第6章 土壤碳素转化与温 环境土壤学
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1、第六章第六章土壤碳素转化与温室气体排放土壤碳素转化与温室气体排放目录目录一、引言二、土壤碳的组分与形态三、土壤碳素转化过程四、土壤温室气体排放一、引言 工业革命前的1800年大气二氧化碳的浓度为280ml/m3（IPCC（国际气候变化委员会），1990），而1959年在美国夏威夷的Mauna Loa长期检测站发现大气二氧化碳的浓度为315ml/m3，此后二氧化碳的浓度持续增加，平均每年升高1.5ml/m3 （IPCC，1995）2013年达到396.48ml/m3 。大气二氧化碳的浓度持续增加导致全球气候变化，最终可能威胁到人类的生存。碳循环碳循环全球碳循环地球表层系统碳库与碳循环地球表层系统
2、碳库与碳循环(1Pg=1015g)土壤及相关圈层碳库土壤及相关圈层碳库（李学垣，土壤化学）碳库名称碳库名称代号代号碳贮量碳贮量/Pg说明说明土壤碳库土壤碳库SCP33001米土层米土层大气碳库大气碳库ACP740生物碳库生物碳库BCP420830陆地植物陆地植物岩石碳库岩石碳库LCP210*107煤、石油、沉积煤、石油、沉积物）至物）至16公里深公里深水域碳库水域碳库HCP7501050不含深海溶质碳不含深海溶质碳不同学者认为的土壤碳库量不同学者认为的土壤碳库量 土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库。土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库。 土壤碳库包括土壤无机碳库（土壤碳库包括土壤无机碳库（SIC
3、PSICP）和土壤有机碳）和土壤有机碳库（库（SOCPSOCP） 有机碳库（有机碳库（1500Pg1500Pg）、无机碳库（）、无机碳库（1000Pg1000Pg）, , 约是约是大气碳和植被碳库的大气碳和植被碳库的2.52.5倍（倍（SchlesingerSchlesinger，19961996） 。有机碳库（。有机碳库（1550Pg1550Pg）、无机碳库）、无机碳库（1750Pg1750Pg） （李学垣，土壤化学）（李学垣，土壤化学）土壤碳循环模式最简单的陆地土壤碳循环模式：植物枯死后凋落于土壤表面，形成凋落物层，然后经腐殖质化作用，形成土壤有机碳，土壤有机碳经微生物分解产生二氧化碳，重
4、新释放到大气中。在干或湿环境下沉积的各种地上及地下掉落物参与碳循环的三个途径A直接成矿B根系的腐殖质过腐殖化作用成矿C厌氧环境中释放出CH4，排至大气，植物呼吸释放CO2，淋溶其实作用固定在土壤中土壤碳库 土壤是陆地生态系统最大的碳库，其碳储量相当于大气碳库和植物碳库的2-3倍。有机碳库 土壤碳库的增加或减少取决于土壤有机碳的输入和输出速率。无机碳库土壤有机库分解释放CO2进入土壤溶液转化为无机碳。土壤无机碳库通过影响土壤团聚体的状况，微生物活性，土壤ph，有机质的分解速率，今儿影响土壤有机碳库。土壤碳的储存与输出储存：A.植物及其根系的凋落，通过同植物及其根系的凋落，通过同化作用使碳储存在土
5、壤有机碳中；化作用使碳储存在土壤有机碳中；B.土壤吸收大气中的土壤吸收大气中的CO2，主要，主要有两种形式：有两种形式：1、土壤地球化学系统对CO2的吸收：高pH值、富钙化地球化学环境下，SOCCO2HCO3；干旱、半干旱地区碱性、富钙化地球化学环境下，SOCCO2HCO3CaCO3；2、土壤有机碳积累，即土壤碳饱和容量的实现。输出：A.有机物和土壤微生物在短时间通过分解有机物和土壤微生物在短时间通过分解作用释放作用释放CO2.B.腐殖质经过腐殖质经过10到到100年时间分解作用释放年时间分解作用释放CO2C.土壤中的木炭经过上千年的时间被侵蚀土壤中的木炭经过上千年的时间被侵蚀溶解，释放出溶解
6、，释放出CO2D.通过土壤呼吸作用释放到大气通过土壤呼吸作用释放到大气E.通过土壤通过土壤水系统的移动，以水系统的移动，以DOC和和HCO3形式自海洋沉积系统迁移，在干形式自海洋沉积系统迁移，在干旱，半干旱条件下沉淀为土壤无机碳酸盐；旱，半干旱条件下沉淀为土壤无机碳酸盐；F.植物根系生长过程中吸收土壤中的碳。植物根系生长过程中吸收土壤中的碳。 二、二、 土壤碳的形态与组分土壤碳的形态与组分碳循环The carbon cycle二、土壤碳的组分与形态u1.土壤有机碳p（1）碳水化合物单糖纤维素半纤维素p（2）木质素p（3）含氮化合物p（4）树脂、油脂、蜡质、单宁等疏水性有机物p（2）有机碳的形态
7、新鲜的有机物半分解的有机物腐殖质二、土壤碳的组分与形态n2.土壤无机碳p（1）土壤无机碳的组分 主要为CO2、HCO-3、CO2-3、碳酸盐p（2）土壤无机碳存在的形态气态无机碳液态无机碳固态无机碳 三、土壤碳素转化过程三、土壤碳素转化过程n1.土壤有机碳的转化过程p（1）有机碳的好氧分解碳水化合物含氮化合物脂类、木质素土壤腐殖质R（C，4H，养分）+ 2O2 CO2 + 2H2O + 能量+养分 酶氧化简单有机化合物的分解和转化 Mineralization（矿质化矿质化)：指复杂的有机质在微生物的作指复杂的有机质在微生物的作用下，转化为简单的无机物的过程。用下，转化为简单的无机物的过程。
8、土壤有机质因矿质化作用每年损失的量占土壤有机质总土壤有机质因矿质化作用每年损失的量占土壤有机质总量的百分数称有机质的量的百分数称有机质的矿化率矿化率(mineralization percent)。 矿化率矿化率一般在一般在1%3%。含碳碳和氢的化合2酶、氧化2能量22)4 ,(OHCOHCR2O土壤中简单有机化合物分解的难易顺序土壤中简单有机化合物分解的难易顺序 单糖、淀粉和简单蛋白质单糖、淀粉和简单蛋白质 粗蛋白质粗蛋白质 半纤维素半纤维素 纤维素纤维素 脂肪、蜡质等脂肪、蜡质等 木质素木质素容易 难l 好氧条件下的分解好氧条件下的分解 微生物活动旺盛，分解作用快，分解最终产物位微生物活动
9、旺盛，分解作用快，分解最终产物位CO2和和H2O，释放出矿质盐类（，释放出矿质盐类（NH4+、NO3-、HPO42-、H2PO4-、SO42-等）。等）。l 嫌氧条件下的分解嫌氧条件下的分解 好氧微生物活动受到限制，分解作用慢又不彻底，土好氧微生物活动受到限制，分解作用慢又不彻底，土壤中积累有机酸、乙醇等中间产物；极厌氧条件下会产生壤中积累有机酸、乙醇等中间产物；极厌氧条件下会产生CHCH4 4、H H2 2等还原性气体。等还原性气体。 42细菌2242细菌3423细菌252CHO2H4HCOCHCOCOOHCHCHCOCOOH4CHO2HCOOHH4Cl 含氮化合物含氮化合物Protein
10、Amino acid NH4 NO3- N素素 N N素生物固定与有效化过程与有机物素生物固定与有效化过程与有机物C/NC/N比密切相关。比密切相关。 C/N25时，产生时，产生N素生物固定素生物固定 C/N25时，产生时，产生N素有效化。素有效化。l 简单碳水化合物简单碳水化合物 Carbohydrate Organic acid CO2H2O 在低温、嫌气条件下在低温、嫌气条件下, ,有机酸变为有机酸变为COCO2 2和和H H2 2O O的过程受到阻的过程受到阻碍碍, ,产生有机酸的累积产生有机酸的累积, ,从而造成植物根系萎缩、腐烂。从而造成植物根系萎缩、腐烂。l 脂肪、树脂、蜡质、单
11、宁等脂肪、树脂、蜡质、单宁等 这类有机物的矿质化过程与碳水化合物基本相同，不同之这类有机物的矿质化过程与碳水化合物基本相同，不同之点是在嫌气条件下产生多酚化合物，这是形成腐殖质的基本材点是在嫌气条件下产生多酚化合物，这是形成腐殖质的基本材料。料。l 木质素木质素 木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放线菌木质素是芳香性聚合物，含碳量高，在土壤中真菌和放线菌作用下缓慢的转化，最终产物是作用下缓慢的转化，最终产物是COCO2 2和和H H2 2O O，但往往只有，但往往只有50%50%可形可形成最终产物，其余仅为降解产物，作为形成腐殖质的原始材料。成最终产物，其余仅为降解产物，作为形成腐
