陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分，土壤是陆地表面最大的碳库，它包括土壤有机碳库和无机碳库两大部分，由于土壤无机碳库的更新周期大约为8500年，因而土壤有机碳库在全球变化研究中显得更为重要。本节主要讨论土壤有机碳库及其相关的环境影响问题。

一、土壤有机碳库

(一)土壤有机碳库的重要性

1．对环境的影响

土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，对全球气候变化和人类生存环境有着重要的影响。据估计，全球陆地土壤碳库量约为1300～2000 Gt C(1 Gt=10¹⁵ g)，是陆地植被碳库500～600 Gt C的2～3倍，是全球大气碳库750 Gt C的2倍多，因此土壤碳库在全球碳平衡及循环中起着举足轻重的作用，在温室气体中除了N₂O外，均与碳的循环有关。

土壤有机质是土壤有机碳库的重要来源，不同土壤表层中有机碳的平均停留期受土壤有机质的性质、数量、腐殖质的特性以及环境条件等影响，大约为100～300。年。然而，进入地质大循环的土壤碳的周转时间则可达几百万年甚至几亿年，远远长于大气碳库和陆地植被碳库，可见土壤碳库在生物地球化学碳循环中周转速度最慢。因此，土壤在碳循环过程中充当“储存库(汇)”的功能，对减缓大气CO₂浓度上升具有重要意义，尽管各圈层间碳的交换还缺乏确定的资料，但有研究表明，陆地生态系统的净碳汇(C)大约为2 Gt Cl/a。

泥炭土、沼泽土和水稻土中逸出的甲烷是大气中甲烷的主要来源之一。水稻土面积的扩大增加了大气中甲烷的浓度。泥炭地作为农业利用时需要排水，这将改善土壤的通气性，从而加速泥炭的微生物降解；泥炭地的疏干，特别是热带雨林的开垦，将显著增加土壤中二氧化碳净逸出量，增加大气中二氧化碳的浓度，大气中甲烷和二氧化碳量的增加会通过温室效应而使气候变暖。

土壤圈是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈共同作用的界面，土壤是陆地生态系统生物循环和生物地球化学循环过程中的重要介质和枢纽；同时土壤在水循环过程中的作用决定了陆地河流向海洋输出碳量的形式和通量。

2．对土壤性质的影响

土壤中各种有机化合物影响黏粒矿物的组合、土粒的聚集状态、离子的移动、土壤持水量、通气性和盐基交换等各种性质。一些易溶性的中间分解产物具有溶解铁、锰等金属离子或与之配位的能力，从而加速这些金属离子在剖面中的移动二当有机质氧化后，这些配合态金属离子可以沉淀态析出，从而形成了水稻土等土壤剖面中的铁、锰淀积和淋溶层，在热带水稻土中的20～30 cm处甚至常形成一坚硬的不透水的铁盘层。易溶性有机物对金属离子的溶解、配位反应可显著提高铜、锰、铁和锌等离子的有效性。麦根酸与铁的配位反应有利于铁进入植物体，从而可有效地克服缺铁症。许多湿草原土壤由于其深厚的腐殖质层(有机质6％～8％)而具有良好的生产力。

3．对土壤氮、硫和磷循环的影响

土壤中物质和能量的循环强度不仅影响到土壤的碳排放，同时也影响到陆地植被的养分供应。土壤碳循环是土壤氮、硫和磷循环的驱动因子，只有在适宜于土壤有机碳积累的条件下，才会有有机氮、硫和磷含量的增多；另一方面，土壤有机碳的矿化将伴随着有机氮和碳键硫的矿化。硫酶和有机磷虽不随有机碳的矿化而矿化，而受制于另外的机制，但因碳键硫的矿化而影响硫酯的矿化。若土壤退化是由于有机碳损失引起的，则碳和氮的损失将较有机磷的损失多，硫酯的损失在一定程度上也较碳和氮少；如因硫或磷的损失而引起土壤退化时，碳和氮的损失将较硫和磷的损失少。

(二)土壤有机碳储量、分布和密度

1．土壤有机碳堵量及分布

对全球土壤碳库储量的估算，由于缺乏一个统一的土壤分类系统，对不同土壤类型和植被类型面积的估计不够准确，因而目前尚无较为一致的数值。一个较为普遍接受的全球土壤碳储藏量的估计值为1500 Gt C。在主要的碳库中，大气碳库最小(750 Gt C)，深水海洋碳库最大(38000 Gt C)，陆地碳库居中(2050 Gt C)，其中73％以土壤有机质的形态储存在土壤中。

潘根兴(1999)计算了中国土壤有机碳库的总储量大约为44.5 Gt C。考虑到第二次土壤普查总计调查面积占我国国上面积的91％，因此，我国土壤有机碳库约可达50 Gt C，相当于全球1500～2000 Gt C的1/40-1/30，主要分布于华北、西北。但以单位面积土壤计，有机碳储量以东北最丰富，达1.6×10⁴ t/km²，而以华北及西南较少，尤其华北是农业区，土壤有机碳储量只有2.7×10³t/km²，为东北的1/6，表层土壤有机碳库相当贫乏。

土壤有机碳的储藏量在不同生态系统的土壤中和不同类型土壤中的分布是不同的，它取决于土壤的植被类型、面积以及单位面积的土壤碳密度。从植被类型上分，一般沙漠、热带雨林及稀疏草原等所占比例较高的地区，相应的土壤碳储藏量的比例较小，而湿地与此相反(Past et al. 1982)。由于土壤类型和植被类型之间并非一一对应，所以已有的关于土壤有机碳在不同生态系统土壤中和不同类型土壤中储量的报道之间难以比较。有机土的面积比例最低，但土壤有机碳储量比例最高，而干旱土与之相反(表3-1)，这两者大致相当于湿地和沙漠植被。在不同研究者的估计中，面积和碳密度是引起误差的最主要原因，这取决于研究者所选用的土壤图和土壤数据的来源。

表3-1 全球土壤中的有机碳储量

森林生态系统为地球陆地生物圈最大的碳储库．全球森林地上部碳库为360～480 Gt C，而相应的土壤碳达790～930 Gt C，即分别占全球地上部碳的80％左右和全球土壤碳库的70％左右。温带森林土壤和农业土壤可能是大气CO₂浓度的主要调节者。

2．土壤有机碳密度

土壤有机碳密度是指单位面积(1 m²或1 hm²)中一定厚度土层有机碳的数量。由于土壤有机碳主要分布于表层1 m深度以内，一般情况下指的是上部1米的土层。有机碳密度(C)的单位常用kg/m²或kg/hm²，它已成为评价土壤巾有机碳量的一个重要指标。

在一定地区，植物生物量和残落物量在很大程度上受植被类型及其生产力的制约，土壤有机碳密度或浓度大小与气候条件如温度和水分密切相关，而在全球尺度上的土壤碳密度分布也应与各地区的气候特征密切关联。Post等(1982)计算了全球土壤有机碳密度分布，湿润、潮湿和雨苔原的平均土壤碳密度分别为10.9、22.2和36.6 kg/m²；北部干旱灌丛、湿润森林、潮湿森林和雨林分别为10.2、11.6、13.1和25.6 kg/m²；寒温带沙漠、沙漠灌丛、无树草原、湿润森林和潮湿森林分别为9.7、10.0、13.3、12.1和13.9 kg/m²；暖温带沙漠、荆棘草原、干旱森林和潮湿森林分别为1.4、7.6、7.9和6.0 kg/m²；亚热带荆棘林地和干旱森林分别为5.4和2.6 kg/m²；热带极度干旱森林、干旱森林、湿润森林和潮湿森林分别为6.2、10.2、11.5和21.0 kg/m²。

土壤有机碳密度在不同的土壤类型之间有着一定的差别，即使在同一地区的不同类型的土壤有机碳密度亦有所不同(表3～2)。Sanchez等(1982)计算了61个热带土壤和45个温带土壤的碳密度(C)，其平均值分别为8.3 kg/m²和7.4 kg/m²，两者间并无显著差别，热带软土(Mollisols)、淋溶土(Luvisols)和老成土( Ultisols)的碳密度分别为8.6、6.4和6.4 kg/m²，而位于温带的相应上壤则分别为10.1、5.8和4.2kg/m²。

李忠等(2001)研究了我国东部土壤有机碳的密度，获得了东北地区31个土类的土壤剖面有机碳密度(C)为2.5～73.3 kg/m²，其面积加权平均值为10.5 kg/m²。暗棕壤、沼泽土

表3-2 中国东南部一些土壤碳密度的比较

和泥炭土的剖面有机碳密度为20 kg/m²，黑土、黑钙土、草甸土、漂白土、山地草甸土、灰色森林土和棕色针叶林上的有机碳的密度在10～20 kg/m²之间。而东南热带、亚热带13个土类的土壤剖面有机碳平均密度为3.9～16.7 kg/m²，其面积加权平均值为9.52 kg/m²，较东北地区为低。0～100 cm土壤有机碳的密度以棕壤为最高(21.4kg/m²)，黄壤、黄棕壤和石灰土次之(12.3～14.5 kg/m²),燥红土、紫色土和潮土土类的最低(5.8～7.5 kg/m²)，水稻土的有机碳密度亦较高(10.6kg/m²)。