干旱土壤無機碳的碳匯研究

摘 要：闡述了旱地土壤無機碳的形成機理，分析了干旱和半干旱土壤無機碳含量與土壤有機碳含量的關系，以及氣候變化和人為土壤管理對旱地土壤無機碳儲量的影響。旱地土壤可能通過形成次生碳酸鹽轉化為有效碳匯，說明了深入研究干旱土壤碳循環的重要性。

關鍵詞：無機碳；干旱；土壤；碳匯

中圖分類號：X38文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）01-00-05

0 引言

氣溫升高、大氣中二氧化碳濃度變化、土地利用類型改變、土壤管理措施變化等因素都會影響土壤中的總含碳量。土壤有機碳是陸地生態系統碳循環研究的熱點，目的就是要減輕大氣中二氧化碳水平上升帶來的負面影響。土壤系統是大氣中二氧化碳的主要“捕獲者”和“存儲庫”，在碳循環中起著重要作用。地球上主要的碳庫可分為5類：巖石圈、海洋、土壤（包括有機碳和無機碳）、大氣和生物圈。土壤碳是陸地生態系統中最大的碳庫，甚至比生物圈和大氣的碳庫總和還要大。

表1中展示了全世界不同地區旱地土壤的總碳儲量[1]。盡管土地利用類型的變化對碳儲量的影響很大，旱地碳儲量仍然占全球碳儲量的三分之一以上。值得注意的是，大量的碳集中在旱地生態系統中。非洲和中東等地區的旱地碳含量較高。盡管東南亞地區的潮濕森林含碳量較高，旱地碳儲量仍然很大。在深度1 m以下的土壤中，有機碳和無機碳儲量分別為1200～1600 Pg和695～940 Pg[2]。盡管全球無機碳的儲量低于土壤有機碳儲量，但是大部分無機碳儲存在干旱和半干旱地區。旱地土壤可以通過形成碳酸鹽的方式成為有效碳匯。當前，土壤無機碳在全球碳循環研究中還沒有受到廣泛關注?？紤]到干旱和半干旱生態系統覆蓋的人口面積較大，了解影響無機碳變化的因素對于理解氣候和人為因素對旱地土壤無機碳儲量的潛在影響至關重要。本文通過分析旱地土壤中無機碳的形成機制，說明碳酸鹽的動態性質以及干旱土壤的固碳能力，強調深入研究干旱土壤碳循環的重要性。

1 旱地土壤無機碳

1.1 旱地土壤分布

根據干旱指數，可將干旱土地分為4類：超干旱、干旱、半干旱和干燥亞濕潤。如表2所示，地球地表有大約41%的區域被干旱和半干旱地區所覆蓋。半干旱地區面積最廣，占地球表面的15.2%，其次是干旱地區（10.6%）、亞濕潤干旱地區（8.7%）和超干旱地區（6.6%）[3]。干旱地區普遍存在缺水、缺糧和惡劣天氣等問題。干旱區具有高干旱度（干旱指數高于70%）、極端溫度、高太陽輻射、高風速、降雨量小且分布不均勻等特點。土壤為砂質，持水性差，有機碳含量低，速效氮磷缺乏。缺水及可利用水的不均勻分布進一步限制了干旱地區的作物生產和農業發展。

利用地統計學、RS和GIS相結合的方法，從流域尺度上研究了0～10 cm土壤可溶性無機碳的空間分布特征。0～10 cm土壤可溶性無機碳的平均含量為0.056 gC/kg，線性模型為土壤無機碳分布特征的最優擬合模型。從空間分布來看，土壤可溶性無機碳含量呈從南向北逐漸降低的趨勢，南部含量最高，中部居中，北部最低。同期土地利用類型圖疊加表明，整個土壤可溶性無機碳主要分布在0.05～0.06 gC/kg范圍，耕地和沙地中的可溶性無機碳含量整體較高，而林地、草地和鹽堿地中的可溶性無機碳含量則較低。土壤可溶性無機碳含量與HCOeq3呈極顯著正相關，與其他土壤離子呈顯著負相關，而與pH值呈弱的正相關。

在中國，旱地占農田面積的70%以上，在固定大氣CO2方面可以發揮重要作用。實施少、免耕，提高秸稈還田比例和增加有機肥用量等推薦管理措施可以顯著提高中國旱地土壤有機碳儲量。其中，提高秸稈還田比例是最有效的固碳措施。未來20年，現實情景下中國旱地土壤固碳潛力在100.47～240.08 Tg；理想情景下中國旱地土壤固碳潛力在326.8～506.6 Tg。從中國旱地土壤固碳潛力空間分布格局看，東北區固碳潛力較小而黃淮海區具有較大的固碳潛力。

1.2 旱地無機碳形成機理

并非所有的干旱地區都有利于土壤碳酸鹽的形成。例如，阿塔卡馬沙漠最干燥的區域過于干燥，限制了土壤無機碳的形成[4]。

形成土壤無機碳的4個必要條件：

（1）土壤pH值較高，為堿性；

（2）土壤中含有大量活性二氧化碳來產生碳酸氫根離子；

（3）土壤含有大量有效的鈣離子；

（4）土壤達到一定濕度水平。

在干旱地區，無機碳，特別是碳酸鈣通過以下兩種反應形成：

2CO2 + 2H2O → 2HCO3- + 2H+ （1）

Ca2+ + 2HCO3 → CaCO3- + H2O+ CO2 （2）

碳酸鈣的形成受土壤二氧化碳含量、土壤pH值、土壤含水量和土壤鈣離子濃度的影響。土壤pH值升高將產生碳酸氫根離子。因為土壤氫離子的下降將導致反應公式（1）向右進行。同樣，pH值降低或土壤二氧化碳含量增加會導致反應公式（2）向左進行。碳酸鹽形成過程中消耗的二氧化碳主要來源于土壤呼吸，包括自養根呼吸和異養微生物呼吸。大多數干旱土壤為非沖洗土壤，水分較少，無法從土壤剖面中淋溶碳酸氫鹽。因此，由于碳酸鹽的溶解，酸性土壤中的無機碳儲量可能會減少，而堿性環境可為碳酸鹽的形成提供最佳環境。

土壤有機質在干旱土壤無機碳的形成過程中起到重要作用。土壤有機質來源于植物地上生物量、土壤微生物和大型生物以及植物根系。土壤有機質不僅影響土壤酶活性，而且影響土壤微生物活性。土壤酶如脫氫酶活性影響土壤有機質的分解和碳酸鈣的釋放。地上植物部分可直接影響土壤碳酸鹽的形成，因為植物葉片中的碳酸鈣含量為0.4～1.06 mg/cm2，

并且，碳酸鈣可在植物根毛周圍結晶[5]。

當土壤溶液中存在鈣離子時，形成次生碳酸鹽的合適pH值為7.3～8.5。土壤無機碳通過以下5種方式形成：

（1）逐層下沉模式：上部剖面的溶解碳酸鹽通過土壤剖面向下滲透，并在底土中重新沉淀；

（2）逐層上升模式：鈣離子通過毛細管從淺層水位上升運動和形成碳酸鹽；

（3）原位模式：碳酸鹽巖溶解后在基巖附近再次沉淀；

（4）生物成因模式：次生碳酸鹽巖是通過土壤動植物活動形成的；

（5）復雜模式：根據主要環境條件，上述所有模式同時或順序發生。

1.3 旱地土壤無機碳和有機碳的關系

在中國北部華北平原和西部黃土高原的表層土壤中，土壤有機碳與土壤無機碳呈負相關，在甘肅巴丹吉林沙漠和新疆焉耆盆地，土壤有機碳與土壤無機碳呈正相關。干旱條件下，土壤pH值對維持無機碳與有機碳的關系起著重要作用。有機碳的分解和根系的高呼吸釋放更多的二氧化碳到土壤中，從而在土壤中形成酸性環境。低pH值有利于碳酸鹽的溶解，導致表層有機碳與無機碳呈負相關。因此，在pH值較高且富含鈣離子的土壤中，可以預測正相關關系。隨著土壤含無機碳量的增加，土壤中碳酸鹽的生成量顯著減少，表明無機碳是一個動態的而非穩定的碳庫。因此，土壤酸度值可以通過碳酸鹽沉降或釋放二氧化碳到大氣中來影響固碳過程。

無機碳和有機碳之間的差異表明無機碳和有機碳對環境條件變化的響應不同，會出現兩種關聯情況。第一種情況，土壤有機碳含量越高，釋放的二氧化碳濃度越高，產生的氫離子和碳酸氫根離子越多。高濃度的氫離子有助于碳酸鹽的溶解，因此土壤有機碳與土壤無機碳之間存在負相關關系。第二種情況，較高的碳酸氫根離子生成量有利于土壤無機碳的析出，并產生正相關關系。

2 影響旱地土壤中無機碳形成的因素

2.1 氣候因素

隨著年平均降水量的增加，土壤無機碳的儲量分別從干旱和半干旱條件下的3.75～6.28 kg/m2增加到干旱-亞濕潤條件下的11.32 kg/m2。雖然干旱區土壤有機碳含量較低，但土壤中無機碳與有機碳的比值最高。與土壤有機碳相比，氣候對土壤無機碳的儲存的影響更大。降水促進了碳酸鹽溶解和淋溶，使有效降水量很少的干旱地區產生石質和鈣質地層堆積，并且潮濕的環境促進了碳酸鹽的浸出過程。年降水量低于500 mm的地區無機碳池濃度較大，中國84%的無機碳庫存儲在年降雨量低于500 mm的地區，9%的無機碳儲存在年平均降雨量500～800 mm的地區[6]。降水通過兩種方式影響土壤碳酸鹽的形成：直接通過改變碳酸鈣的溶解度常數，間接通過將降水輸入分配到淋溶和蒸散之間。由于季節性干旱期間土壤水分和根系活力均較低，因此季節性干旱期是碳酸鹽沉淀的有利時間。

2.2 土地利用方式

從自然植被到農田的土地利用變化會導致無機碳的迅速流失。無機碳的分布格局和儲量也受到不同土地覆被類型根系和有機碳含量垂直分布的影響。土地利用方式的改變會影響無機碳庫的多種生物參數，包括植物地上和地下生物量生產力、土壤特征和微生物過程。沙漠的無機碳含量最高，其次是草地、農田、沼澤、灌叢、草甸和森林。通過碳分配的變化，植物功能類型可以影響無機碳在深層土壤中的分布。中國黃土高原中部退耕還林導致土壤中無機碳沿剖面重新分布，但未觀察到無機碳的凈增加。草原中土壤無機碳的δ13C值低于森林，表明草原次生碳酸鹽的生成量大于森林。退耕還草過程中無機碳含量和貯量均呈下降趨勢。在草地恢復的耕作過程中，無機碳是垂直混合的，碳酸鹽進一步溶解和淋溶到更深的土層可能會降低草地恢復過程中無機碳的含量。另外，土壤含水量和根系生物量的增加促進了土壤微生物活性，增加了土壤中二氧化碳的產生，導致可溶性土壤無機碳的增加。與粘質土相比，砂質土中無機碳的形成更為敏感。

2.3 農業灌溉

深耕等集約化耕作措施會干擾土壤并分解土壤團聚體。農田土壤中植物碳源輸入量普遍較少，從而影響無機碳的溶解和沉淀。碳酸鹽的沉淀或溶解在很大程度上取決于土壤pH值和鈣離子來源。在干旱和半干旱條件下，農業土壤中土壤有機碳和土壤無機碳的累積量大于非農業土壤，例如，在中國甘肅河西走廊中部和中國寧夏云霧山周圍。從1980—2020年，中國51%的耕地土壤無機碳流失率為0.5～4.0 kg/m2，尤其是在水田、灌溉農田和旱地[7]。灌溉措施加上施用酸化肥料會增加土壤剖面中無機碳的流失。通過農業實踐，將含鈣層暴露于土壤表面，碳酸鹽風化和侵蝕進一步加劇。灌溉干旱和半干旱土壤增加了植物生物量的產生，從而增加了植物呼吸作用和微生物對土壤有機質的分解，釋放更多二氧化碳。此外，灌溉用水中含有鈣離子，當這種灌溉水應用于地下水中含有高濃度碳酸氫鹽的干旱非堿性土壤時，二氧化碳在碳酸鹽沉淀過程中釋放。

在對干旱和半干旱環境中土地利用變化對無機碳或有機碳動態影響研究過程中，需要考慮無機碳儲量和土地利用系統之間的復雜相互作用。農田無機碳密度高于其他土地，由于灌溉和施肥導致鈣鎂離子增加。例如，中國蘭州地區肥沃土壤中無機碳儲量比低肥沃黃土中無機碳儲量增加。密集的耕作實踐將含鈣層暴露在土壤表面，從而增加碳酸鹽風化作用。無機碳的最終歸宿是被淋濾到更深的土壤層，或轉化為碳酸氫鹽，進一步輸送到地下水中，或加入河流，最終進入海洋。

2.4 化肥

盡管土壤酸化是一個自然過程，但長期過量施用氮肥等人為活動會加速土壤酸化。施用化肥會導致土壤酸化，土壤pH值下降會導致農田表層土壤中無機碳減少。土壤酸化是全球生態系統可持續發展的主要威脅之一，因為土壤pH的變化可以影響土壤無機碳和土壤有機碳的動態儲量。以下化學式可描述施用氮肥對碳循環的影響。

NH4+ + 2O2 → NO3- + H2O + 2H+ （3）

Organic C → RCOOH → RCOO- + H+ （4）

CaCO3 + H2O + CO2 → Ca2+ + 2HCO3- （5）

HCO3- + H+ → H2O + CO2 （6）

施用氮肥可以降低土壤pH值，改變石灰性土壤的碳平衡，促進土壤酸化。由公式（3）可以看出，當產生1 mol硝酸鹽時，在富氧條件下將產生2 mol的氫離子。這些氫離子在石灰性土壤中被無機碳中和。因此，較低的pH值會導致石灰性土壤中的無機碳含量下降。盡管在表層土壤中施用化肥，但它們仍然可以通過離子的運動導致深層土壤酸化，從而導致深層土壤中無機碳的流失[8]。

2.5 土壤母質

土壤母材及其風化行為同樣影響著土壤無機碳的形成。例如，中國黃土高原的土壤無機碳含量高與富含碳酸鈣的原生礦床風化有關。玄武巖風化在陸地碳循環中至關重要，它釋放出氫離子和鈣鎂離子，這些離子與碳酸氫鹽結合在土壤中形成碳酸鹽。無機碳主要存在于無碳酸鹽母巖的土壤中，在干旱和半干旱地區，土壤無機碳也可以通過鈣離子與水（來自降雨）和二氧化碳（來自植物根系呼吸）的反應在非碳酸鹽母質中累積。因為只有在有水的情況下，土壤母材的風化速率才隨溫度的升高而增大，因此在干旱地區土壤的風化速率較慢。

3 旱地土壤碳匯分析

碳匯主要是指吸收并儲存二氧化碳的多少，或者說是吸收并儲存二氧化碳的能力。碳源是指產生二氧化碳之源，它既來自自然界，也來自人類生產和生活過程。碳源與碳匯是兩個相對的概念，即碳源是指自然界中向大氣釋放碳的母體，碳匯是指自然界中碳的寄存體。固碳的重點在于處理碳而不是阻止其釋放。無機碳的固碳機制主要是生物固碳，將無機碳即大氣中的二氧化碳轉化為有機碳即碳水化合物，固定在植物體內或土壤中。以藻類固碳為例，地球上的光合作用90%是由海洋藻類完成的。海藻能夠有效地利用太陽能，通過光合作用固定二氧化碳，將無機碳溶解轉化為有機碳。

與土壤有機碳不同，土壤無機碳含量的增加不一定意味著大氣中二氧化碳被固存。碳酸鹽溶解是一種與無機碳相關的土壤過程，能夠在一系列反應中消耗二氧化碳。要將碳酸鹽溶解視為無機碳封存過程，必須了解碳酸氫根的來源和去向。二氧化碳必須來自土壤呼吸或土壤有機碳分解。碳酸氫根必須從土壤剖面中淋濾出來，并在土壤無機碳中儲存數千年甚至更長時間。否則，土壤剖面中碳酸氫根的不完全淋溶會導致碳酸鹽在土壤深層重新沉淀，同時釋放二氧化碳，因此大氣中的二氧化碳含量沒有凈變化。

由公式（2）可知，土壤無機碳的形成消耗2 mol碳酸氫根，產生1 mol碳酸鈣沉淀并釋放1 mol二氧化碳。干旱半干旱地區的蒸發量大，鹽分淋失不完全，灌溉可以加速上述自然反應。準確了解土壤無機碳的分布，及其導致碳固存或以二氧化碳形式流失的控制因素，將有助于預測氣候變化對干旱和半干旱地區碳循環的可能后果。

盡管干旱土壤分布廣泛，但長期干旱條件下土壤和生態系統碳通量的估算卻很少受到重視。根據對新墨西哥奇瓦瓦沙漠的長期二氧化碳通量測量結果，在夏季結合降雨時可以檢測到大量的日均二氧化碳排放，非生物二氧化碳源（碳酸鹽的溶解）可能是部分二氧化碳排放的原因。在碳酸鹽地中海生態系統中，當土壤濕度較低時，土壤無機碳釋放二氧化碳量占土壤二氧化碳釋放總通量的40%[9]。

干旱生態系統可能是人們長期追求的潛在碳庫。將土壤水分和生態系統光合總量納入土壤二氧化碳通量模型，有助于減少半干旱生態系統碳動態的不確定性。干旱區土壤中存在一個較大的碳酸鹽庫，它可能通過碳酸鹽溶解和出溶的晝夜循環促進地表大氣二氧化碳交換。非生物過程在干旱土壤碳循環中起著重要作用，白天釋放的部分二氧化碳來自碳酸鹽，為夜間二氧化碳吸收提供了來源，盡可能使系統維持（或接近）碳平衡[10]。

4 結論

干旱和半干旱生態系統的土壤碳動態是了解全球碳循環和評估陸地生態系統對全球氣溫升高的響應的基礎。本文著重介紹了干旱地區土壤無機碳的成因及對生態系統碳循環的影響，分析了干旱地區土壤無機碳的化學性質以及其與土壤有機碳之間的相互作用。通過研究干旱土壤無機碳在不同氣候條件與不同土地利用方式下的固碳潛力，可以證明旱地土壤可以通過形成次生碳酸鹽轉化為有效碳匯，土壤無機碳的碳匯研究可以成為減緩氣候變化戰略的一部分。

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Carbon Sink of Inorganic Carbon in Arid Soil

YOU Wei

（State Forestry and Grassland Administration Industrial Development Planning Institute， Beijing 100010， China）

Abstract： This paper expounded the formation mechanism of inorganic carbon in dryland soils， analyzed the relationship between inorganic carbon content and soil organic carbon content in arid and semi-arid soils， and the impact of climate change and artificial soil management on the storage of inorganic carbon in dryland soils. The dryland soil may be transformed into effective carbon sink through the formation of secondary carbonates， which showed the importance of in-depth study on the carbon cycle of dryland soil.

Key words： inorganic carbon; drought; soil; carbon sink

收稿日期：2023-04-11

作者簡介：尤煒（1983-），女，漢族，高級工程師，碩士，主要從事林草規劃設計、林草資源保護、碳匯計量研究等工作。