全 文 ：第 11卷 第 4期
2 0 0 3年 1 0月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
Vo1．11 No．4
Oct．， 2003
北方农牧交错带耕地土壤有机碳储量变化模拟研究
— — 以内蒙古 自治区为例
邱建 军 唐华俊
(中国农业科学院农业 自然资源和农业区划研究所 北京 100081)
LI Chang—Sheng
(Complex Systems Research Center，EOS，Univ．of New Hampshire，Durham，NH 03824，USA)
摘 要 运用农业生态系统生物地球化学模型(DI Dc)，估算北方农牧交错带内蒙古 自治区耕地土壤 C储量井研究其平
衡状况结果表明，该区耕地0-30cm土层土壤有机碳储量约为46622．6万 t，目前土壤有机碳库处于严重负平衡，年净损
失有机碳 1335万 t。指出干旱半干旱农牧交错区应推行免耕 、休耕等保护性耕作措施以助于土壤有机碳的积累。
关键 词 农 牧 交错 带 生 物地球 化 学模 型 耕 地 C平 衡
Study on the situation of soil organic carbon storage in ecotone between agriculture and animal husbandry—A case study
from Inner Mongolia．QIU Jian．Jun，TANG Hua—Jun(Institute of Natural Resources and Regional Planning，Chinese
Academy ofAgricultural Sciences，Bering 100081)，LI Chang-Sheng(Complex Systems Research Center，EOS，Univ．of
NeW Hampshire，Durham，NH 03824，USA)，CJEA ，2003，11(4)：86～88
Abstract A biogeochemieal model(DNDC)for agro-ecosystem was employed to predict the soil organic carbon dynamics
in ecOtone between agriculture and animal husbandry in Inner Mongolia．The results show that the total soil organic car—
bon storage in 0～30cm soil of agricultural lands in Inner Mongolia is abo ut 466．226 milion ton；the soil organic carbo n is
lost at a rate of 13．35 milion t／a；and protective cultivations are very useful for accumulation of soil organic carbon in this
ar ea s ．
Key words Ecotone between agriculture and animal husbandry．Biogeochemical mod el(DNDC)，Crop land，Soil organic
Carbo n balanc
我国北方农牧交错带是典型的生态脆弱区，东起嫩江下游。西至宁夏回族 自治区东南部，该区包括 81个
县旗，总土地面积 26．7万 km ，沙漠化土地占总面积的 61．5％，且每年以 lO00km 速度扩大⋯ ，究其土地沙
化根本原因是土壤有机质下降，土壤固着水分和养分能力下降。本研究 以北方农牧交错带内蒙古 自治区为
例 ，利用农 业生态系统 生物地球化学模 型 ，研究该 区耕 地土壤 C储 量 的变 化特征 ，为北 方农 牧交错 区有效增
加土壤有机碳储 量提供理论依 据。
1 研 究 方法
本研究运用农业生态系统生物地球化学模型(DNDC)模拟分析内蒙古 自治 区耕地土壤有机碳储量状
况，根据当地农作制度特点编制运行 DNDC区域模型的 GIS数据库，在数据库支持下运行模型并分析其结
果。DNDC(DeNitrification—DeComposition)模 型 是 目前 国 际 最 成 功 模 拟 生 物 地 球 化 学 循 环 的 模 型 之
一
~1
，能较好地模拟土壤中 c、N循环过程和温室气体 CO 、N 0、CH 等释放规律 ，具有模拟功能强
大、输人参数易获得、软件界面友好等优点，且专门针对农业生态系统 ，该模型已在世界各地得到验证并开展
了应用研究 ，且在我国也 已应用研究 ，可用该模型在区域数据库支持下模拟测算 目前我国不同区域
农业生态系统土壤 c储量状况及其变化趋势。
DNDC区域模型由区域性的输人数据库支持 ，即把点位模型所输入各种原始资料以县为单位编人 GIS
数据库 ，以1990年县区设置(90个县区)和县界地图为标准，其中作物种类数据库有内蒙古 自治区常见作物
*“十五”国家科技攻关重大项 目(2002BAS16A06)部分研究 内容
收稿 日期 ：2002—11—26 改回日期：2003一Ol-O6
一]——～ ⋯ 一
维普资讯 http://www.cqvip.com
第 4期 邱建军等 ：北方农牧交错带耕地土壤有机碳储量变化模拟研究 87
的有关生理参数以及播种期 、收获期 、最大产量等种植制度参数 ；农业数据库H。。有 1998年 内蒙古 自治区县
级各种 土地利用类 型面积 、N肥施用量 、有效灌 溉 面积 、耕地 面 积 以及 牲 畜 头数 和农 业人 口；气 象数 据库 有
1998年内蒙古 自治区 36个气象台站逐 日气象资料，包括最高温度、最低温度和降雨量状况，各县采取就近
共享 ；土壤数据库有县级农业土壤特性本底值数据库 (包括容重 、黏粒含量 、初始有机碳含量及 pH值等)。
区域模型以县为最小区域单元 ，其中各县又以每个土地利用类型为最小运行单位 ，所有土地利用类型(与各
自面积的乘积)某一指标总和为该指标 的县值 ，各县总和为各地区的结果 ，每个土地利用类型以土壤有机质
最高 、最低本 底值分别 运行模型 2次并取其平 均值 。区域 模拟 以现有 实情 为本底 案例 ，并 设置 运行 免耕 、增
加秸秆还田比例、未施化肥 、未施有机肥和全球变暖等替代案例 ，以考察各 自效应。本底案例一些基本参数
设置为所施化肥中假设 40％为尿素、40％碳铵和 20％磷铵；除去籽粒后地上部分秸秆还田比例为 l5％，根
茬全部还田；20％畜禽粪便和 l0％的人粪便还田，其 中假设牲畜年产粪便中含 N总量为每头牛 50kg、每匹
马 40kg、每只羊 12kg、每头猪 16kg、每人年产粪便含 N量为 4kg；每茬耕作 2次，即播前翻地深 20cm，收后翻
地深 lOcm。
2 结果与分析
2．1 耕地土壤有机碳储量估算
据 DNDC区域模型估算 ，1998年内蒙古
自治 区 726．7352万 hm 耕地 0～30cm 土层
土壤 总 C储 量为 46622．6万 t(见表 1)，平 均
耕地土壤有机碳储量为 64．15t／hm ，呼伦贝
尔盟 和兴 安 盟 地 区是 土壤 有 机 碳储 量 富集
区 ，2区土壤有机碳储 量分 别为 13730．8万 t
和 6669．4万 t，分 别 占全 自治 区总耕 地 土壤
有机 碳储量 的 29．45％和 l4．3l％ ，而 2区耕
地 面积仅 占全 区的 l7．28％和 8．93％ ，平均
耕 地 土 壤 C 储 量 分 别 为 109．32t／hm2和
102．76t／hm ，约为全区平均水平的 l倍 。不
同土地利用类型耕地 土壤有机碳状况见表
2，由表 2可 知全 自治 区耕 地土壤有 机碳主要
存 储于 玉米 、大豆 、春 小麦 、土豆 和油 菜 等土
地利用类型耕地和休耕地 中(占 85．1％)，这
些土地利用类型耕地土壤有机碳年减少 量
表1 内蒙古自治区各地耕地O~30cm土层土壤C储量及其年变化(1998
Tab．1 Soil organic carbon storage and its changes in
croplands in Inner Mongolia in 1998
占85．2％的份额 ，其 中休耕地土壤有机碳储量占l5．1％，但土壤有机碳年减少量仅占 2．9％，说 明休耕地有
利 于土壤有 机碳 的积 累。
表 2 内蒙古 自治区耕地土壤有机碳储量及其年变化
Tab．2 Distributions of soil organic carbon and its balance among different landuse types in Inner Mongolia
2．2 耕地土壤有机碳储量平衡状况
土壤有机碳平衡反映土壤有机碳收支抵消状况，即生长季末(年末 )土壤有机碳储量与生长季初(年初)
储量 比较，正平衡表示土壤有机碳收入大于支出，反之则入不敷 出；DNDC模型主要考虑土壤有机碳收入项
包括作 物残茬 和秸 秆还 田 、人 畜 粪便 及 其他 有 机 肥 ，土 壤有 机碳 支 出 项包 括 土 壤 呼 吸释 放 CO
， 、C淋 溶 和
CH 排放等。1998年内蒙古 自治区农 田土壤有机碳平衡组分见 图 l
，全区耕地土壤有机碳年亏缺 1335万 t．
即 处于 负 平衡 ，主要 表 现 为土 壤 以释 放 CO：的形 式 年支 出 18027J-t
，而 秸秆 还 田中年 仅 获得 194．62Yt，其
维普资讯 http://www.cqvip.com
88 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
盍
暴
杠
群
j}卜
5o0
O
一 15o0
— 2o0O
图 1 内蒙 古 自治 区 农 田土壤 有机 碳 平衡 状 况 (1998)
Fig．1 Soil carbon fluxes and net carbon balance in
agriculture soils in Inner Mongolia in 1998
中呼伦 贝尔盟和 兴安 盟地 区 土壤 有机碳 丢失量 最 大 ，分 别
占总丢 失量 的 33．42％和 18．56％ ，2地 区单位 面积 耕地 土
壤有机碳年减少量均高达 3500kg／hm 以上 (见表 1)，丢失
总量 和单位面积丢 失量均表 明这些 地 区土 壤有 机碳迅 速大
量丢失。阿拉善盟和锡林郭勒盟部分地区为大片沙漠和草
地 ，农业耕地数 量很 少 ，故 耕地土壤 有机碳丢失量极 少 。
2．3 不同状况模拟下耕地土壤 c平衡状况
秸秆还 田是土壤 有机 碳 的 主要 来 源 ，如秸 秆 还 田率 由
15％增 至 50％时 ，模 拟结 果 表 明年 土 壤 有机 碳 平 衡 数 由
一 1335万 t增至 一1125万 t，丢失量减少 15．7％；采取免耕
土壤有机 碳 丢 失 量 减 少 28．6％；人 畜 粪 便 还 田由 目前 的
20％减 为 0，土壤 有机 碳 丢失 量将 增 加 8．8％；而未 施用 化
肥土壤有机碳丢失量增加 3．1％；若气温升高 2℃和 412，其他条件不变 ，耕作 1年后土壤有机碳丢失量则进
一 步 增大 ，比1998年本 底 土壤 有机 碳 丢 失量 增 3J[I9．9％和 19．1％(见 表3)。在 水 资源 紧 缺 的北 方 干旱半 干
表 3 内蒙古 自治区不同状况模拟下农田生态 系统 c平衡状况
Tab．3 Model estimated results in cropland in Inner M ongolia
旱农牧交错区实施秸秆和人畜粪便还 田、合理施用化肥 、免耕等耕作措施均有助于土壤有机碳的积累，尤其
在该类区域应提倡实施免耕和合理的休耕措施。
3 小 结
内蒙古 自治区耕地 0～30cm土层土壤有机碳储量约为 46622．6万 t，在 目前农作制度下土壤有机碳库
处于严重负平衡 ，每年净丢失有机碳 1335万 t，尤其是呼伦贝尔盟和兴安盟的黑土地区土壤有机碳丢失严
重。为保持土壤有机碳平衡 ，迫切需要增加秸秆还田比例 ，提倡人畜粪便还田，增施有机肥和适量施用化肥
均有助于土壤有机碳 的积累，尤其在水资源紧缺的干旱半干旱农牧交错区大力提倡实施免耕和休耕等保护
性耕作措施，非常有助于土壤有机碳的积累。本研究表明 DNDC模型区域数据库的建立方法可行且模型运
行 良好 ，研究结果 反映 了该 区耕地 土壤 有机碳储量 的基本概况 和趋势 ，其 中一些敏感性参数设 置 尚需进一 步
核实 ，以求结果更 准确 。
参 考 文 献
1 国家统计局．内蒙古自治区统计年鉴(1999)．北京：中国统计出版社 ，1999
2 李长生 土壤碳储量减少：中国农业之隐患．第四纪研究，2000，20(4)：345～350
3 徐文彬，洪业汤 ，陈旭晖等．区域农业土壤 N2O释放研究—— 以贵州省为例．中国科学(D辑)，1999，29(5)：450～456
4 邱建军，唐华俊等 区域农业生态系统碳氮平衡研究—— 以国家尺度为例 ．农业资源利用与区域可持续发展研究
． 北 京 ：中 国人 口出
版社，2002．298～316
5 金 峰 ，杨 浩 ，赵其 国．土壤有机碳储量及影响因素研究进展，土壤，2000(1)：11～17
6 Li C．，Frolking S．，Graham J．Crocker，et a1．Simulating trendsin soil organic carbon in long．term experiments using the DNDC mode1
． Geo．
derm a，1997，81：45～ 60
7 Li C．，Frolking S ，Harriss R．Modeling carbon biogeochemistry in agricultural soils GIobal Biogeoc hemical Cycles
， 1994，8：237～ 254
8 Li C．Mod eling trace gas emissions from agricultural ecosystems
． Nutrient Cycling in Agroecosystems，2000，58：259～276
9 Smith P·，Smith J．U ．，Powlson D．S．，et al A comparison of the performance of nine soil organic matter mod els using datasets from seven
long-term experiments．Geoderma，1997
，81：153～225
10 Li C·，Frolking S．，Frolking T．A．A mod el of nitrous oxide evolution from s0il driven by rainfa11 events I
． Mod e1 structure and sensitivitv．I．
Geophys．Res．，1992，97：9759～9776
丁 —■～ 一一⋯⋯ 一
维普资讯 http://www.cqvip.com