施肥對土壤有機碳組分的研究進展

錢 棟

(常州市固體廢物監(jiān)督管理中心，江蘇 常州 213022)

1 前言

土壤有機碳代表了表層陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，據(jù)估算，全球1m深度的土壤中貯存的有機碳量約為1500Gt，超過了植被與大氣有機碳儲量之和[1]，在2-3m深度范圍的土層中還貯存著約842Gt的有機碳[2]。由于環(huán)境條件和土地利用方式等因素使土壤有機碳庫產(chǎn)生輕微的變化，將會影響大氣中碳含量和土壤有機碳流動改變。土壤有機碳的穩(wěn)定性不僅影響植物的生長，同時對生態(tài)環(huán)境有一定影響。土壤中的活性碳可以加速陸地生態(tài)系統(tǒng)碳流動，促進土壤中養(yǎng)分循環(huán)，維持生物多樣性；而穩(wěn)定性的碳作為土壤中重要的碳匯，長遠意義上可以維持土壤的生物功能。

對土壤有機碳組分的研究很早就進行了，根據(jù)測定指標的性質(zhì)劃分，主要有物理、化學和生物組分，同時結(jié)合先進儀器分析手段。土壤有機碳的物理分組是按照土壤有機碳的密度或土壤顆粒大小進行的分類[3]。由于分散技術不會破壞土壤有機質(zhì)的生物學特性，這些技術在土壤有機-礦質(zhì)復合體中的運用，促進了該方面的研究。土壤有機碳的物理分組主要包括密度分組、粒徑分組、團聚體分組等方法。用化學分析方法把土壤有機碳分為胡敏酸(包括胡敏素)和富里酸，這對認識土壤有機質(zhì)化學結(jié)構(gòu)起到很大作用，但由于腐殖化過程緩慢，這就要借助經(jīng)典的酸水解方法來研究。土壤有機碳不同組分對土地利用變化的響應和敏感度不同，其中土壤活性有機碳最活躍、周轉(zhuǎn)最快、對土地利用變化最敏感，易被生物直接利用。它們可以在不同程度上反映土壤有機碳的有效性和土壤質(zhì)量[4]，在營養(yǎng)元素的地球生物化學過程、微生物的生長代謝過程、土壤有機質(zhì)分解過程等有著重要的作用。另外，這些組分在沒有被分解完之前，對土壤結(jié)構(gòu)臨時起穩(wěn)定作用。生物學分組把有機碳主要分為微生物生物量碳和可礦化碳。利用儀器測定土壤有機碳組分主要指的是核磁共振技術通過固態(tài)13C交叉極化魔角旋轉(zhuǎn)技術分析有機物的化學結(jié)構(gòu)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)有機物的原位不破壞分析和評價有機物的生物化學穩(wěn)定性[3]。這種方法由于能提供更加精確的有機碳結(jié)構(gòu)信息，有望成為未來的發(fā)展趨勢。

農(nóng)作措施是影響土壤有機碳的重要因素，施肥是農(nóng)作措施中一種最常見的有效方式。施肥不僅能改變土壤中有機碳的含量，也同時影響了土壤中的組成。施肥與不施肥相比可以時土壤中有機碳含量增加4.71%-34.84%，微生物量和氮量也會有所增加。一般來說，無論施用有機還是無機肥料都只能增加土壤中營養(yǎng)元素特別是氮，也會影響有機碳在土壤中的含量。農(nóng)田土壤有機碳的增加同時可以保障食品供應、提高生物多樣性及遏制土壤退化等，是低成本的“雙贏”措施；并且農(nóng)田土壤受到人類管理措施的強烈影響，有機碳變化快，較易調(diào)控[5]?；谏鲜鑫锢怼⒒瘜W、生物、儀器等方面的研究，本文主要論述了施肥措施對有機碳組分結(jié)構(gòu)的影響。

2 施肥對有機碳組分影響

2.1 施肥對有機碳物理組分影響

土壤有機碳的物理分組主要包括密度分級、粒徑分級、團聚體分級等方法，這些方法主要通過篩分、破碎和浮選等，測定不同施肥管理措施下不同團聚結(jié)構(gòu)位置上顆粒有機碳(POM)和礦物結(jié)合有機碳組分。

密度分級根據(jù)土壤在一定比重溶液中的沉降，用相對密度為1.6-2.0g/cm3的重液，把不同穩(wěn)定性的碳庫區(qū)分開，一般分為輕組有機碳和重組有機碳。輕組有機碳僅占土壤質(zhì)量的一小部分(0.03%-8.2%)，對施肥等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施的反應比較敏捷；重組有機碳主要是存在于有機無機復合體中，占土壤質(zhì)量的絕大部分，屬于惰性碳庫[6]。結(jié)合施肥措施，劉驊[7]等研究發(fā)現(xiàn)，施肥通常有利于輕組的積累，施用氮肥對灰漠土總有機碳和輕組有機碳的影響，總有機碳和輕組有機碳的濃度和數(shù)量隨著氮肥比率增加而增加。但是在一個長期施肥試驗的研究中發(fā)現(xiàn)，土壤輕組隨所施磷肥的增加而下降，施肥對輕組碳含量的影響很小[8]。這也說明施用肥料不同，輕組有機碳含量的變化趨勢也不同。

顆粒分級是按粒徑大小進行的，使用較多的劃分方法為：砂粒(53-2000μm)、粗粉粒(5-53μm)、細粉粒(2-5μm)、粗粘粒(0.2-2μm)和細粘粒(<0.2μm)。土壤顆粒有機碳是動植物殘體向土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的中間產(chǎn)物，比全碳更易受土壤管理的影響，提高這部分有機碳含量被認為是抑制土壤有機碳分解、緩解大氣CO2濃度上升的重要途徑。王玲莉等[9]和劉驊等[7]研究表明長期單施化肥對土壤顆粒有機碳具有負效應，其原因是單施化肥促進了土壤微生物活動，破壞了團聚體結(jié)構(gòu)，使顆粒有機碳分解速度加快。不過王朔林等[10]在對栗褐土的研究中發(fā)現(xiàn)，長期施肥使土壤游離態(tài)有機碳、閉蓄態(tài)有機碳以及總顆粒有機碳均有所增加，可能是由于施肥增加作物根茬及根系分泌物歸還量。

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，由土壤膠結(jié)成粒狀或小團塊狀，大體成球形。團聚體分級一般以250μm為界限將水穩(wěn)定性團聚體分為大團聚體和微團聚體兩類。其中，前者細分為250-2000μm、>2000μm，后者細分為<53μm、53-250μm[11]。國內(nèi)對土壤團聚體的研究相對較多，以江西紅壤研究為例，郭菊花等[12]認為單施磷、鉀肥，施氮鉀肥和施氮磷鉀有機肥顯著提高了大團聚體的含量和團聚體的穩(wěn)定性，對團聚體的穩(wěn)定性和水稻土有機碳的保護有重要意義。

2.2 施肥對有機碳化學組分影響

土壤有機碳分為胡敏酸(包括胡敏素)和富里酸，胡敏酸和富里酸是腐殖質(zhì)的主要組成部分。但是由于其腐殖化過程緩慢，短則幾十年，長則上千年，且在全球范圍內(nèi)腐殖質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能沒有明顯差異[13]。所以目前土壤有機碳的化學分組主要根據(jù)化學溶劑的不同提取出溶解性有機碳、酸水解有機碳和易氧化有機碳等[3]。

目前以化學分組方法評價水稻土有機碳穩(wěn)定性的研究較少，而這部分信息對于全面了解不同施肥措施下水稻土有機碳穩(wěn)定性的變化也十分重要[5]。酸水解有機碳分為活性有機碳庫和惰性有機碳庫，碳水化合物為活性有機碳，雖然其含量只占總有機碳的10%-20%，卻是微生物的主要能源和碳源，并參與土壤團聚體的形成，是土壤有機碳和土壤性質(zhì)研究中的重要指標和對象[14]。陳小云等[5]結(jié)合H2SO4水解法和HCl水解法兩種經(jīng)典的酸水解方法，通過分析土壤中的活性有機碳(酸水解碳)和難降解有機碳(酸解殘留碳)，評價了不同施肥處理對水稻土有機碳組成和穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明單施鉀肥對有機碳難降解性的促進作用尤為明顯，而有機肥對水稻土有機碳含量的促進主要在于活性有機碳的貢獻。

2.3 施肥對有機碳生物組分影響

有機碳生物組分主要是測定已經(jīng)礦化的生物和被礦化的有機殘體的微生物生物量，或把有機碳作為一種底物的反應來推斷出土壤中生物可利用的有機碳量。生物學分組方法把土壤有機碳分為微生物生物量碳和可礦化碳。

土壤微生物量碳是土壤中體積小于5-105μm3活的細菌、真菌、藻類和土壤微動物體內(nèi)所含的碳，是土壤有機質(zhì)中最活躍和最易變化的部分。土壤微生物量碳對耕作、施肥和土地利用轉(zhuǎn)變等農(nóng)業(yè)措施的響應非常敏感，還可反映土壤污染的程度。長期實驗表明，廣泛使用的熏蒸提取法不僅用來作為評價土壤活性和質(zhì)量的有力指標，也是直接對土壤活的微生物體包含碳庫的整體評價。大量研究表明，長期施用化肥可顯著提高土壤活性有機碳含量，并且稻田土壤微生物量碳明顯高于林地，林地明顯高于旱地[15]。目前人們都把微生物生物量碳與土壤有機碳的比值用來監(jiān)測有機碳的動態(tài)變化，并能指示土壤碳的平衡、積累或消耗[16]。

土壤可礦化碳是土壤有機碳組分之一，又稱生物可降解碳，是土壤微生物分解有機質(zhì)過程中每單位微生物量產(chǎn)生CO2量，高值時反映發(fā)酵性微生物區(qū)系的活性，低值時反映穩(wěn)態(tài)性微生物區(qū)系的活性，被廣泛用于評價土壤中微生物活性[17]。通常采用土壤培養(yǎng)法進行測定，雖然該方法可以了解在沒有根系呼吸干擾的環(huán)境下(土壤、生物和有機碳內(nèi)在性質(zhì))有機質(zhì)被微生物可降解的程度，但需要注意的是微生物對碳的利用通常在培養(yǎng)后期被養(yǎng)分限制，而添加營養(yǎng)液又有偏離真實條件的可能。

2.4 先進儀器技術的運用

隨著國內(nèi)外學者對土壤有機碳研究進一步深入，運用先進的儀器來探究有機碳結(jié)構(gòu)已經(jīng)越發(fā)普遍。由于物理分組方法存在較大的空間異質(zhì)性，得到的組分之間有重疊；化學分組方法對土壤結(jié)構(gòu)和形態(tài)的破壞性大；生物學分組方法所需培養(yǎng)時間長和限制因子要求高等，所以導致研究結(jié)果無法進行比較和評估[3]。而儀器技術的使用改善了這些弊端，為研究者提供了更準確的有機碳結(jié)構(gòu)信息，基本消除了單一分組過程中異質(zhì)性組分重疊的現(xiàn)象，成為研究有機碳的有效方法。這些方法包括熱解析氣質(zhì)聯(lián)用技術，光譜檢測技術。

先進儀器技術使有機碳的結(jié)構(gòu)分析更加方便。在缺乏已知樣品或不知未知樣品屬于何種類型的高聚物時，可以采用熱解析氣質(zhì)聯(lián)用技術，測定特征碎片峰的結(jié)構(gòu)，然后再推測該樣品是哪一類高聚物。該技術大多被運用于土壤污染物的測定，對于有機碳結(jié)構(gòu)的測定具有很大參照性。光譜檢測指的是核磁共振技術，在不破壞土壤混合有機物組成的前提下，獲得有機碳中各種功能團強度，來評價土壤有機碳的結(jié)構(gòu)。張晉京等[18]對黑土研究發(fā)現(xiàn)，長期施用有機肥使土壤胡敏素的結(jié)構(gòu)向著烷基化和疏水性程度增加的方向發(fā)展，這對于土壤肥力的保持是有利的。同時也有學者發(fā)現(xiàn)，長期施用有機肥提高了腐殖質(zhì)組分中烷基碳的比例，卻降低了芳香碳的比例[19]。

3 展望

隨著全球變暖和溫室效應等一系列全球性問題日益嚴重，土壤對二氧化碳的固存作用也日漸顯現(xiàn)出來。土壤可以貯存大量二氧化碳，緩減全球問題，而施肥措施將改變土壤有機碳的含量，因此研究施肥下土壤有機碳各組分已經(jīng)成為趨勢。測定施肥措施下土壤有機碳各組分對評估土壤質(zhì)量具有重要的實際意義，但受測定方法的限制，不同組分測定具有各自優(yōu)缺點。土壤有機碳物理組分的測定，雖然對土壤破壞性小，但存在較大的空間異質(zhì)性；對化學組分測定的方法簡便，但破壞土壤結(jié)構(gòu)和形態(tài)；生物學組分是土壤碳循環(huán)中重要一環(huán)，其測定方法所需培養(yǎng)時間長和限制因子要求高；利用先進的儀器技術對有機碳進行分析，提供了更精確的碳結(jié)構(gòu)信息，卻受土壤雜質(zhì)的干擾和儀器的昂貴而被限制。但隨著國內(nèi)外學者對土壤有機碳研究的深入，不同組分的測定方法也會進一步改進和完善。

由于土壤有機碳組分復雜，研究方法具有差異性，不同的施肥措施使得研究結(jié)果不能相互比較。因此，在今后的研究中需要注意一下幾點：

(1)借助多種方法和手段，對土壤有機碳進行綜合研究；

(2)加強土壤有機碳生物學組分與其他各組分間相互聯(lián)系；

(3)同時考慮長期、短期施肥對有機碳組分的不同影響，選擇合適的研究方法。