土地利用变化对土壤有机碳储存的影响——一个案例研究的实验站在中国
摘要：森林在从大气中而来的游离碳中发挥着重要作用。自从上个世纪80年代以来，植树造林活动已在千叶洲林业实验站的周边地区贯彻执行。该实验站位于中国江西省境内。耕地和严重侵蚀的荒地上种植水果和森林种植园。千烟洲林业试验站的周围地区作为一个研究站，研究站分析造林对碳固存影响的潜在性。本研究评估了在不同的土地利用类型下土壤有机碳的变化存储。土壤有机碳贮量随着土地利用类型的不同而变化巨大。从1984年到2002年，土壤有机碳储量在八种土地利用类型中增加了2.45×106公斤。这项研究表明，造林土壤对碳固存影响的潜在性。然而，在景观尺度下对土壤碳通量有一个完整的了解将取决于潜在及土壤有机碳的保存期。
1引言
土壤是陆地生态系统中最大的碳库，土壤潜在的二氧化碳（CO 2）的排放量是大陆尺度碳平衡的一个重要组成部分（伯纳克斯等人。2001；默蒂等人。2002）。人类活动对碳储存和通量的影响已经超过了自然本身变异影响的速度和程度。在陆地生态系统下中对土地利用和土地覆盖的准确估计对于估计区域和大陆的碳平衡已变得越来越重要。（gregorich等人。1996，
1998）。其中一个最大的也是最不确定的因素是人类活动的变化对土壤有机碳的储存的影响。以往的研究集中于土壤中的土地利用变化情况（曼，1986；戴维森和阿克曼，1993；Lugo and Brown, 1993; 华盛顿, 1999; Post and Kwon, 2000;）例如，穆尔蒂等人综述了土壤中碳和氮的储存后，提出将森林转化为农业用地。Lugo and Brown,提出土壤有机碳的改变是发生在有利于碳积累的土地利用变化之后的。在不同的植被类型下、环境条件下、不同的时间条件下，有机碳的积累率相差很大。为了开发大陆尺度的碳预算，我们需要知道什么发生在土壤碳库的转换后的土地利用和土地覆盖类型。
土壤不仅是植物生产的基础，也是陆地生态系统中固碳的主要容器和载体。（拉尔等人。1998，乙；Post and Kown，2000；马兰等人。，2001；奥尔森和卡¨尔，2002）。高含碳量的土壤有强吸水性并且可以提高土壤生产力，这种生产力对于植物生产和碳固定有重大作用。（奥尔森和卡¨尔，2002）。有机碳的积累已被建议作为最佳的选择长期陆地生态系统碳封存。（农业部，1999；奥尔森和卡尔，2002），并且可以成为京都议定书的重要组成部分。（施莱辛格，1995；mccarl和公司，2001）。
由于土壤固碳可以缓解大气中二氧化碳浓度的增加，同时改善土壤结构和土壤生产力。(La
let al., 1998a, b; McCarl and Schneider, 2001),我们应该更注重在不同时空尺度下土壤的固碳潜力。现在和过去使用土地的做法在确定全球陆地碳排放源和吸收汇的分布和规模上是至关重要的。（卡纳戴乐，2002）。我们需要分析土地管理对土壤储存现有的和潜在的影响。（舒曼等人。，2002）。人类活动对碳储存的影响在中国不被很好的理解，应当选择一个典型的造林项目去分析土地利用变化对中国碳封存的潜在作用。
2材料和方法
2.1网站描述
千烟洲林业试验站位于中国南部的江西省泰和县境内。(26◦44_48__N, 115◦04_13__E).。土地面积204.17公顷。地势平缓起伏，平均坡度为10–30◦。海拔大约在海平面上60米。土壤母质由红色砂岩和泥岩构成，土壤主要为红壤（吸土），水稻土（人为），潮土和草甸土。红壤面积最大，大约有140.5公顷。年平均气温约18.6℃，◦，最高和最低的极端温度分别是39.5◦和−5.8 ◦C,年平均降水量为1361毫米。研究区域的景观是一个典型的亚热带红壤丘陵，占低山，梯田和河滩位置上的景观。该地区位于中亚热带常绿阔叶林地带，原始森林由于森林砍伐和土地利用转换到农业生产等原因几乎消失。土地覆盖类型包括针叶树
和阔叶林，果园，农田，矮树和其他次生植被。
2.2土地利用变化历史
1983年前的千烟洲是一个只有31人的小村庄，经济滞后。围绕千烟洲林业试验站的周围地区没有太多的天然树林。1983年一项保护红壤资源的规划被颁布实施，后来中科院（中科院）建立了千烟洲林业试验站。不同的土地利用方式被设计并实施，旨在恢复土地资源同时避免增加水土流失。在1989年以前植树造林负责主要的土地利用模式。1990年初，土地利用和土地覆盖类型和地区仍然相对恒定。土地统计实验区可用于下列年：1983，1990和1997（见表1）
在千烟洲林业试验站有六种土地利用方式（表一）。表中显示了在1983年到1997年的这段时间里，该地区耕地和荒地减少了，而果园、森林、草地和水田地的利用面积增加了。（表一）在所有的土地利用类型中，荒地的使用面积减少的最多，有160.84公顷之多。而森林、果园和水田地的使用面积有一个迅速的增加。在14年间草原略有增加，而在同时期内耕地面积缓慢下降了5.04公顷。在1997年，该地区的八个主要土地利用类型包括采样的森林和林地131.09公顷，占总数的64.21%。该地区的其他土地利用类型的面积是非常小的，
分散在整个景观区内。（图一）这些土地的使用包括住宅用地，菜地，水田，旱地，种植园，和运输等。
2.3土壤采样和土壤的碳含量
从2002年的5月到6月对最新的土壤进行了取样。为了检测有机碳库变化不破坏土壤结构或改变土壤有机碳含量，土壤进行采样尽量靠近附近原有的采样点。我们选择了八个重要的森林和林地，在各土地利用类型中选择了两种土壤剖面。在各个层面上对土壤进行采样，而体积密度通过使用切割环进行测量。对于每一个层面，在每个站点上水分含量由测定仪测定后达到他们可以处理的碳浓度前，土壤样本必须要存放在一个布袋里。通过使用theWalkey–Black方法，各土层的碳浓度决定一个干群众基础。（黑色，1965）各土层的有机碳含量计算层面深度，密度，和二氧化碳浓度的产量，并总结为整个土壤剖面估计总有机碳含量的方法等（2001）。表三显示了各土地利用类型下每一个采样刨面的有机碳的浓度。
2.4数据来源
千烟洲林业试验站是中国科学院生态系统研究网络（欧洲粒子物理研究所）的一员。本研究院收集数据和有关生态系统、资源、环境的其他信息及经济和社会条件下的欧洲核子研究中心的状况。(ac) 我们从欧洲核子研究中心的数据库获得的所有历史数据包括土壤条件和土地利用情况。().1984年关于每一种土地利用类型下的有机碳的密度和储存起源于元朝。
3结果
表四显示了有机碳密度和储量计算各土地利用类型的变化。有机碳储存量的改变表面土壤是大气中二氧化碳的一个风向标。固碳率从自然再生林状态下的0.28kg/m2变为了在1984到2002年间保护湿地松森林状态下的4.34 kg/m2。所有土地利用的总有机碳的储存量增加到了2.45×106公斤，这是18年后+86%有机碳的一个平均变化。（表四）有机碳储量的最大增加是灌木地的+300%，而最小的增加是风景林的+ 5.6%。不同的土地利用类型在有机碳的吸收率上有相当大的变化。（表四）当考虑经营活动对土壤固碳的影响时，对历史知识的了解就很重要了。在实验区由于果园、土壤季节性耕作和施肥造成了有机碳的损失。农业土地的转化及荒地转化成森林和林地造成土壤固碳的最大增加。在超过18年的研究期
间我们发现湿地松林有最大的土壤固碳能力。将荒地转化成林地和森林使许多碳转汇到土壤中。然而，在这些土地利用类型中土壤碳的获取变化很大。
4讨论
根据我们的研究，过去18年中所有这8种土地利用类型中土壤表层的138厘米处的有机碳的储存量增加了，平均量从15.8到241g m−2 y−1。（表四）其他一些研究报告了有机碳储存改变的速率，在这些研究中，亚热带潮湿林由长期的农业用地再到次生林而转化而来，在35年和100年后，亚热带潮湿林的含量分别为28 和105 g m−2 y−1。(Weaver et al.,1987; Brown and Lugo, 1990).我们的研究结果和这些以往报告的有机碳的的值是一致的。在我们的研究中，从荒地转化来的人工林是主要的土地利用类型，相比果园，这些人工林的土壤中储存了更多的碳。以往的研究集中在土地有机碳的固存上，这些土地主要是指从农业用地转化为森林用地。我们也应当重视那些从荒地和废弃地转化成的林地和森林用地。据认为，管理完善的林地或森林能够刺激森林物种的生长，改善森林生态系统的土壤。不受干扰的自然环境和有效的保护，有助于增加有机碳库，如落叶分解和有机质的输入。
由于对生物地球化学的机制如何负责碳元素的流动，它的储存潜力如何及相对过程控制的
关键生物和生态现象等缺乏足够的理解，致使我们最终不清楚陆地碳的固存量(Metting et al., 2001).。然而，土壤不会无限制地吸收碳，土壤碳的含量将随着有机碳储存量的增加最终达到饱和(Marland et al., 2001).。这是因为时间的长短和变化率的不同。土壤中碳的积累受气候，植被，土壤温度，水分，土壤质地，矿物质含量，人类活动，和过去的历史土壤有机碳输入和物理干扰的限制(Schlesinger, 1995; Post and Kwon, 2000).。由于缺乏植被和和落叶的的数据，我们的分析低估了碳的收益周期。此外，荒地到草地角色转化中的碳汇不被考虑进来。我们的分析也忽略了其他因素，这些因素众所周知能够提高固碳，例如氮肥和水的管理。因此我们不知道是否有机碳的储存达到了它的最大极限，以及决定有机碳固存的控制因素之间的关系。
在某些情况下，植被补丁与土壤中碳元素的巨大差异有联系，碳元素需要我们通过抽样调查进行说明(Palmer et al., 2002; Schuman et al., 2002)。在研究中，我们选择了16个土壤刨面进行采样，但是也不足以完全说明有机碳变化的空间改变。如何实现规模转移是一个关键问题，即未来如何在基于有限的土壤剖面和复杂的区域分布下估计土壤固碳。
5结论
保护森林和林地可导致土壤碳的客观收益，这些碳元素从大气中最终进入到土地中。因此森林的保护和种植园的建立对于陆地生态系统碳固存的意义非常重大(Scholes and Noble, 2001)。在千烟洲林业试验站周边地区，完善土地使用管理的做法可以大大提高土壤碳固存。在中国红壤丘陵地区实践土地利用的综合技术，协调彼此相邻不同的土地利用类型不仅有利于提高经济效益而且有利用防止土壤侵蚀和和退化。土地利用管理还可以降低来自与生态系统的碳排放量。这对于减轻大气中温室气体的增加量起着重要作用。
