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Dynamics of organic C in black soil of Northeast China,simulated by CENTURY model I.Accumulation of soil organic carbon under natural conditions

利用CENTURY模型研究东北黑土有机碳的动态变化Ⅰ.自然状态下土壤有机碳的积累



全 文 :利用 CENTURY 模型研究东北黑土有机碳的
动态变化 Ⅰ1 自然状态下土壤有机碳的积累 3
高鲁鹏1 ,2  梁文举1 ,2 3 3  姜 勇1  闻大中1 ,2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016 ;2 中国科学院研究生院 ,北京 100039)
【摘要】 应用 CEN TUR Y模型 ,对自然状态下的黑土有机碳库进行了模拟. 结果表明 ,在自然状态下 ,黑
土有机碳库经历了一个由快到慢的增长过程 ,经过长时间积累 ,趋向于稳定状态. 0~20 cm 表层土壤有机
碳总量最后稳定在 7 914172~11 672178 g·m - 2 . 黑土有机碳从北向南总的趋势是逐渐降低. 达到稳定状
态时 ,活性土壤有机碳库、慢分解土壤有机碳库和惰性土壤有机碳库分别占土壤全碳的 3136 %~4162 %、
50154 %~55147 %和 36147 %~41195 % ,可见慢分解和惰性组分库的增长对土壤有机碳库的积累起到了
重要作用. 模型模拟结果与已发表的实测结果比较接近 ,可以为进一步研究开垦后黑土有机碳变化提供依
据.
关键词  黑土  土壤有机碳  模拟
文章编号  1001 - 9332 (2004) 05 - 0772 - 05  中图分类号  S153  文献标识码  A
Dynamics of organic C in black soil of Northeast China ,simulated by CENTURY model I. Accumulation of soil
organic carbon under natural conditions. GAO Lupeng1 ,2 ,L IAN G Wenju1 ,2 ,J IAN G Yong1 , WEN Dazhong1 ,2
(1 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang 110016 , China ; 2 Graduate School of
Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (5) :772~776.
By using CEN TUR Y model ,this paper simulated the dynamics of organic carbon and its fractions ,including ac2
tive ,slow and passive pools ,in black soils under natural condition at Nenjiang ,Beian ,Hailun and Harbin in Hei2
longjiang Province and at Gongzhuling in Jilin Province. The results showed that soil organic carbon had increased
for a long time ,and tended to reach the steady state. In the steady state ,soil organic carbon reached 7914. 72~
11672. 78 g·m - 2 ,which decreased from north to south in general. The active ,slow and passive fractions were
3136 %~4. 62 %、50. 54 %~55. 47 % and 36. 47 %~41. 95 % of soil organic carbon pool ,respectively ,which
indicated that slow and passive fraction were the main body of soil organic carbon in native ecosystem. The simu2
lated results were in agreement with some observed results ,which can be used as the original data in the study on
the dynamics of soil organic matter after cultivation.
Key words  Black soil , Soil organic carbon , Simulation.3 国家重点基础研究发展规划资助项目 ( G1999011804204) .3 3 通讯联系人.
2003 - 09 - 12 收稿 ,2004 - 01 - 15 接受.
1  引   言
自然状态下 ,黑土植被为以杂类草群落为主的
草原化草甸植物 ,其植物生长繁茂 ,生物量全部归还
土壤 ,形成了富含腐殖质的黑土. 但是目前 ,绝大多
数黑土已开垦为农田 ,黑土区现在已经成为我国重
要的商品粮生产基地[18 ] . 开垦后 ,一方面大部分农
作物从土地上被移走 ,向土壤输入的有机物质大大
减少 ,另一方面 ,开垦使土壤中的有机质充分暴露在
空气中 ,土壤温度和湿度条件改变 ,极大地促进了土
壤呼吸作用 ,加速了土壤有机质的分解[1 ] ,因而土
壤有机碳大量损失. 土地利用方式对黑土有机质状
况的影响已成为学者关注的焦点. 精确估计土地利
用变化对陆地碳循环的影响是碳循环的核心问题之
一. 因此 ,作为土地利用变化对陆地碳循环影响研究
的组成部分 ,估算自然状态下黑土土壤有机碳的积
累 ,对黑土的碳循环、土壤肥力和土壤质量研究具有
重要意义.
土壤有机质模型能够模拟土壤有机质的变化规
律 ,已被广泛用于模拟土壤有机质的动态变化. 土壤
有机质模拟研究作为更好地理解和管理陆地碳循环
的一个重要组成部分 ,正获得承认. 同时 ,土壤有机
质模拟已经在当前大量的有关气候变化和全球碳循
环研究中起到了重要的作用[14 ] . 在当前众多土壤有
机质模型中[9 ,21 ] ,CEN TUR Y模型是应用比较广泛
的表征土壤有机质动态的模型. 它接纳了土壤有机
质分为 3 个库的理论 ,是从模拟草地生态系统发展
而来的 ,已通过许多学者的检验. 本文利用该模型 ,
研究自然状态下 (草地生态系统)东北黑土有机碳的
应 用 生 态 学 报  2004 年 5 月  第 15 卷  第 5 期                               
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,May 2004 ,15 (5)∶772~776
动态变化趋势 ,模拟了土壤有机碳的积累及 3 个土
壤有机碳组分库状况 ,为研究开垦后人为干扰下的
黑土有机碳的变化规律提供依据.
2  研究地区与研究方法
211  研究地区概况
黑土主要分布于我国黑龙江省中部 (约占黑土总面积的
81142 %)和吉林省中部 ,主要分布区域从北到南呈带状 [22 ] .
黑土区多为波状起伏的漫岗 ,坡度一般为 1~5°. 该地区夏季
温暖湿润 ,冬季严寒. 黑土具有明显的季节性冻层 ,年降雨量
多集中于生长季 (4~9 月) ,干燥度 ≤1. 原始自然植被为以
杂类草群落为主的草原化草甸植物. 植物生长茂盛 ,覆盖度
达到 100 % ,有机物的积累量很高 ,加之黑土成土于黄土性
粘土母质[6 ,7 ] ,这些都有利于土壤有机质的积累 ,形成了黑
土的高肥力 ,富含腐殖质的特性. 目前 ,该地区绝大部分黑土
已开垦为农田 ,已成为我国重要的商品粮基地.
由于黑土区呈南北狭长带状 ,各地区气候差异较大 ,土
壤有机碳的分布存在地区间差异 ,所以本研究选择黑龙江省
的嫩江、北安、海伦、哈尔滨和吉林省的公主岭的黑土作为重
点供试对象. 各研究地点的基本情况见表 1.
表 1  研究地点概况
Table 1 General situation of studied sites
研究地点
Study site
地理位置
Location
年平均温度
Annual average
temperature
( ℃)
年平均降水量
Annual precipitation
(mm)
嫩江 Nenjiang 49°10′N ,125°13′E - 016 50910
北安 Beian 48°13′N ,126°30′E 010 56313
海伦 Hailun 47°26′N ,126°58′E 115 56111
哈尔滨 Harbin 45°45′N ,126°35′E 313 57714
公主岭 Gongzhuling 43°31′N ,124°48′E 513 60719
212  研究方法
利用 CEN TUR Y模型 ,模拟自然状态下黑土表层 (0~
20 cm)土壤有机碳从无积累到稳定状态的过程 ;对这一过程
以多年平均气象条件 ,估算自然条件下的黑土有机碳库 ,并
模拟开垦前自然条件下黑土有机碳库的积累规律. 利用平均
气象资料的目的是为了简化条件 ,突出变量特征 ,便于揭示
内在规律[15 ] ,这样可以屏蔽气候波动所引起的不规则性.
CEN TUR Y模型开始是从草地生态系统发展而来的 ,现
在已经扩展到农业生态系统、森林生态系统及稀树大草原生
态系统 (savanna) [12 ] . 该模型已发展为模拟长期土壤有机质
动态变化、植物生长和养分 (N、P、S) 循环等. 该模型吸收了
将土壤有机质库划分为多个分室的建模思想 ,将土壤有机质
库分为活性土壤有机质 (active SOM) 、慢分解土壤有机质
(slow SOM) 、惰性土壤有机质 (passive SOM) 3 个库 ;将输入
土壤的植物残体分为代谢库和结构库 [13 ] . 每一个分室的土
壤有机碳的分解都遵循一级反应动力学方程 ,对于每一个分
室的土壤有机碳都有自己的最大分解速率 ,并受水分、温度
及其它外界因子的影响. 土壤粉粒和粘粒的含量影响活性库
的周转 (砂性土壤中周转速率高) 及活性库固定到慢性库的
效率 (粘性土壤中固定效率高) . 植物残体的木质素全部进入
慢分解库 ,其含量与 N 含量的比值决定了植物残体在代谢
库和结构库之间的分配. CEN TUR Y模型的详细内容可参看
Parton 等[13 ]的描述. 本研究利用的 CEN TUR Y 模型为 410
版本[10 ] .
该模型气象输入参数的时间间隔以月为单位 ,包括 :月
平均最高和最低气温 ( ℃) 、月平均降水量 (cm) . 其它输入参
数还包括土壤质地、土壤容重、死亡植物的养分含量和木质
素含量等[13 ] . 气象参数引自中国气候图 [2 ] ,土壤参数引自中
国东北土壤[6 ] 、黑龙江土壤[7 ] 和吉林土壤[17 ] 以及 Zeng
等[25 ]和汪景宽等[19 ]资料. 植物木质素含量参照模型提供的
方法求得[10 ] . Parton 等[12 ]和 Ojima 等[11 ]应用 CEN TUR Y模
型对世界主要类型草地群落的动态变化的拟合 ,以及肖向明
等[24 ]和李凌浩等[8 ]对我国锡林河流域草原群落碳的动态变
化的拟合 ,均得到了理想的结果.
3  结果与讨论
311  自然状态下黑土有机碳的估算
31111 活性土壤有机碳  CEN TUR Y模型将活性土
壤有机质定义为活的微生物和微生物产物[13 ] ,是土
壤中的活跃因子 ,虽然某一时刻数量较少 ,但其周转
速率较快 ,每年大量的土壤养分通过活性土壤有机
质库. 高云超等[5 ]通过对土壤微生物生物量周转期
的计算 ,得出每年通过微生物周转的土壤养分大于
作物吸收的养分 ,显然这一土壤有机质组分是植物
营养元素的活性库 ,对植物生长的短期养分供应起
到了重要的作用 ,且通过其周转推动了这些元素的
循环.
将相关参数代入 CEN TUR Y模型后 ,得到了图
1 所示的黑土表层活性土壤有机碳的变化情况. 从
图 1 可以看出 ,在最初积累阶段土壤有机碳变化曲
线斜率很大 ,表明活性土壤有机碳的积累速度很快.
经过初期的快速积累之后 ,活性土壤有机碳库增长
曲线斜率变小 ,说明积累速度大大降低. 黑土活性土
壤有机碳库经历了约 200~900 年左右的时间 ,达到
了稳定状态. 各研究地点达到稳定状态的时间顺序
为嫩江 (约 880 年) 、北安 (约 570 年) 、海伦 (约 530
年) 、哈尔滨 (约 290 年) 、公主岭 (约 200 年) ,显示出
黑土活性土壤有机碳达到稳定状态的时间从北向南
呈减少的趋势. 这种变化趋势与各研究地点的气象
因子变化趋势相反. 各研究地点活性土壤有机碳达
到稳定状态所需时间与年平均温度显著相关 ( r =
- 01931 , P < 0105) ,与年平均降水量极显著相关 ( r
= - 01969 , P < 0101) . 由于各研究地点积累速率不
同 ,在开垦前 ,各研究地点活性土壤有机碳库从北向
3775 期           高鲁鹏等 :利用 CEN TUR Y模型研究东北黑土有机碳的动态变化            
南分别达到 402193 (嫩江) 、402153 (北安) 、539163
(海伦) 、276173 (哈尔滨) 和 288155 g·m - 2 (公主
岭) ,除海伦含量偏高外 ,其分布特点为北高南低 ,但
这种变化并非依次递减的 ,可能是由于土壤微生物
对各种影响因素都比较敏感 ,受各地不同环境条件
综合影响所致.
图 1  活性土壤有机碳库的积累趋势
Fig. 1 Accumulation of active SOC pool.
Ⅰ. 海伦 Hailun , Ⅱ. 嫩江 Nenjiang , Ⅲ. 北安 Beian , Ⅳ. 哈尔滨
Harbin , Ⅴ. 公主岭 Gongzhuling. 下同 The same below.
31112 慢分解土壤有机碳  CEN TUR Y模型定义的
慢分解土壤有机质包括难分解的有机物质和土壤固
定的微生物产物 ,其周转时间因气候条件的不同而
异 ,为 20~40 年 ,或者再长一些[13 ] .
图 2  慢分解土壤有机碳库的积累趋势
Fig. 2 Accumulation of slow SOC pool.
  将相关参数代入 CEN TUR Y模型后 ,得到图 2
所示的黑土慢分解土壤有机碳的变化情况. 模拟结
果表明 ,慢分解土壤有机碳积累大约经历了几百年
的时间才达到稳定状态 ,嫩江约为 920 年、北安约为
590 年、海伦约为 740 年、哈尔滨约为 300 年、公主
岭约为 210 年. 慢分解土壤有机碳的积累趋势大体
与活性土壤有机碳相似. 在开垦前 ,黑土慢分解土壤
有机碳库达到了很高水平 ,各研究地点从北向南稳
定在 5 122197 (嫩江) 、5 292119 (北安) 、6 262177
(海伦) 、4 168109 (哈尔滨)和 4 142159 g·m - 2 (公主
岭) .
31113 惰性土壤有机碳  惰性土壤有机质是一类具
有对物理、化学分解作用具有较强抗性的有机
质[13 ] ,性质非常稳定. 由图 3 可见 ,惰性土壤有机碳
库的积累速度一直比较平缓 ,到 3000 年时 ,增长速
率已经非常缓慢 ,其含量水平与 5000 年时相差不
大. 到 5000 年时 ,惰性土壤有机碳库已接近稳定状
态.
在开垦前 ,黑土从北向南惰性土壤有机碳库达
到 4 021143 (嫩江) 、3 479130 (北安) 、4 436139 (海
伦) 、3 458169 (哈尔滨) 和 3 170169 g·m - 2 (公主
岭) . 除海伦惰性土壤有机碳含量较高外 ,其它地区
分布呈递减趋势.
图 3  惰性土壤有机碳库的积累趋势
Fig. 3 Accumulation of passive SOC pool.
31114 土壤全碳  CEN TUR Y模型中的土壤全碳除
了包括上述 3 个土壤有机碳库外 ,还包括土壤植物
残体. 文启孝等[23 ]报道 ,在一般已尽可能地挑去肉
眼能见的植物残体的耕地表土中 ,未分解和半分解
的植物残体约占土壤有机质总量的 6 %~25 % ,而
且黑土一般没有碳酸盐反应[7 ] ,所以黑土中的土壤
全碳即可认为是通常测定的土壤有机碳含量.
图 4 是利用 CEN TUR Y模型模拟的黑土 0~20
cm 表层土壤全碳的变化情况. 模拟结果表明 ,在黑
土有机碳积累的最初 200~900 年 ,土壤有机碳含量
迅速增加 ,之后 ,土壤有机碳库总量增长速率趋缓 ,
而此时慢分解有机碳库几乎达到了稳定状态 ,之后
几千年的增长还不到百分之一. 在最初阶段土壤有
机碳库迅速增长 ,慢分解土壤有机碳库的增长贡献
最大 ,所以各研究地点土壤全碳增长由快转慢的时
间就是慢分解土壤有机碳达到稳定状态的时间 ;在
以后长时间的积累过程中 ,主要靠惰性土壤有机碳
库的极缓慢增长.
在自然状态下 ,嫩江、北安、海伦、哈尔滨及公主
岭黑土 0~20 cm 表层土壤全碳分别达 9 916163、9
540137、11 672178、8 246161 和 7 914172 g·m - 2 . 各
477                    应  用  生  态  学  报                   15 卷
研究地点土壤全碳含量顺序是 :海伦 > 北安 > 嫩江
> 哈尔滨 > 公主岭. 在自然状态下 ,黑土达到稳定状
态时 ,土壤有机碳从北向南总的趋势是逐渐降低.
图 4  土壤有机碳库的积累趋势
Fig. 4 Accumulation of SOC pool.
  表 2 给出不同地点黑土有机碳各组分所占的比
例. 从表 2 可以看出 ,黑土中活性土壤有机碳库占土
壤全碳 3136 %~4162 % ,平均为 3198 % ;慢分解土
壤有机碳库占 50154 %~55147 % ,平均 52173 % ;惰
性土壤有机碳库占 36147 %~ 41195 % , 平均为
39141 %. 在各研究地点中 ,北安的活性、慢分解土壤
有机碳占土壤全碳比例最高 ,惰性土壤有机碳所占
比例最低 ;哈尔滨的活性、慢分解土壤有机碳占土壤
全碳比例最低 ,惰性土壤有机碳所占比例最高.
表 2  土壤有机碳各组分所占比例
Table 2 Proportion of SOC fractions( %)
土壤有机碳组分
SOC fractions
嫩江
Nenjiang
北安
Beian
海伦
Hailun
哈尔滨
Harbin
公主岭
Gongzhuling
活性土壤有机碳
Active SOC 4106 4122 4162 3136 3165
慢分解土壤有机碳
Slow SOC 51166 55147 53165 50154 52134
惰性土壤有机碳
Passive SOC 40153 36147 37197 41195 40108
  在自然状态下 ,植物生物量基本全部归还土壤.
黑土经历了一个有机物质输入大于输出的过程 ,使
土壤有机碳库逐渐积累. 当土壤有机碳库足够大 ,使
分解量与有机物质输入量大体相当时 ,土壤有机碳
库维持一个动态平衡. 土壤有机碳各组分库的输入
受到了植物生产力及分配比例的影响 ,而输出除了
与自身库容大小有关外 ,还受到气象及土壤等环境
因素的影响 ,所以土壤有机碳几个组分库的空间分
布只是大体呈随纬度从南向北减少的趋势.
312  模拟结果与有关文献报道结果的比较
表 3 给出了自然状态下各研究地点土壤全碳的
模拟结果换算成土壤有机质含量的结果及文献中已
报道的结果. 文献报道的结果中嫩江和北安的结果
为实测值 ,分别为 56189 [16 ] 、76103 [3 ] 、77158 [4 ] 和
127192 g·kg - 1 [20 ] ,海伦和公主岭的结果为估计值.
从比较结果可以看出 ,CEN TUR Y模型模拟土壤有
机质含量与文献报道的结果比较接近.
表 3  土壤有机质的模拟值与文献报道值的比较
Table 3 Comparison bet ween simulated and reported soil organic matter
( SOM) ( g·kg - 1)
项目
Item
嫩江
Nenjiang
北安
Beian
海伦
Hailun
哈尔滨
Harbin
公主岭
Gongzhuling
模拟值
Simulated SOM 82119 109165 100162 71109 62102
文献报道值
Reported SOM
56189
~76103 77158~127192 80~100 [18 ] 40~60 [17 ]
4  结   论
411  黑土有机碳积累大致可分为两个阶段 :初期的
快速积累阶段和后期的缓慢积累阶段. 活性土壤有
机碳和慢分解土壤有机碳积累速度较快. 积累初期 ,
慢分解土壤有机碳的贡献较大 ,之后随着惰性土壤
有机质在 3000 年以后接近稳定状态 ,从而使土壤有
机碳总量基本稳定.
412  CEN TUR Y 模型模拟结果表明 ,嫩江、北安、
海伦、哈尔滨及公主岭黑土 0~20 cm 表层土壤全碳
在开垦前分别达到 9 916163、9 540137、11 672178、
8 246161 和 7 914172 g·m - 2 ,相当于土壤有机质含
量为 82119、109165、100162、71109 和 62102 g ·
kg - 1 .在自然条件下 ,黑土达到稳定状态时 ,土壤有
机碳从北向南总的趋势是逐渐降低.
413  在稳定状态下 ,黑土 0~20 cm 表层活性土壤
有机碳库、慢分解土壤有机碳库、惰性土壤有机碳库
分别达到 276173~539163、4142159~6262177 和
3170169~ 4436139 g ·m - 2 , 分别占土壤全碳的
3136 %~4162 %、50154 %~55147 %和 36147 %~
41195 %.
414  CEN TUR Y模型对自然条件下的黑土有机碳
的模拟结果与该地区已有文献报道结果比较接近.
致谢  感谢美国科罗拉多州立大学自然资源生态实验室的
Cindy Keough 在应用 CEN TUR Y 模型中给予的关键性指
导.
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作者简介  高鲁鹏 ,男 ,1976 年生 ,博士研究生 ,主要从事农
业生态学研究 ,发表论文数篇. E2mail :lpg2004 @126. com
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