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【学术】全球变化下的土壤及其功能与生态系统服务

2016-05-25 08:38来源:中国农业科学作者:程琨 岳骞关键词:土壤污染土壤管理土壤退化收藏点赞

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3 土壤的生态系统服务功能表征与计量

3.1 生态系统服务指标

土地利用和土地管理是影响生态系统提供服务的重要因子,了解土地利用和土地管理、生态系统过程和生态系统服务间的交互作用是认识土地利用可持续性的基础。

而生态指标是认识和表征这些交互作用的重要指示,可为决策者提供制定土地管理和利用政策的依据。

高强度的土地利用将通过影响土壤碳氮水循环以及对能源和资源的消耗,从而对各种生态系统服务造成影响。

例如,高强度的土壤扰动和过度的土地利用将加剧土壤矿化过程,甚至通过大量排放二氧化碳使得土壤成为碳源;在稻田淹水厌氧条件下,还将通过产甲烷过程造成甲烷的排放,而甲烷的全球增温趋势是二氧化碳的21 倍[。

由于氮素能够显著增加作物产量,且氮肥价格较低,农民通常过量施用氮肥以保证作物的生长需求。中国氮肥利用率较低,氮肥过量施用使得氮素在土壤中大量积累,造成了水体污染、土壤酸化、温室气体排放等严重的环境问题。

土壤水分可通过蒸散过程排放到大气中,甚至会通过地表径流和土体渗透将养分和污染物排放到水体当中。在当前气候变化水资源分配不均的背景下,农田水分高效利用对于保障生态系统服务至关重要。

以土壤碳氮水循环为核心和焦点的土壤功能及其生态系统服务计量研究愈来愈成为关注的热点和难点。

生态足迹是20 世纪90 年代发展起来的一种生态可持续性评估方法,它通过计量人类对生态服务的需求与自然能提供的生态服务之间的差距,来研究人类对自然的利用状况以及生态系统的承受能力,从而判断生态的可持续性。

碳足迹、氮足迹和水足迹都是发源于生态足迹概念,是用于衡量人类活动对生态环境影响程度的生态学指标。农业生产碳、氮、水足迹的定义及目标如表2 所示。

碳足迹是指在产品生产和消费整个生命周期中直接和间接排放的温室气体总量,用于评价生产和活动的温室气体排放状况。

农业生产的碳足迹已在国家、区域和田间尺度得到了广泛的评价。英国科学家通过田间调查计算了苏格兰农业生产碳足迹,发现农业生产过程中75%的温室气体排放来源于氮肥的施用。

笔者课题组发现中国农作物生产碳足迹高于发达国家,且近年来碳排放效益呈现下降趋势。然而,由于研究目标和数据来源的不同,碳足迹的计量范围和方法有所差异。

例如,Cheng 等基于国家统计数据,采用排放系数法计算中国粮食作物生产过程中直接排放和间接排放;而Gan 等则以加拿大一个长期试验点为研究对象,将试验测定、排放系数法与经验模型法相结合,将土壤固碳也计入了碳足迹当中。

氮足迹是关注产品生产和消费过程中向环境排放的活性氮的总量,用以评价氮素损失与利用效率。水足迹则是计量用于生产某产品的整个生产供应链中的用水量之和,以评价水分损失与利用效率为主要目标。

原标题:土壤生态系统服务功能表征与计量
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