影響土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的因素研究進(jìn)展

齊邊斌，趙鑫勇，呂德國(guó)

（1 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，沈陽(yáng)110866；2 大興安嶺地區(qū)農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院，黑龍江加格達(dá)奇165000；3 沈陽(yáng)市北方果樹(shù)栽培與生理生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110866）

土壤有機(jī)碳（SOC）包括非腐殖質(zhì)和腐殖質(zhì)部分有機(jī)碳。 非腐殖質(zhì)有機(jī)碳包括碳水化合物和含氮化合物，腐殖質(zhì)有機(jī)碳包括胡敏酸、富里酸和胡敏素[1]。土壤有機(jī)碳循環(huán)是地球表層系統(tǒng)中碳庫(kù)主要流通途徑，影響土壤碳庫(kù)與大氣碳庫(kù)之間的交流，制約著全球碳循環(huán)[2]。 研究表明， 全球1 m 深度土壤中有機(jī)碳量約為1500 Gt、2～3 m 深度土層中含量約842 Gt[3]。 每年全球土壤呼吸作用的碳量為68～100 Pg，土壤有機(jī)碳每年分解釋放到大氣的CO2量達(dá)0.1～5.4 Pg，土壤有機(jī)碳庫(kù)10%的變化將導(dǎo)致大氣圈CO2濃度1 mg/L 的變化[4]。土壤有機(jī)碳循環(huán)不僅直接影響土壤結(jié)構(gòu)與土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，導(dǎo)致土壤肥力和作物產(chǎn)量的改變，而且在緩解和調(diào)節(jié)土壤退化和土壤生產(chǎn)力上起著重要作用。 因此，土壤中有機(jī)碳循環(huán)已經(jīng)成為全球研究的焦點(diǎn)， 同時(shí)土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)是當(dāng)前氣候變化研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[5]。 目前，國(guó)內(nèi)外研究者就土壤有機(jī)碳的輸入、輸出、貯量、組分和殘留等方面進(jìn)行了大量研究[6～11]。在此，筆者主要?dú)w納總結(jié)關(guān)于土壤有機(jī)碳循環(huán)的影響因素。

事實(shí)上，影響土壤有機(jī)碳循環(huán)的因素很多，包括生物因素和非生物因素兩大部分。 生物因素主要是植物根系和土壤微生物，非生物因素主要有溫度、濕度和土壤通氣狀況等。

1 土壤有機(jī)碳的組成和來(lái)源

土壤有機(jī)碳是一個(gè)復(fù)雜的有機(jī)復(fù)合體， 主要包括動(dòng)植物、微生物殘?bào)w及其排泄物、分泌物、部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)。 它的動(dòng)態(tài)變化主要取決于碳源物質(zhì)的輸入量和輸出量的相對(duì)大小， 尤其與碳源物質(zhì)在土壤中的分解、轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系[12]。 土壤碳源的輸入主要是依靠大氣中CO2轉(zhuǎn)化進(jìn)入土壤、 動(dòng)植物和微生物殘?bào)w及土壤腐殖質(zhì)等[12，13]。 森林生態(tài)系統(tǒng)中植物殘?bào)w是土壤有機(jī)碳的重要來(lái)源[14]。 另外，外源有機(jī)質(zhì)的輸入是土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源， 主要有人為施加有機(jī)肥 （如堆肥、圈肥、糞肥、綠肥、魚(yú)粕肥）等。 王新建等[15]試驗(yàn)結(jié)果表明， 有機(jī)物質(zhì)的輸入對(duì)于土壤有機(jī)碳的累積更具有重要性。 研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期大量施用有機(jī)肥料的果園，果樹(shù)根系分布較深、功能強(qiáng)，枝條生長(zhǎng)適度，葉片發(fā)育完善，葉色稍淡而有光澤，葉片柔韌性好，果實(shí)風(fēng)味好、耐貯藏。 李夢(mèng)雅等[16]研究發(fā)現(xiàn)，施用化肥或有機(jī)肥均可提高紅壤有機(jī)碳礦化量和微生物的數(shù)量， 影響微生物群落結(jié)構(gòu)，且施用有機(jī)肥的效果顯著高于化肥。

2 影響土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的

2.1 土壤微生物

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。 土壤微生物雖然只占總有機(jī)碳的1%～3%，但這一部分有機(jī)碳卻影響著所有進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化， 是土壤有機(jī)碳變化和周轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力[17]。 張于光等[18]在其研究中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)（大于60%）的土壤微生物都直接參與土壤有機(jī)碳的降解，包括腐殖質(zhì)、胺類(lèi)、木質(zhì)素、葡聚糖、木聚糖、幾丁質(zhì)等有機(jī)碳的降解，Azoarcus evansii 類(lèi)微生物可能是土壤中有機(jī)碳降解的重要活動(dòng)者。

微生物的活性與土壤有機(jī)碳的關(guān)系非常密切[19]。一方面， 土壤有機(jī)碳的分解進(jìn)程與土壤微生物量碳的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相似， 因此， 可以把土壤中有機(jī)碳分解的快慢看作是土壤微生物活動(dòng)強(qiáng)弱的外在表現(xiàn)[20]；另一方面， 土壤微生物量的多少反映了土壤同化和礦化能力的大小，是土壤活性大小的標(biāo)志。 微生物對(duì)有機(jī)碳的利用率是一項(xiàng)反映土壤質(zhì)量的重要特性。 吳金水[21]認(rèn)為，在同一土壤中， 微生物量碳變化與土壤有機(jī)碳含量變化密切相關(guān)， 因而土壤微生物量碳變化可敏感地指示土壤有機(jī)碳含量變化。朱志建等[22]研究了四類(lèi)森林植被下土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳含量的關(guān)系， 結(jié)果表明， 常綠闊葉林和馬尾松林土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳含量相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平。 此外，土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳的比值也是衡量一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳積累或損失的一個(gè)重要指標(biāo)[23]。張秀玲等[24]對(duì)速生楊人工林土壤碳氮含量及微生物生物量的影響的試驗(yàn)結(jié)果表明， 土壤有機(jī)碳與土壤微生物生物量碳間存在極顯著的相關(guān)性， 但是微生物生物量碳的變化趨勢(shì)與土壤有機(jī)碳變化趨勢(shì)和幅度并不完全一致，土壤微生物生物量間的差異更大。李君劍等[25]在其研究中發(fā)現(xiàn)， 東北地區(qū)三種典型次生林土壤剖面表層土壤中土壤有機(jī)碳和土壤微生物碳均占集中優(yōu)勢(shì)， 這一點(diǎn)也可以表明土壤微生物活性與土壤有機(jī)碳之間存在緊密的聯(lián)系。

還有重要的一點(diǎn)， 微生物量碳雖然只占土壤有機(jī)碳的一小部分，但卻是土壤中最活躍的有機(jī)碳組分。 土壤微生物生物量碳是指土壤中體積＜5 000 μm3活的和死的微生物體內(nèi)碳的總和。 土壤微生物生物量碳在土壤碳庫(kù)中所占比例很小， 一般只占土壤有機(jī)碳全量的1%～4%[26]，但對(duì)土壤有效養(yǎng)分而言，卻是一個(gè)很大的給源和庫(kù)存[27]。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)把土壤微生物生物量碳視為土壤肥力變化的重要指標(biāo)之一[28～30]。

2.2 非生物環(huán)境因素

土壤有機(jī)碳（SOC）分解是土壤碳循環(huán)動(dòng)態(tài)的重要過(guò)程[31～33]，而分解的快慢取決于SOC 的生物化學(xué)性質(zhì)、存在狀態(tài)及水分、溫度、pH 值、質(zhì)地等影響微生物活性的環(huán)境因素[34，35]。 光照、溫度和濕度是影響土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的重要的非生物因素， 主要影響土壤有機(jī)碳的輸入和輸出兩方面。 在輸入過(guò)程中，氣候制約植被類(lèi)型和植被生產(chǎn)力，決定有機(jī)碳輸入量；在輸出過(guò)程中，土壤水分、溫度及土壤與大氣的氣體交換，制約微生物對(duì)有機(jī)碳的分解和轉(zhuǎn)化[36，37]；光照可引起植物光合作用強(qiáng)弱變化，影響植物固碳能力；溫度則會(huì)影響土壤中微生物的活躍程度，調(diào)控土壤有機(jī)碳輸出；降雨量則通過(guò)影響土壤水分含量來(lái)影響土壤有機(jī)碳含量變化。 研究表明，亞熱帶地區(qū)土壤有機(jī)碳分解速率比溫帶地區(qū)快[38]。

土壤理化性質(zhì)、 粘土礦物類(lèi)物質(zhì)以及土壤質(zhì)地等也影響土壤有機(jī)碳含量，其中，研究最多的是局部范圍內(nèi)土壤質(zhì)地與碳含量的相互關(guān)系[39]。 一般認(rèn)為，不同粘土礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)保護(hù)作用不同； 不同質(zhì)地土壤因持水性能和所含粘粒比例不同也會(huì)影響土壤有機(jī)碳分布。土壤有機(jī)碳含量與粘粒含量呈正相關(guān)， 但也有研究表明兩者無(wú)相關(guān)性[40]，說(shuō)明土壤質(zhì)地對(duì)土壤有機(jī)碳的影響在不同地區(qū)有明顯差異。 這也體現(xiàn)了當(dāng)前研究的不足。Andre Bationo 等[41]研究表明，在沙壤中土壤有機(jī)碳平均年損失高達(dá)4.7%；而在沙質(zhì)粘土中損失較低，為2.0%。

2.3 人為因素

土地利用方式、耕作措施、輪作制度、施肥方式和水分管理等人為因素也會(huì)影響土壤環(huán)境， 從而間接影響有機(jī)碳的分解[41～45]，即影響土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。Jobbagy 等[46]研究表明， 灌木、 草原和森林土壤表層20 cm 有機(jī)碳占1 m 深度土層中有機(jī)碳百分比分別為33%、42%和50%，與植被類(lèi)型顯著相關(guān)。EstherGoidts[47]等認(rèn)為，在農(nóng)田耕層中每半年有21.9 t 碳的損失，而在草地(1～30 cm)中，每半年卻有61.2 t 碳增加[47]。 植被類(lèi)型的不同導(dǎo)致植被光合作用強(qiáng)度和有機(jī)物進(jìn)入土壤的方式不同，影響有機(jī)碳輸入量，使土壤有機(jī)碳分布也存在差異。 森林植被下，土壤有機(jī)碳主要來(lái)源是地表凋落物，例如葉片、枯枝等，一般在地表進(jìn)行分解；而草原土壤有機(jī)碳來(lái)源主要靠草甸殘根，分布于較深土層，分解速率較小，土壤碳密度比森林土壤高；對(duì)于耕作土壤而言，由于收獲時(shí)作物秸稈移出，土壤碳密度較森林和草原土壤都低[48]。

耕作常常被認(rèn)為是引起土壤有機(jī)碳含量下降的主要原因。 耕作的機(jī)械作用使土壤物理破碎、 分散和混合，直接或間接造成土壤有機(jī)碳含量下降。 采用秸稈還田，既能夠調(diào)節(jié)土壤物理形狀，促進(jìn)微生物代謝活動(dòng)，又利于養(yǎng)分分解，減少環(huán)境污染。 用秸稈處理農(nóng)田，土壤生物量隨季節(jié)波動(dòng)，變化幅度明顯小于無(wú)秸稈處理，土壤微生物量在10～20 cm 土層內(nèi)明顯增大。 這主要是由于秸稈還田給微生物提供了生活基質(zhì)， 特別是在寒冷的冬天，根層土壤中秸稈腐蝕釋放熱量，提高地溫，從而增加土壤微生物量。 秸稈還田后，土壤質(zhì)量與土壤有機(jī)碳庫(kù)的穩(wěn)定性及土壤空氣向土壤輸送碳的比率相關(guān)，與腐殖化系數(shù)密切相關(guān)[49]。

時(shí)間也是影響土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的一個(gè)關(guān)鍵因素，許多關(guān)于土壤碳的研究都來(lái)自于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)[50～52]，因?yàn)橥寥赖男纬删褪且粋€(gè)極其漫長(zhǎng)的過(guò)程。

3 展望

盡管現(xiàn)在的研究在影響因子方面有較多的認(rèn)識(shí)，但是，我們對(duì)它的綜合分析還不夠深入，特別是土壤有機(jī)碳在土壤內(nèi)部以及與外界環(huán)境的相互轉(zhuǎn)換機(jī)理上還不是十分清楚， 對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)循環(huán)中各個(gè)環(huán)節(jié)的碳收支平衡問(wèn)題的研究更少； 土壤中碳循環(huán)與大氣中碳的交換對(duì)全球氣候究竟有怎樣的具體影響， 怎樣增加陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳的截存作用， 以及采取什么措施減少土壤圈中碳排放量等，都是有待解決的問(wèn)題。 值得一提的是，13C 自然豐度方法是用于土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)研究的一種新方法，并且正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 近年來(lái)國(guó)內(nèi)已采用13C 技術(shù)研究長(zhǎng)期田間條件下土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。 尹云鋒等（2007）利用δ13C 方法研究添加玉米秸稈下紅壤總有機(jī)碳和重組有機(jī)碳的分解速率，證明了短期培養(yǎng)條件利用δ13C 方法研究紅壤有機(jī)碳分解速率是可行的。

目前關(guān)于土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)尤其是土壤有機(jī)碳循環(huán)的研究主要集中于森林生態(tài)系統(tǒng)、 草原生態(tài)系和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)[53，54]，而對(duì)人類(lèi)活動(dòng)參與較多但是有不同于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的果園生態(tài)系統(tǒng)的研究則比較少， 希望今后人們能夠?qū)麍@土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)多做研究， 以便于提高果園土壤有機(jī)質(zhì)含量，提高果園土壤肥力，生產(chǎn)出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的水果。