全 文 ：中国生态农业学报 2014年 1月 第 22卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2014, 22(1): 16−21


* 国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2010CB134509, 2011CB100506)、国家自然科学基金项目(40971152)和黑龙江省自然科学重
点基金项目(ZD200904)资助
** 通讯作者: 韩晓增, 主要从事黑土生态修复研究。E-mail: xzhan@neigaehrb.ac.cn
李海波, 主要从事土壤生态与环境化学研究。E-mail: harbourlee@126.com
收稿日期: 2013−04−25 接受日期: 2013-09-29
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.30411
不同土地利用和施肥方式下黑土碳平衡的研究*
李海波1,2 韩晓增2**
(1. 吉林农业科技学院植物科学学院 吉林 132101; 2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所海伦农田生态系统国家野外
观测研究站 中国科学院黑土区农业生态重点实验室 哈尔滨 150081)
摘 要 本研究进行了东北黑土不同土地利用(草地 GL、裸地 BL)与农田施肥管理方式(无肥 NF、化肥 NPK
及化肥+有机肥处理 NPKOM)下草本植物与作物净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)以及土壤碳排
放的估算 , 目的是揭示自然与农田生态系统及经过土壤−大气界面的碳收支平衡。土壤生长季碳排放总量
(Rgs)、全年碳排放总量(Rann)以及全年微生物异养呼吸总量(Rm)以如下顺序递减: NPKOM>GL>NPK>NF>BL, 5
个处理之间存在显著差异(P<0.05), 但是草地与农田化肥+有机肥处理之间差异不显著(P>0.05)。净初级生产力
表现: GL>NPKOM>NPK>NF>BL, 5个处理之间存在显著差异(P<0.05)。草地总生物量及固碳量显著高于农田
各处理(P<0.05), 草地 NPP 总量与农田各处理相比增加 32%~96%。化肥+有机肥处理和化肥处理 NPP 总量比
无肥处理高 46%和 49%。草地与农田的 NEP 均为正值, 表明草地与农田在生态系统尺度上均是大气 CO2的
“汇”。对大气−土壤界面碳平衡的分析表明, 当前管理方式下, 草地土壤是大气碳库的净汇, 而裸地和农田土
壤是净源。农田不同施肥处理土壤有机碳含量呈下降趋势, 但增加有机肥的投入可增强土壤的固碳容量, 达到
新的碳平衡。
关键词 黑土 生态系统 土壤碳平衡 净初级生产力 净生态系统生产力 土地利用 施肥
中图分类号: S154.4 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)01-0016-06
Estimation of carbon balance under different land uses and long-term
fertilizations in black soils of Northeast China
LI Haibo1,2, HAN Xiaozeng2
(1. College of Plant Sciences, Jilin College of Agricultural Science and Technology, Jilin 132101, China; 2. Key Laboratory of
Mollisols Agroecology, Chinese Academy of Sciences; National Observation Station of Hailun Agroecology System, Northeast
Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Harbin 150081, China)
Abstract Soil carbon pool is an important component of terrestrial ecosystem with higher carbon storage and the atmospheric CO2
pool compensation capacity via CO2 flux from soil surface, which is of great significance to global carbon cycle and carbon budget.
Therefore tiny changes in soil carbon pool have a strong impact on atmospheric CO2 concentration. This study aimed to assess
carbon budget at ecosystem scale by comparing soil carbon efflux, net primary productivity (NPP) and net ecosystem productivity
(NEP). The assessment was done through soil-atmosphere interface analysis as influenced by land use change and long-term
fertilization in croplands of maize-soybean-wheat rotation system in the black soils of Northeast China. The land use types were
grassland (GL) and bareland (BL) and farmlands with three long-term fertilization patterns including non-fertilization (NF), nitrogen,
phosphorus and potassium fertilization (NPK), and organic manure amended NPK (NPKOM). Static chambers used to collect gas
samples in cropland treatments were of two types — one used to collect gas samples from whole soils and the other to collect gas
samples from non-rhizospheric soils. Soil carbon flux was determined by CO2 concentration detection in a gas chromatograph
(Shimadzu GC—2010) equipped with a flame ionization detector (FID). The annual cumulative CO2 flux was calculated based on
soil CO2 flux rate. The three-year averaged annual carbon flux (Rann) and annual microbial respiration (Rm) decreased in the order of
第 1期 李海波等: 不同土地利用和施肥方式下黑土碳平衡的研究 17


NPKOM > GL > NPK > NF > BL. In addition, significant difference was noted in Rann and Rm among the five experimental
treatments (P < 0.05). However, no significant difference was observed between grassland and NPKOM plots (P > 0.05) in terms of
soil CO2 fluxes. For cropland treatments, Rann and Rm were significantly (P < 0.05) higher in NPKOM than in NPK and NF. However,
no significant difference was found in annual carbon flux in root-free soils (Rrfann) among the three cropland treatments. Total
biomass and carbon sequestration in grassland was significantly (P < 0.05) higher than that in other four plots. This was particularly
so for grass roots which sequestered 10−20 times of carbon as against cropland treatments. NPP decreased in the order of GL >
NPKOM > NPK > NF > BL, with a significant difference among the five treatments (P < 0.05). Grassland NPP increased by
32%−96% compared to cropland treatments. Also NPPs of NPKOM and NPK were respectively 46% and 49% higher than that of NF.
NEP was positive for grassland and cropland, indicating net sinks of atmospheric CO2 at the ecosystem scale. For cropland, carbon
sequestration under NPKOM was not significantly (P > 0.05) higher than that under NPK. This was due to the “priming effect” of
organic amendment resulting in increased soil respiration and a significant decrease in NEP. In terms of carbon balance through
soil-atmosphere interface, grassland soil was the net sink under realistic management practices. In contrast, bareland and cropland
soils served as the net sources. To date, carbon storage in arable soils tends to decline. However, increase in organic input could
enhance carbon sequestration and thereby attain a new carbon equilibrium.
Keywords Black soil; Ecosystem; Soil carbon budget; Net primary productivity; Net ecosystem productivity; Land use;
Fertilization
(Received Apr. 25, 2013; accepted Sep. 29, 2013)
土壤碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分,
具有较大的碳储量, 并具有通过土壤表面 CO2 流通
补充大气碳库的能力, 对全球碳循环及碳平衡具有
重要意义。土壤碳库的微小变化会强烈影响大气
CO2浓度的变化[1]。土地利用方式转变和长期施肥强
烈影响土壤碳的固持和排放, 进而改变土壤碳库稳
定性[2]。因此, 人们相信采取诸如退化土壤自然恢复
及改变农业管理方式等措施可显著提高土壤固定大
气 CO2的能力[3]。
陆地生态系统通过光合作用固定大气 CO2, 固
定的碳进入植物生物量和土壤, 以及呼吸作用与有
机质分解所导致的碳排放等相关过程而与大气 CO2
水平紧密相连[4]。土地利用方式的变化和植被覆盖对
土壤 CO2排放具有显著影响[5]。土地管理和植被转换
强烈影响土壤碳固定和 CO2 排放的方向和数量[6]。
从自然生态系统到农田生态系统的转变导致土壤有
机碳和养分含量降低, 温室效应加剧[7]。但是, 这些
损失可通过减少耕作、裸地休闲、增加植物残体输
入, 以及转变为多年生植被等可持续性管理措施来
加以补偿[8]。
东北黑土是最肥沃和最具生产力的草甸草原植
被土壤 , 开垦百年来 , 土壤性质发生了剧烈变化 ,
农业措施和土壤管理决定了黑土是大气 CO2的源还
是汇。但是, 量化东北寒冷地区土地利用和土壤管
理措施的变化所引起的农田和草地土壤的碳积累及
碳损失之间平衡的相关信息还很有限。因此, 本研
究通过对自然植被恢复和长期施肥管理方式下东北
黑土农田作物净初级生产力和净生态系统生产力的
估算 , 揭示农田生态系统水平及经过土壤−大气界
面的碳收支平衡。
1 材料与方法
1.1 试验区概况和试验设计
本研究基于中国科学院东北地理与农业生态研
究所海伦农田生态系统国家野外科学观测研究站的
长期定位试验, 于 2006—2008年进行。该区地理位置
为 N 47º26′, E 126º38′, 海拔 240 m, 年均温度 1.5 ℃,
年均降雨量 550 mm, 无霜期 120 d。土壤为中厚黑土。
植物、土壤与气体样品从如下3个生态系统采集: Ⅰ.
草地(grassland, GL): 1985年退耕休闲, 面积约 1 hm2, 草
原化草甸植被自然恢复; Ⅱ. 裸地(bareland, BL): 1985年
退耕休闲, 面积约 0.7 hm2, 植物生长季定期将植物地上
部铲除, 模拟无植被覆盖下黑土退化过程; Ⅲ. 农田生
态系统, 是 1990年开始的长期定位试验, 为玉米−大豆−
小麦轮作, 小区面积约60 m2, 4次重复, 2006—2008年种
植作物分别是玉米、大豆、小麦。农田生态系统设置了
以下 3 种施肥处理: 1)无肥处理(non-fertilization, NF),
不施肥料; 2)单施化肥处理(chemical fertilizer application,
NPK), 施肥量为: 玉米 112.5 kg(N)·hm−2, 45 kg(P2O5)·hm−2,
30 kg(K2O)·hm−2; 大豆20.25 kg(N)·hm−2, 51.75 kg(P2O5)·hm−2,
18.75 kg(K2O)·hm−2; 小麦112.5 kg(N)·hm−2, 45 kg(P2O5)·hm−2,
30 kg(K2O)·hm−2; 3)化肥 +有机肥处理 (chemical
fertilizer + organic manure application, NPKOM), 化肥施用
量同NPK处理, 每种作物的有机肥均为 3 750 kg·hm−2。
1.2 测试与分析方法
田间原位(in situ)采集气体样品于 2006—2008
年分植物生长季节和非生长季节进行。两个季节的
采样强度有区别。农田 CO2排放通量测定采用两种
静态封闭箱法 [9], 一种用于测定全土土壤呼吸 , 包
18 中国生态农业学报 2014 第 22卷


括根际和非根际土壤呼吸之和, 另一种专用于测定
非根际土壤呼吸。土壤 CO2排放特征及其驱动因素
以及累积 CO2排放通量的测定参见 Li等[9]的方法。
植物及作物生长季每周观测 2次至 10月末, 非生长
季每 15 d观测 1次。本研究中土壤总碳排放量和非
根际土壤碳排放量为 2006—2008年平均值。
为了简化分析和讨论, 本研究中净初级生产力
(net primary productivity, NPP)为收获草地草本植物
及农田作物的全部生物量的 3 年均值。净生态系统生
产力(net ecosystem productivity, NEP)根据 Woodwell
等[10]提出的概念, 数值为 NPP与土壤微生物异养呼吸
释放碳量(Rm)的差值, 即 NEP=NPP−Rm。微生物异养
呼吸总量(Rm)根据黄斌等[11]提出的经验表达式计算:
Rm = Rs×0.865 (1)
式中, Rs为土壤总累积呼吸碳量(3年均值)。
根据 Huggins 等[12]提出一个经验方程来估算土
壤碳的动态变化:
dCs/dt = hA − kCs (2)
式中, Cs为土壤有机碳含量, t为时间, A为单位时间
进入到土壤的有机碳量, h 为腐殖化系数[13], k 为单
位时间内土壤有机碳的矿化速率。本研究中 kCs 定
义为非根际土壤呼吸的碳量。
1.3 统计分析
文中数据用 SPSS 16.0 软件进行单因素方差分
析和相关分析, 用 Duncun (SSR)方法分析处理间平
均数在 P<0.05和 P<0.01水平的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 不同土地利用和农田不同施肥方式下黑土土
壤的碳排放
不同土地利用与农田施肥管理方式下植物生长
季土壤碳排放总量(Rgs)、全年碳排放总量(Rann)以及
全年微生物异养呼吸总量 (Rm)以如下顺序递减 :
NPKOM>GL>NPK>NF>BL, 方差分析显示 5个处理
之间存在显著差异(P<0.05), 但是草地与农田化肥+
有机肥处理差异不显著(P>0.05)(表 1)。对于农田的
3 个施肥处理, 化肥+有机肥处理的全年碳排放总量
以及全年微生物异养呼吸总量显著高于其他 2 个处
理; 但是农田 3 个处理的全年非根际土壤碳排放总
量并无显著差异, 表明土壤碳排放主要受植物根系
的影响。对所有试验区, 生长季土壤碳排放总量平
均占全年碳排放总量的 91%; 土壤全年非根际土壤
碳排放总量表现为 BL>NPKOM>NPK>NF。草地根际
土壤碳排放与非根际土壤碳排放量的测定需要很复杂
的技术, 而且测定结果误差可能会很大; 但是根据以
往研究结果, 温带草地土壤自养呼吸大约占土壤总呼
吸的 45%[14], 由此估算草地非根际土壤碳排放总量大
约为 3 115 kg(C)·hm−2, 高于其他 4个试验区。
表 1 草地、裸地与农田不同施肥处理下黑土土壤的碳排放
Table 1 Carbon fluxes of black soil from grassland, bareland and croplands with different fertilization treatments kg(C)·hm−2
处理
Treatment
生长季土壤碳
排放总量
C flux during
growing seasons
全年土壤碳
排放总量
Annual C flux
全年微生物
异养呼吸总量
Annual microbial
respiration
生长季非根际土
碳排放总量
C flux from root-free soil
during growing seasons
全年非根际土
碳排放总量
Annual C flux from
root-free soil
GL 4 307±233ab 4 786±257ab 4 140±215ab — —
BL 2 025±145c 2 250±187c 1 946±144c 1 946±145a 2 162±177a
NF 3 273±253b 3 193±233bc 2 762±188c 967±156b 1 074±169b
NPK 3 802±198b 4 224±233b 3 654±178b 1 023±178b 1 137±189b
NPKOM 4 965±114a 5 516±122a 4 772±123a 1 176±146ab 1 307±132b
GL: 草地; BL: 裸地; NF: 农田不施肥; NPK: 农田施化肥; NPKOM: 农田施化肥+有机肥。数据为平均数±标准差, 同列不同字母表示在
P<0.05水平差异显著, 下同。GL: grassland; BL: bareland; NF: farmland without fertilization; NPK: farmland with chemical fertilization; NPKOM:
farmland with chemical fertilization and organic manure application. Data are means ± SD. Different letters in the same column represent significant
difference at P < 0.05. The same below.

2.2 不同土地利用和农田不同施肥方式下黑土生
物量积累与碳固定
草地植物与农田 3 种作物生物量积累见图 1。
草地生物量显著高于其他 4个处理(P<0.05), 而裸地
几乎无生物量积累。农田各处理生物量变化表现为
NPKOM≥NPK>NF; 农田施用有机肥并没有使总生
物量增加, 地上部植株生物量略低于化肥处理, 籽
粒生物量则略高于化肥处理(1.9%)。ANOVA结果表
明, 两个处理之间在总生物量、根生物量和籽粒产
量上都没有显著差异(P>0.05)。
表 2 显示草地植物与农田作物(平均值)植株不
同部位固碳量。草地植物与作物不同部位碳固定量
根据积累生物量与对应部位的含碳量计算而得到。
草地固碳量显著高于其他 4个处理(P<0.05), 而裸地
无碳固定。草地植物的实测含碳量(%)虽低于农田(数
据未给出), 但并无显著差异。草地植物根系成为庞大
的大气碳汇, 其固碳量是农田各处理 12~20 倍。草地
植物地上部固碳量分别高于农田各处理 27%~77%。
第 1期 李海波等: 不同土地利用和施肥方式下黑土碳平衡的研究 19



图 1 草地、裸地与农田不同施肥处理下植物地上部、
根系与总生物量
Fig. 1 Biomass of aerial part, root and total plant of grassland,
bareland and croplands with different fertilization treatments
RB、AB、SY、TB分别表示根系、地上部、玉米籽粒和总生物
量。RB, AB, SY and TB represent biomass of root, aboveground, maize
seeds and total biomass, respectively.
表 2 草地、裸地与农田不同施肥处理下植物根系、地上
部及籽粒碳固定量
Table 2 Carbon sequestration in roots, aerial part and seeds of
plants under grassland, bareland and croplands with different
fertilization treatments kg(C)·hm−2
处理
Treatment
根
Root
地上部
Aerial part
籽粒
Seed
GL 3 444±1 134a 3 428±1 916a —
BL — — —
NF 174±45b 1 938±313b 1 397±289a
NPK 242±78b 2 708±488b 2 157±276a
NPKOM 301±54b 2 666±297b 2 247±334a

裸地因定期铲除植被, 几乎无固碳能力。农田化肥+
有机肥处理根系生物量和固碳量比化肥处理分别高
39%和 24%, 增幅比较明显。化肥+有机肥处理地上
部(秸秆)生物量和固碳量分别比化肥处理低 21%和
20%, 籽粒固碳量则高于化肥处理 , 但没有显著差
异。无肥处理作物各部位固碳能力明显低于 2 个施
肥处理。
2.3 生态系统碳平衡
本研究中以农田作物的根系、地上部和籽粒的
生物量总和作为净初级生产力(NPP), 草地 NPP 包
括草本植物地上部和地下部的全部生物量(图 2)。对
所有试验区, NPP 表现为: GL> NPKOM>NPK>NF,
裸地几乎无 NPP形成。草地 NPP总量与农田各处理
相比分别增加了 32%~96%。化肥+有机肥处理和化肥
处理 NPP 总量比无肥处理高 46%和 49%, 但 2 个施
肥处理之间没有显著差异(P>0.05)。
Woodwell 等 [10]提出了净生态系统生产力(net
ecosystem productivity, NEP)的概念, 以研究陆地生
态系统的源汇关系问题, 其数值为 NPP 与土壤微生
物异养呼吸释放碳量的差值 , 即 NEP=NPP−Rm。

图 2 草地、裸地与农田不同施肥处理下年净初级生产力
(NPP)和净生态系统生产力(NEP)的估算
Fig. 2 Estimation of annual net primary productivity (NPP)
and net ecosystem productivity (NEP) of grassland, bareland
and croplands with different fertilization treatments
NEP 如果为正值, 则认为该生态系统为大气 CO2的
“汇”, 反之, 则该生态系统为大气 CO2的“源”。根据
经验方程(1)[11], Rs 在本研究中为植物生长季土壤累
积呼吸释放碳量。图 2显示草地与农田 NEP均为正
值 , 表现为 GL>NPK>NF>NPKOM>BL, 表明草地
与农田在生态系统尺度上均是大气 CO2的“汇”。草
地碳汇强度高于农田所有处理 , 约是化肥+有机肥
处理的 6 倍, 化肥处理和无肥处理的 2 倍和 4 倍。裸
地因几乎无固碳潜力, 是大气碳库的净“源”。农田不
同施肥管理条件下, NEP 以化肥处理最高, 大约是无
肥处理的 2倍, 化肥+有机肥处理的 3.4倍。需要指出
的是化肥+有机肥处理因施用有机肥 3 750 kg·hm−2
[含碳 17.2%, 输入碳量为 645 kg(C)hm−2], 所产生的
“激发效应”促使土壤呼吸速率增强[15]。有机肥输入
的碳量并不包括在 NEP 里, 因此, 施用有机肥处理
的 NEP被明显低估。
2.4 土壤−大气界面碳平衡
土壤有机碳含量的动态变化取决于输入到土壤
中的有机物质数量及其转化成为土壤有机质的量
(腐殖化系数)和土壤有机碳的矿化速率。根据方程
(2)[12], 当土壤有机碳含量不再变化, 即 dCs/dt=0时,
土壤有机碳含量达到平衡状态。当 dCs/dt>0, 即
Csdt<0, 即 Cs>hA/k时, 土壤有机碳含量呈下降趋势。
达到平衡状态时, Cs=hA/k[13]。假定 hA 为进入土壤
的作物根碳量和施入有机肥的碳量, kCs为土壤有机
质分解释放碳量, 本研究中假定为非根际土壤(土体)
呼吸释放碳量, 根据上述方程粗略估算, 草地碳年
变化率为正值, 表明草地土壤碳库储量呈增加趋势;
相反, 裸地因无碳输入其有机碳库呈长期匮缺状态
(图 3a)。农田无肥、化肥和化肥+有机肥处理在只有
根系归还土壤时 (作物根系腐殖化系数参见文献
[13]), 土壤有机碳的年变化率 (dCs/dt)分别为−900
20 中国生态农业学报 2014 第 22卷


kg(C)·hm−2、−895 kg(C)·hm−2和−361 kg(C)·hm−2(图
3a), 表明土壤有机碳含量均处于下降趋势。化肥+
有机肥处理所施入的有机肥数量过少, 不足以补偿
土壤损失的碳量, 但增加有机肥施用量, 土壤有机
碳可以更快达到新的动态平衡(dCs/dt>0)。图 3b 显
示, 假设将地上部秸秆的 25%还田(秸秆腐殖化系数参
见文献[13]), 则农田无肥、化肥和化肥+有机肥处理土
壤有机碳的年变化率(dCs/dt)分别为−416 kg(C)·hm−2、
−218 kg(C)·hm−2和 304 kg(C)·hm−2, 化肥+有机肥处
理土壤有机碳达到平衡, 并略有增加, 化肥和无肥处
理碳匮缺状态并无改善; 如果实现秸秆的 50%还田,
农田 3个处理土壤有机碳的年变化率(dCs/dt)分别为 69
kg(C)·hm−2、458 kg(C)·hm−2和 971 kg(C)·hm−2, 农田无
肥处理达到土壤碳平衡, 化肥处理和化肥+有机肥处理
土壤有机碳含量明显提高, 但因输入大量有机物质为
作物提供的养分超过作物所需, 将会造成资源浪费。

图 3 草地、裸地与农田不同施肥处理下土壤−大气界面碳平衡估算
Fig. 3 Estimation on carbon balance through soil−atmosphere interface under grassland, bare land and croplands with different
fertilization treatments
R+1/2S和 R+1/4S分别代表根系加 1/2秸秆和根系加 1/4秸秆还田 R+1/2S and R+1/4S represent 50% and 25% of straws together with root
residues returned to fields.

3 讨论
土壤呼吸向地球大气排放 CO2的量是决定陆地
生态系统碳平衡的主要因子, 是土壤碳与大气 CO2
快速交换的主要形式[16], 土壤碳库是陆地生态系统
的主要组成部分, 因此, 研究土壤有机碳库储量及
其与大气 CO2 的动态平衡, 对全球变化研究意义重
大。农田生态系统是人类扰动最频繁, 也是对人类
各种管理措施最敏感的生态系统。目前迫切需要了
解我国农业土壤在最近 20 年来的碳库演变态势与
规模, 明确我国农业土壤的固碳潜力与容量, 在国
家层面上实施农业固碳稳产工程, 以在农业可持续
发展和争取国家排放的较大配额上实现双赢[13]。
对于自然生态系统 , 如草地 , 植物死亡后 , 残
体仍会留在系统内, 表现出极强的碳汇特征。相比
之下, 农田生态系统随着作物的生长, 地上部生物
量不断增加; 当作物成熟时, 地上部生物量因收获
而突然下降。本研究中长期定位试验的不同施肥处
理表现出较强的固定大气 CO2 能力, 但是随着地上
部秸秆和籽粒等收获物移出系统, 这些收获物离开
系统增加了农田生态系统碳收支平衡的不确定性。
与单施化肥相比, 长期施用有机肥没有显著提高作
物总生物量和 NPP, 即通过光合作用截存的大气碳
量没有明显增加, 但有机肥的“激发效应”却使土壤
呼吸释放的碳量增加, 降低了 NEP, 因而改变了生
态系统碳平衡。尹云锋和蔡祖聪[17]研究表明, 潮土
有机肥处理因输入大量新鲜有机物质, 促进了土壤
原来有机碳的分解, 而且新形成的有机碳的分解速
率明显快于土壤原有机碳。农田 3 个处理非根际土
壤累积呼吸碳量的大小顺序是 NPKOM>NPK>NF,
表明施肥促使土壤原有机碳的分解。黄斌等[11]的研究
结果表明, 秸秆还田条件下, 因返还农田有机质数量
增加, 作物生长季土壤呼吸释放碳量高于秸秆不还
田处理; 秸秆不还田处理虽然表现出较强的“汇”特
征, 但从农田中移走的作物秸秆可能通过焚烧等其
他途径更快地以 CO2 形式返回大气, 而且秸秆还田
将更多碳累积于农田碳库中, 有利于提高农田生态
系统在减缓温室气体浓度升高过程中所发挥的作用。
土壤有机碳含量的动态变化取决于输入到土壤
中的有机物质数量及其转化成为土壤有机质的量
(腐殖化系数)和土壤有机碳的矿化速率。土壤碳排放
量与土壤有机碳含量呈正相关[9], 而且与 NPP 也呈
正相关。提高植物生产力的措施同样会增加土壤碳
输出, 如长期施肥。农田长期施用有机肥提高了物
质输入, 也增加了土壤微生物的底物, 因此微生物
活性提高 , 继而加强了土壤呼吸强度。根据方程
(2)[12]粗略估算, 农田无肥、化肥和化肥+有机肥处理
在只有根茬归还土壤时 , 土壤有机碳的年变化率
第 1期 李海波等: 不同土地利用和施肥方式下黑土碳平衡的研究 21


(dCs/dt)均为负值, 表明土壤有机碳含量均处于下降
趋势, 表现出“源”特征; 但因未考虑植物光合产物
进入土壤形成的根系沉积碳, 上述数据的绝对值可
能被高估。本研究的不足之处在于无法测定根际相
关的碳动态过程。此外, 化肥+有机肥处理所施入的
有机肥数量过少, 不足以补偿土壤损失的碳量, 需
增加有机肥施用量, 土壤有机碳方可达到新的动态
平衡。如果实施秸秆还田, 增加有机物质的输入量,
农田 3 个处理土壤有机碳能够达到新的动态平衡,
但有机物质的输入量超过生态系统所需会造成资源
浪费。
4 结论
对所有试验区, 生物量和净初级生产力表现为
GL>NPKOM>NPK>NF>BL, 农田经过自然植被恢
复后具有强大的固定大气 CO2 能力, 草本植物根系
的固碳能力是农田作物根系的 12~20倍。农田化肥+
有机肥处理与化肥处理相比, 并没有显著提高固碳
量和净初级生产力 , 但因输入有机肥引起“激发效
应”, 导致土壤呼吸增强和净生态系统生产力显著下
降。草地与农田各处理因净生态系统生产力为正值
而成为大气碳库的净“汇”, 而裸地则是大气碳库的
净“源”。
土壤−大气界面碳平衡分析表明 , 草地土壤碳
库呈增加趋势。在目前的农田管理方式下, 土壤有
机碳含量持续下降, 远离土壤−大气界面碳平衡, 但
施适量有机肥或秸秆还田等措施可提高土壤碳库储
量, 土壤有机碳可达到新的平衡点。
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