，研究站分析造林對碳固存影響的潛在性。本研究評估了在不同的土地利用類型下土壤有機碳的變化存儲。土壤有機碳貯量隨著土地利用類型的不同而變化巨大。從1984年到2002年，土壤有機碳儲量在八種土地利用類型中增加了2.45×106公斤。這項研究表明，造林土壤對碳固存影響的潛在性。然而，在景觀尺度下對土壤碳通量有一個完整的了解將取決于潛在及土壤有機碳的保存期。
1引言
土壤是陸地生態系統中最大的碳庫，土壤潛在的二氧化碳（CO 2）的排放量是大陸尺度碳平衡的一個重要組成部分（伯納克斯等人。2001；默蒂等人。2002）。人類活動對碳儲存和通量的影響已經超過了自然本身變異影響的速度和程度。在陸地生態系統下中對土地利用和土地覆蓋的準確估計對于估計區域和大陸的碳平衡已變得越來越重要。（gregorich等人。1996，
1998）。其中一個最大的也是最不確定的因素是人類活動的變化對土壤有機碳的儲存的影響。以往的研究集中于土壤中的土地利用變化情況（曼，1986；戴維森和阿克曼，1993；Lugo and Brown, 1993; 華盛頓, 1999; Post and Kwon, 2000;）例如，穆爾蒂等人綜述了土壤中碳和氮的儲存后，提出將森林轉化為農業用地。Lugo and Brown,提出土壤有機碳的改變是發生在有利于碳積累的土地利用變化之后的。在不同的植被類型下、環境條件下、不同的時間條件下，有機碳的積累率相差很大。為了開發大陸尺度的碳預算，我們需要知道什么發生在土壤碳庫的轉換后的土地利用和土地覆蓋類型。
土壤不僅是植物生產的基礎，也是陸地生態系統中固碳的主要容器和載體。（拉爾等人。1998，乙；Post and Kown，2000；馬蘭等人。，2001；奧爾森和卡¨爾，2002）。高含碳量的土壤有強吸水性并且可以提高土壤生產力，這種生產力對于植物生產和碳固定有重大作用。（奧爾森和卡¨爾，2002）。有機碳的積累已被建議作為最佳的選擇長期陸地生態系統碳封存。（農業部，1999；奧爾森和卡爾，2002），并且可以成為京都議定書的重要組成部分。（施萊辛格，1995；mccarl和公司，2001）。
由于土壤固碳可以緩解大氣中二氧化碳濃度的增加，同時改善土壤結構和土壤生產力。(La
let al., 1998a, b; McCarl and Schneider, 2001),我們應該更注重在不同時空尺度下土壤的固碳潛力。現在和過去使用土地的做法在確定全球陸地碳排放源和吸收匯的分布和規模上是至關重要的。（卡納戴樂，2002）。我們需要分析土地管理對土壤儲存現有的和潛在的影響。（舒曼等人。，2002）。人類活動對碳儲存的影響在中國不被很好的理解，應當選擇一個典型的造林項目去分析土地利用變化對中國碳封存的潛在作用。
2材料和方法
2.1網站描述
千煙洲林業試驗站位于中國南部的江西省泰和縣境內。(26?44_48__N, 115?04_13__E).。土地面積204.17公頃。地勢平緩起伏，平均坡度為10–30?。海拔大約在海平面上60米。土壤母質由紅色砂巖和泥巖構成，土壤主要為紅壤（吸土），水稻土（人為），潮土和草甸土。紅壤面積最大，大約有140.5公頃。年平均氣溫約18.6℃，?，最高和最低的極端溫度分別是39.5?和?5.8 ?C,年平均降水量為1361毫米。研究區域的景觀是一個典型的亞熱帶紅壤丘陵，占低山，梯田和河灘位置上的景觀。該地區位于中亞熱帶常綠闊葉林地帶，原始森林由于森林砍伐和土地利用轉換到農業生產等原因幾乎消失。土地覆蓋類型包括針葉樹
和闊葉林，果園，農田，矮樹和其他次生植被。
2.2土地利用變化歷史
1983年前的千煙洲是一個只有31人的小村莊，經濟滯后。圍繞千煙洲林業試驗站的周圍地區沒有太多的天然樹林。1983年一項保護紅壤資源的規劃被頒布實施，后來中科院（中科院）建立了千煙洲林業試驗站。不同的土地利用方式被設計并實施，旨在恢復土地資源同時避免增加水土流失。在1989年以前植樹造林負責主要的土地利用模式。1990年初，土地利用和土地覆蓋類型和地區仍然相對恒定。土地統計實驗區可用于下列年：1983，1990和1997（見表1）
在千煙洲林業試驗站有六種土地利用方式（表一）。表中顯示了在1983年到1997年的這段時間里，該地區耕地和荒地減少了，而果園、森林、草地和水田地的利用面積增加了。（表一）在所有的土地利用類型中，荒地的使用面積減少的最多，有160.84公頃之多。而森林、果園和水田地的使用面積有一個迅速的增加。在14年間草原略有增加，而在同時期內耕地面積緩慢下降了5.04公頃。在1997年，該地區的八個主要土地利用類型包括采樣的森林和林地131.09公頃，占總數的64.21%。該地區的其他土地利用類型的面積是非常小的，
分散在整個景觀區內。（圖一）這些土地的使用包括住宅用地，菜地，水田，旱地，種植園，和運輸等。
2.3土壤采樣和土壤的碳含量
從2002年的5月到6月對最新的土壤進行了取樣。為了檢測有機碳庫變化不破壞土壤結構或改變土壤有機碳含量，土壤進行采樣盡量靠近附近原有的采樣點。我們選擇了八個重要的森林和林地，在各土地利用類型中選擇了兩種土壤剖面。在各個層面上對土壤進行采樣，而體積密度通過使用切割環進行測量。對于每一個層面，在每個站點上水分含量由測定儀測定后達到他們可以處理的碳濃度前，土壤樣本必須要存放在一個布袋里。通過使用theWalkey–Black方法，各土層的碳濃度決定一個干群眾基礎。（黑色，1965）各土層的有機碳含量計算層面深度，密度，和二氧化碳濃度的產量，并總結為整個土壤剖面估計總有機碳含量的方法等（2001）。表三顯示了各土地利用類型下每一個采樣刨面的有機碳的濃度。
2.4數據來源
千煙洲林業試驗站是中國科學院生態系統研究網絡（歐洲粒子物理研究所）的一員。本研究院收集數據和有關生態系統、資源、環境的其他信息及經濟和社會條件下的歐洲核子研究中心的狀況。(ac) 我們從歐洲核子研究中心的數據庫獲得的所有歷史數據包括土壤條件和土地利用情況。().1984年關于每一種土地利用類型下的有機碳的密度和儲存起源于元朝。
3結果
表四顯示了有機碳密度和儲量計算各土地利用類型的變化。有機碳儲存量的改變表面土壤是大氣中二氧化碳的一個風向標。固碳率從自然再生林狀態下的0.28kg/m2變為了在1984到2002年間保護濕地松森林狀態下的4.34 kg/m2。所有土地利用的總有機碳的儲存量增加到了2.45×106公斤，這是18年后+86%有機碳的一個平均變化。（表四）有機碳儲量的最大增加是灌木地的+300%，而最小的增加是風景林的+ 5.6%。不同的土地利用類型在有機碳的吸收率上有相當大的變化。（表四）當考慮經營活動對土壤固碳的影響時，對歷史知識的了解就很重要了。在實驗區由于果園、土壤季節性耕作和施肥造成了有機碳的損失。農業土地的轉化及荒地轉化成森林和林地造成土壤固碳的最大增加。在超過18年的研究期
間我們發現濕地松林有最大的土壤固碳能力。將荒地轉化成林地和森林使許多碳轉匯到土壤中。然而，在這些土地利用類型中土壤碳的獲取變化很大。
4討論
根據我們的研究，過去18年中所有這8種土地利用類型中土壤表層的138厘米處的有機碳的儲存量增加了，平均量從15.8到241g m?2 y?1。（表四）其他一些研究報告了有機碳儲存改變的速率，在這些研究中，亞熱帶潮濕林由長期的農業用地再到次生林而轉化而來，在35年和100年后，亞熱帶潮濕林的含量分別為28 和105 g m?2 y?1。(Weaver et al.,1987; Brown and Lugo, 1990).我們的研究結果和這些以往報告的有機碳的的值是一致的。在我們的研究中，從荒地轉化來的人工林是主要的土地利用類型，相比果園，這些人工林的土壤中儲存了更多的碳。以往的研究集中在土地有機碳的固存上，這些土地主要是指從農業用地轉化為森林用地。我們也應當重視那些從荒地和廢棄地轉化成的林地和森林用地。據認為，管理完善的林地或森林能夠刺激森林物種的生長，改善森林生態系統的土壤。不受干擾的自然環境和有效的保護，有助于增加有機碳庫，如落葉分解和有機質的輸入。
由于對生物地球化學的機制如何負責碳元素的流動，它的儲存潛力如何及相對過程控制的
關鍵生物和生態現象等缺乏足夠的理解，致使我們最終不清楚陸地碳的固存量(Metting et al., 2001).。然而，土壤不會無限制地吸收碳，土壤碳的含量將隨著有機碳儲存量的增加最終達到飽和(Marland et al., 2001).。這是因為時間的長短和變化率的不同。土壤中碳的積累受氣候，植被，土壤溫度，水分，土壤質地，礦物質含量，人類活動，和過去的歷史土壤有機碳輸入和物理干擾的限制(Schlesinger, 1995; Post and Kwon, 2000).。由于缺乏植被和和落葉的的數據，我們的分析低估了碳的收益周期。此外，荒地到草地角色轉化中的碳匯不被考慮進來。我們的分析也忽略了其他因素，這些因素眾所周知能夠提高固碳，例如氮肥和水的管理。因此我們不知道是否有機碳的儲存達到了它的最大極限，以及決定有機碳固存的控制因素之間的關系。
在某些情況下，植被補丁與土壤中碳元素的巨大差異有聯系，碳元素需要我們通過抽樣調查進行說明(Palmer et al., 2002; Schuman et al., 2002)。在研究中，我們選擇了16個土壤刨面進行采樣，但是也不足以完全說明有機碳變化的空間改變。如何實現規模轉移是一個關鍵問題，即未來如何在基于有限的土壤剖面和復雜的區域分布下估計土壤固碳。
5結論
保護森林和林地可導致土壤碳的客觀收益，這些碳元素從大氣中最終進入到土地中。因此森林的保護和種植園的建立對于陸地生態系統碳固存的意義非常重大(Scholes and Noble, 2001)。在千煙洲林業試驗站周邊地區，完善土地使用管理的做法可以大大提高土壤碳固存。在中國紅壤丘陵地區實踐土地利用的綜合技術，協調彼此相鄰不同的土地利用類型不僅有利于提高經濟效益而且有利用防止土壤侵蝕和和退化。土地利用管理還可以降低來自與生態系統的碳排放量。這對于減輕大氣中溫室氣體的增加量起著重要作用。
