土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響因素研究

楊慧敏

摘 ? 要：通過對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及影響因素進(jìn)行研究，以期找到維持和提高土壤有機(jī)碳庫的有效措施，為我國土壤資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供參考，最終達(dá)到土壤固碳和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：土壤;有機(jī)碳;儲(chǔ)量;影響因素

1 ? 土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

土壤有機(jī)碳（Soil Organic Carbon，SOC）作為土壤有機(jī)質(zhì)的一種化學(xué)量度，在提高土壤肥力、改善土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)植物生長等方面發(fā)揮著重要作用。SOC在全球碳總量（2 344 Pg）中占有巨大比重。據(jù)估算，土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)量為1 550 Pg，大于植被和大氣碳的總和[1]。其中，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量占陸地土壤碳儲(chǔ)量的8%～10%（120～150 Pg）[2]，但是全球農(nóng)業(yè)土壤的固碳潛力僅為20 Pg。以往研究有機(jī)碳時(shí)，注重其對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作用，而如今的研究更注重其對(duì)于生態(tài)環(huán)境的意義[3]。

2 ? 影響因素

2.1 ? 自然因素

2.1.1 ? 環(huán)境因素

土壤有機(jī)碳是指土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）中的碳含量，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的重要組成部分。有機(jī)碳釋放和降解的速率主要取決于SOC本身的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和地表枯落物與死亡根系的數(shù)量與質(zhì)量，其中土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)又是影響有機(jī)碳質(zhì)量和功能的重要內(nèi)在因素。研究發(fā)現(xiàn)，一些結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的有機(jī)碳（如木質(zhì)素）在土壤中分解轉(zhuǎn)化的速率竟然比其他有機(jī)碳短[4-6]，而一些性質(zhì)比較活躍的有機(jī)碳（如糖類）卻可以穩(wěn)定在土壤中長達(dá)10年之久[7]。這也許是因?yàn)椴煌N類細(xì)菌代謝方式不同，所以分解的機(jī)制也有一定區(qū)別[8]。SOC雖然是由微小的化學(xué)分子組成的，但是其持久性卻不是由分子性質(zhì)所決定的，而是取決于生態(tài)系統(tǒng)的屬性，如生物群的空間異質(zhì)性、環(huán)境條件等。所以，分子結(jié)構(gòu)的抗性并非完全地控制有機(jī)碳在土壤中的長期持久性[9]。而有機(jī)碳在與環(huán)境的相互作用下卻可以顯著降低土壤有機(jī)碳被降解的可能性。

2.1.2 ? 微生物因素

土壤中產(chǎn)生大量的CO2，是微生物對(duì)有機(jī)物進(jìn)行分解所產(chǎn)生的結(jié)果。而微生物的生長活動(dòng)又受土壤養(yǎng)分含量的高低、C和N的有效性以及土壤pH值的影響。當(dāng)微生物所需的營養(yǎng)元素供應(yīng)充足以及土壤pH值增加時(shí)，微生物活性和繁殖速度也隨之提升，從而加強(qiáng)對(duì)有機(jī)碳的進(jìn)一步分解，增加活性有機(jī)碳庫的比例。土壤微生物不僅是進(jìn)入土壤有機(jī)物質(zhì)的“轉(zhuǎn)化者”，也是土壤養(yǎng)分內(nèi)部供應(yīng)能量的“源”和“庫”。微生物對(duì)有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化主要通過兩種方式，一種是利用微生物的胞外酶，對(duì)土壤外源有機(jī)質(zhì)和土壤原有有機(jī)質(zhì)進(jìn)行降解，重組或改變其分子結(jié)構(gòu)，這會(huì)使植物來源的碳發(fā)生沉積。在這個(gè)過程中，是將難分解的有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為微生物容易利用的碳，最終導(dǎo)致土壤總微生物生物量碳升高。二是利用微生物的生理過程，對(duì)胞外酶轉(zhuǎn)化后的有機(jī)物進(jìn)行進(jìn)一步加工，殘留的物質(zhì)貢獻(xiàn)于土壤中，使微生物來源碳發(fā)生沉積，因此進(jìn)一步分解后的物質(zhì)屬于微生物合成代謝的產(chǎn)物。這兩種轉(zhuǎn)化是生態(tài)系統(tǒng)所特有的，在有利于生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的同時(shí)帶動(dòng)了營養(yǎng)元素的循環(huán)和能量流動(dòng)，使微生物能夠更好地參與土壤碳循環(huán)。在全球范圍內(nèi)，土壤有機(jī)碳對(duì)氣候的變化十分敏感，主要表現(xiàn)在溫度升高、微生物活性增加且代謝明顯增強(qiáng)，土壤活性有機(jī)碳含量呈現(xiàn)回升趨勢[10]。反之溫度降低，土壤活性有機(jī)碳含量明顯下降，但在溫度過高或過低的地區(qū)，有機(jī)碳對(duì)溫度變化表現(xiàn)得并不明顯。

2.2 ? 人為因素

2.2.1 ? 土地利用方式

土壤質(zhì)地、微生物生活環(huán)境都會(huì)受不同土地利用方式的影響，從而使有機(jī)碳的穩(wěn)定性發(fā)生變化、數(shù)量縮減。自然植被中，草地開墾為耕地后SOC下降30%～50%，溫帶地區(qū)的草地?fù)p失20%～40%的有機(jī)碳[11]。除草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢?huì)使有機(jī)碳含量下降外，過度放牧也是導(dǎo)致草地初級(jí)生產(chǎn)固定碳素能力降低的原因，這導(dǎo)致了土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化能力的明顯下降，植被和土壤雙重退化[12]。林地轉(zhuǎn)向耕地、泥炭與濕地轉(zhuǎn)向耕地均會(huì)使SOC的凈固存率下降，其中林地轉(zhuǎn)向耕地?fù)p失20%～50%的有機(jī)碳，而濕地恢復(fù)、耕地轉(zhuǎn)回林草卻能使 SOC 凈固存率增加。其中轉(zhuǎn)為灌木林地或天然草地，比轉(zhuǎn)化為人工林更有利于SOC 的固存。但在短時(shí)間內(nèi)，農(nóng)田向林地轉(zhuǎn)變也可能使 SOC 降低。

2.2.2 ? 農(nóng)田管理措施

有研究表明，良好的農(nóng)田管理措施可顯著提高農(nóng)田土壤碳吸收速率，其固定的土壤有機(jī)碳所帶來的CO2減排占整個(gè)農(nóng)業(yè)減排潛力的89%。農(nóng)田土壤的固碳趨勢表現(xiàn)得越來越明顯，這可能由于農(nóng)田管理與培育技術(shù)的進(jìn)步和推廣、肥料施用量合理配比等因素影響下促進(jìn)了作物高產(chǎn)，同時(shí)帶動(dòng)了作物地下根系生物量及地上凋落物歸還土壤，農(nóng)田土壤中溶解性腐殖質(zhì)的不斷增加，農(nóng)田土壤溶解性有機(jī)質(zhì)大于森林土壤溶解性有機(jī)質(zhì)，有機(jī)碳含量呈上升趨勢。如免耕能夠保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)碳的分解、改變土壤有機(jī)碳的分布和微生物的生存環(huán)境與活性，使呼吸作用減弱，從而減少對(duì)有機(jī)質(zhì)的消耗。研究者在已免耕9年的農(nóng)田中進(jìn)行試驗(yàn)，連續(xù)3年在播種前對(duì)表土（0～15 cm）進(jìn)行翻耕，結(jié)果其土壤有機(jī)碳含量下降了5.6%。而重復(fù)進(jìn)行免耕耕作，對(duì)表層碳的存量有了明顯改善[13，14]。這是由于免耕能顯著提高土壤微生物量活性及代謝程度，增加微生物種類，減少由于礦化引起的損失[15]。但隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳含量呈現(xiàn)遞減的趨勢[16]。

3 ? 結(jié)論與討論

有機(jī)碳的影響因素包括微生物和氣候等自然因素、土地利用方式/農(nóng)田管理措施等人為因素，近些年對(duì)表層土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的研究取得了一些成果，而對(duì)于深層有機(jī)碳碳源的供應(yīng)需多加探討。微生物作為有機(jī)碳的驅(qū)動(dòng)因素，在其生境發(fā)生改變的同時(shí)，微生物群落的結(jié)構(gòu)、組成如何變化的研究也較少。此外，土壤有機(jī)碳占全球的比重巨大，并處于不斷變化之中，但對(duì)土壤有機(jī)碳庫的估算還存在很大不確定性。今后的研究重點(diǎn)應(yīng)放在如何通過土壤的無機(jī)環(huán)境來協(xié)調(diào)好有機(jī)碳長期穩(wěn)定與生物之間的關(guān)系，加強(qiáng)土壤有機(jī)碳的固碳能力，響應(yīng)全球號(hào)召。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ] Uta Stockmann，Mark A. Adams，John W. Crawford，et al. Theknowns，known unknowns and unknowns of sequestration of soilorganic carbon[J]. Agriculture，Ecosystems and Environment，2013，164（4）：80-99.

[ 2 ] 丁雪麗，韓曉增，喬云發(fā)，等.農(nóng)田土壤有機(jī)碳固存的主要影響因子及其穩(wěn)定機(jī)制[J]. 土壤通報(bào)，2012，43（3）：737-744.

[ 3 ] 吳曉麗，李林，史喜林，等.土壤有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制及影響因素研究進(jìn)展[J]. 東北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，39（3）：42-45.

[ 4 ] 吳家森，張金池，錢進(jìn)芳，等.生草提高山核桃林土壤有機(jī)碳含量及微生物功能多樣性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（20）：111-117.

[ 5 ] 張勇，胡海波，黃玉潔，等.不同植被恢復(fù)模式對(duì)土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2015，28（12）：1870-1878.

[ 6 ] Marschner B，Brodowski S，Dreves A，et al. How relevant is re-calcitrance for the stabilization of organic matter in soils[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2010，171（1）：91-110.

[ 7 ] Berhe A A，Harden J W，Torn M S，et al. Persistence of soil or-ganic matter in eroding versus depositional landform positions[J].Journal of Geophysical Research Biogeosciences，2015，117（G2）：29.

[ 8 ] 郁紅艷，曾光明，牛承崗，等.細(xì)菌降解木質(zhì)素的研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2005，28（2）：104-106.

[ 9 ] Basiledoelsch I，Balesdent J，Rose J. Are interactions betweenorganic compounds and nanoscale weathering minerals the keydrivers of carbon storage in soils？[J]. Environmental Science &Technology，2015， 49（7）.

[ 10 ] Feng X，Simpson A J，Wilson K P，et al. Increased cuticular?carbon sequestration and lignin oxidation in response to soil?warming[J]. Nature Geoscience，2008，1（12）：836-839.

[ 11 ] Murty D，Muf K，Mcmurtrie R E，et al.Does conversion of forest?to agricultural land change soil carbon and nitrogen A review?of the literature[J]. Global Change Biology，2010，8（2）：105-123.

[ 12 ] 金琳.農(nóng)田管理對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響及模擬研究[D].北京：?中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2008.

[ 13 ] Guo L J，Lin S，Liu T Q，et al. Effects of Conservation Tillage?on Topsoil Microbial Metabolic Characteristics and Organic? Carbon within Aggregates under a Rice （Oryza sativa L.）-Wheat?（Triticum aestivum L.） Cropping System in Central China.[J].?Plos One，2016，11（1）.

[ 14 ] Brahim N，Ibrahim H. Effect of Land Use on Organic Carbon? Distribution in a North African Region：Tunisia Case Study[M]? //Soil Management and Climate Change，2018.

[ 15 ] Beare M H，Coleman D C，Pohlad B R，et al. Residue Place-?ment and Fungicide Effects on Fungal Communities in Con-?ventional and No-Tillage Soils[J]. Soil Science Society of America?Journal，1993，57（2）：392.

[ 16 ] 宋明偉，李愛宗，蔡立群，等.耕作方式?對(duì)土壤有機(jī)碳庫的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科?學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27（2）：622-626.

（收稿日期：2019-03-26）