森林、草原和农田的CO2吸收与固定

陆地固碳是指森林、草原、农田等吸收大气中的CO2并将其固定在植被或土壤中。由于光合作用和有机物中的CO2储存，陆地生态系统构成了一个重要的碳汇，在全球碳循环中发挥着重要作用。陆地固碳主要包括森林固碳、草地固碳、湿地固碳和土壤固碳。据估算，陆地碳汇中约有一半（1146×109t）储存在森林生态系统中，其中植物占359×109t（约1/3），土壤占787×109t（约2/3）[31]。陆地封存往往会有众多的附带利益（如土壤水质的改善、退化生态系统的恢复以及作物产量的提高），并且不会带来风险，通常被认为是双赢策略[32]。

（1）森林固碳

森林生态系统储存的碳通常是木质素和其他相关的碳的聚合物。目前，森林生态系统每年固碳约（1.7±0.5） Pg[33]。温带和热带森林管理是2050年稳定大气中CO2浓度在550ppm的15个方法之一[34]。森林储存的碳不仅存在于采伐的木材中，还存在于木质碎片、木制品和其他植物中。在多年生草本植物中，C4植物的固碳速率比一般的C3植物要高，C4植物和豆科植物的功能群组可以将生态系统的固碳效率提高5～6倍[35]。虽然森林生态系统可以累积大量的碳，但本身却不太稳定，容易受到火、昆虫、疾病的干扰。

森林固碳总量取决于两个因素：森林面积和碳密度。因此，增加森林固碳总量有两种途径：①增加森林面积，包括造林与再造林以及避免毁林；②增加碳密度，包括避免森林退化以及采取可持续性的经营活动[36]。

目前植树造林被认为是森林固碳的比较可行的方法。Fang等[37]估计，1970—1998年，中国因为植树造林每年增加的森林固碳为21Tg（1Tg=1012g）。我国的森林起着一个轻微的碳汇的作用[38]。然而，大规模的植树造林会影响水资源。有学者记录了植树造林造成的水流流失、土壤盐化和酸化。植树造林还可能影响生物多样性，Bunker等[39]发现热带森林单一植物面积的扩大降低了生物多样性。

（2）草地固碳

草地作为陆地生态系统的重要组成部分，不仅可以提供草产品、保持水土和维持生物多样性，还可以通过光合作用吸收大气中的CO2。草地地上部分和地下部分总的碳储量约占全球陆地生态系统的1/3[40]，仅次于森林生态系统，对改善全球气候变暖具有重要作用和积极意义。草地生态系统对于调节大气中的温室气体含量具有双重意义：①草地质量的改善可以提高草地生产力，同时也可以提高草地对CO2的吸收和储存能力；②草地退化不仅会降低草地吸收CO2的能力，还会释放储存在草地土壤中的有机碳，进一步加剧温室效应。

草地上的植被为CO2主要吸收者，通过光合作用吸收大气中的CO2，同时释放出氧气。吸收的CO2以有机碳的形式储存于植物体，分别存于地表植被和地下的根部。地表植被有一部分被牲畜和其他野生动物食用，还有一部分萎败成为枯草和枯枝落叶而将碳储存于草地表面。这些萎败的植被有一部分直接被分解，将碳回归于大气中，另一部分则被分解为土壤有机质。而土壤有机质所储存的碳有一部分也会直接分解、散失而将碳回归于大气中，另一部分存留于土壤中。这样就形成了大气－草地植被－土壤－大气整个草地生态系统的碳循环。(https://www.xing528.com)

可见，草地生态系统有机碳含量对大气中CO2的浓度有着重要的影响。Prentice等[41]认为，全球草地、苔原、灌木草地、稀树草原约占整个陆地生态系统碳储量的29%～31%。在一定时期内，草地的碳净吸存量取决于草地的植被对CO2的吸收以及萎败的枯草、枯枝落叶和土壤中有机质分解释放的碳的量。因此，如果草地质量得到恢复和提高，草地吸存的碳大于其释放的碳，则草地具有碳汇功能；反之，如果草地退化，则草地也会成为一个巨大的碳源，不利于控制温室气体排放和缓解气候变暖的目标实现。

目前人工种草、退耕还草与草场围栏封育、禁牧休牧被认为是最有效的草地治理措施，这些措施可以极大地改善和恢复草地的固碳能力。

（3）湿地固碳和土壤固碳

湿地和土壤或有机土构成了一个庞大的碳汇，湿地和土壤对CO2的封存量约为450Pg[42]。湿地土壤中含有的碳可能是相关植被中的200倍[43]。在全球碳循环中，土壤碳汇是森林和其他植被碳汇的5倍，是大气碳汇的3倍[44]。土壤碳库中60%的碳是以有机质的形式存在于土壤之中的。Lal[45]估计了全球土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）的封存潜力为每年0.4～1.2Pg，约为全球化石燃料排放的5%～10%。农田土壤固碳是《京都议定书》认可的有效减排途径，拥有巨大的固碳潜力。

土壤固碳主要是通过提高有机质含量来实现的。有机质的重要组成成分是腐殖质，它是有机碳的稳定形态。团聚体形成作用被认为是最重要的土壤碳固定机制，矿物微粒通过团聚把腐殖质包围起来，形成稳定的状态而使其不被降解[46]。土壤活体微生物和土壤根系在碳储存方面也起着非常重要的作用[47]。土壤粒子被土壤微生物产生的多糖和真菌菌丝以及蚯蚓等动物的活性物质胶粘在一起，形成团聚体。植物根系除了生物量碳外，还通过持续不断地释放分泌液和根细胞的崩解为土壤提供与生物量碳相当的碳量，根系中碳在土壤中的滞留时间是植物茎叶的2倍[48]。

土壤中的所有碳最初都来源于大气，而后通过植物光合作用进入植物体。一旦植物体脱离植株（如成为枯枝落叶），就会作为新鲜的有机物被土壤微生物分解。蚯蚓和其他大型无脊椎动物完成最初的新鲜有机物溃解，接着是真菌和其他微生物，新鲜有机物降解后的最终产物是腐殖质。这是一种稳定的有机胶体混合物，它经历了一些消化过程，因此含有更高比例的有机混合物（如木质素）而不易被分解掉。腐殖质在几年内释放出大部分碳到大气中，但是部分有机物能够抵御微生物分解，仍然保存于土壤中，一般能够保存几百年至几千年时间，形成土壤碳汇。土壤腐殖质水平代表着土壤中根本的碳储存水平。相对于其他有机复合物，腐殖质水平变化较慢。由于有机物是所有腐殖质的来源，土壤中的有机物越多，土壤中碳水平就越高。

土壤固碳过程及其机理，涉及生态学、土壤化学、土壤微生物学等多学科交叉研究，是固碳科学的难点和重点。人类活动加速了土壤有机质的损失，这包括耕作、生物质燃烧、残落物移除、灌溉、肥料投入、没有或很少在轮作循环中采用覆被作物等。土壤状况影响腐殖质的产生，而土壤状况又取决于农业管理系统。土壤腐蚀过程受到氮、磷、钾及其他土壤腐殖质的影响，可以通过增加氮和生物碳的使用提高土壤的固碳能力[49-50]。应用粪肥和有机改良剂也是提高土壤固碳能力的重要办法，使用有机粪肥比使用化学肥料有更高的固碳率[51-52]。多样性种植系统中的土壤比单一种植系统的土壤有更高的碳汇[53]。此外，提高土壤固碳能力的方法还有保护性耕作、经常采用覆被作物来改善耕作制度、水分管理以及采用最佳管理措施等。在贫瘠土壤（如盐碱土壤、沙质土壤等）中施加混合菌群，将CO2转化为微生物细胞和有机代谢物，既增加了土壤有机碳含量，提高了土壤肥力，同时也降低了大气中的CO2含量。