土壤有機(jī)碳作用及轉(zhuǎn)化機(jī)制研究進(jìn)展

張維理，KOLBE H，張認(rèn)連

土壤有機(jī)碳作用及轉(zhuǎn)化機(jī)制研究進(jìn)展

張維理1，KOLBE H2，張認(rèn)連1

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2德國(guó)撒克森州立農(nóng)業(yè)科學(xué)院，Waldheimer Stra?e 219, D-01683 Germany）

對(duì)土壤有機(jī)碳作用的綜述研究顯示：直至20世紀(jì)末，對(duì)于土壤有機(jī)碳的研究主要集中于闡明具不同化學(xué)結(jié)構(gòu)有機(jī)物質(zhì)在土壤中的功能，如胡敏酸、富里酸、黃腐酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征及在土壤肥力中的作用。中歐近年的研究則更關(guān)注按照有機(jī)碳在土壤中的轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行分組，嘗試建立這一分組與土壤有機(jī)碳功能的關(guān)聯(lián)。按照轉(zhuǎn)化特征，土壤有機(jī)碳可分為穩(wěn)定性有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳兩大類型。前者主要指封存于土壤黏粒中的有機(jī)碳，很難被土壤微生物分解和礦化。后者主要指通過作物收獲后地表及根系殘留物、還田秸稈、有機(jī)肥施肥進(jìn)入土壤的有機(jī)碳，是土壤有機(jī)碳中易于轉(zhuǎn)化的、活躍的組分，也是形成土壤腐殖質(zhì)和團(tuán)聚體的主要前體物質(zhì)。對(duì)土壤肥力具有重要意義。多點(diǎn)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究結(jié)果顯示：土壤有機(jī)碳含量實(shí)際上表達(dá)了土壤中有機(jī)碳輸入與分解兩個(gè)過程的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)輸入量小于礦化量，將導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量和土壤肥力下降。當(dāng)每年輸入的有機(jī)碳量大于礦化量，土壤有機(jī)碳含量會(huì)持續(xù)上升；直至每年輸入量與礦化量相等，土壤有機(jī)碳含量不再增加，此時(shí)，土壤有機(jī)碳含量達(dá)到平衡點(diǎn)。在一般農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)間周期為20—30年。在營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳投入量過高情況下，這一動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)也會(huì)導(dǎo)致入多出多，達(dá)到新的平衡點(diǎn)后，每年會(huì)有高量土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化，從而引起農(nóng)田土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分，特別是礦質(zhì)氮的流失，進(jìn)入水體及大氣環(huán)境中。為實(shí)現(xiàn)土壤培肥和環(huán)境保護(hù)雙重目標(biāo)，農(nóng)田土壤營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳的投入量應(yīng)以有機(jī)碳的礦化流失不致產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為宜。新的研究還證實(shí)：營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳進(jìn)入農(nóng)田后，在土壤生物作用下分解為一系列短鏈化合物，再通過生物構(gòu)建作用與土壤礦物顆粒形成土壤團(tuán)聚體，并以此對(duì)多項(xiàng)土壤肥力性狀發(fā)揮積極作用。受土壤中腐殖化、有機(jī)碳分解等不同過程影響，土壤團(tuán)聚體持續(xù)發(fā)生著聚合和崩解，只有持續(xù)而豐富的營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳輸入，才能維持土壤中總有機(jī)-無機(jī)團(tuán)聚體的穩(wěn)定度。多點(diǎn)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果揭示：土壤有機(jī)碳含量主要取決于氣候條件、土壤質(zhì)地與土地利用類型。在人為因素中，土地利用方式的變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響最大，而施肥、秸稈還田、耕作等農(nóng)作措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響比較小。耕地土壤上，作物類型不同，其典型的耕作和收獲方式不同，收獲后存留地表和土壤中的根系殘留物數(shù)量和質(zhì)量不同，有機(jī)質(zhì)生成能力不同。在種植有機(jī)質(zhì)消耗性作物時(shí)，需要注意在輪作制度中引入有機(jī)質(zhì)增加型作物或施用有機(jī)肥料，以保持土壤肥力。

土壤有機(jī)碳；營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳；土壤肥力；土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化機(jī)制；輪作

土壤有機(jī)碳指土壤中含碳有機(jī)物質(zhì)的總和。土壤有機(jī)碳對(duì)土壤肥力和地球碳循環(huán)具有極其重要意義。土壤有機(jī)碳是大氣碳的兩倍，是地球植被總碳量的3倍，參與地球陸域碳循環(huán)總碳量中80%的碳量以土壤有機(jī)碳形式存在于土壤中。土壤有機(jī)碳的主要組成為土壤中動(dòng)植物殘?bào)w、土壤腐殖質(zhì)以及土壤微生物體碳量。以動(dòng)植物殘?bào)w形式進(jìn)入土壤的有機(jī)碳成為土壤生物的糧食，促進(jìn)土壤生物活動(dòng)及生物多樣性，而在土壤生物，特別是土壤微生物作用下生成的土壤腐殖質(zhì)促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，提高土壤保水、保肥、供水、供肥性能，提高土壤肥力，并大幅度提高耕地土壤高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)性能。與此同時(shí)，由土壤有機(jī)碳供養(yǎng)的土壤微生物活動(dòng)促成了地球生態(tài)系統(tǒng)中的碳、養(yǎng)分及其他物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化與循環(huán)。

土壤有機(jī)碳與土壤有機(jī)質(zhì)兩個(gè)概念涵義相同，量綱有區(qū)別，前者以純碳量計(jì)，后者以有機(jī)物質(zhì)量計(jì)。通常，土壤有機(jī)碳量乘以換算系數(shù)1.724即為土壤有機(jī)質(zhì)量。在農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域中，土壤有機(jī)質(zhì)這一概念的應(yīng)用更為廣泛，而在環(huán)境和氣候變化領(lǐng)域，則主要采用土壤有機(jī)碳。

由于土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤肥力、作物產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)和環(huán)境的重要作用，探索土壤中有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化及功能一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。在國(guó)際范圍，較早的研究主要集中于對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)組成的分組及其在土壤中的功能，例如胡敏酸、富里酸、黃腐酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其對(duì)土壤有機(jī)-無機(jī)團(tuán)聚體、粗顆粒和細(xì)顆粒的作用。新的研究則更關(guān)注于根據(jù)有機(jī)物質(zhì)在土壤中轉(zhuǎn)化速率和轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行分組，嘗試建立這一分組與其功能的關(guān)聯(lián)。研究發(fā)現(xiàn)封存于土壤黏粒中的有機(jī)碳具有極高穩(wěn)定性，很難被分解和轉(zhuǎn)化，可在土壤黏粒中保存上萬年[1]。與此相對(duì)應(yīng)，農(nóng)田條件下，每年以作物地表及根系殘留物和有機(jī)肥施肥方式進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)可歸類為比較易于轉(zhuǎn)化的、活躍的部分，是形成土壤腐殖質(zhì)的主要前體物質(zhì)[2-3]。20世紀(jì)中期以來布置于中歐的多個(gè)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究顯示：當(dāng)根據(jù)轉(zhuǎn)化速率劃分土壤中有機(jī)物質(zhì)類別時(shí)，能更清楚理解土壤有機(jī)碳及其轉(zhuǎn)化過程對(duì)土壤肥力和環(huán)境的影響，理解氣候、土壤條件與及農(nóng)作措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響[4-6]。長(zhǎng)期試驗(yàn)研究還告訴我們，土壤有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳投入與分解兩個(gè)過程的綜合表達(dá)。換言之，農(nóng)田土壤有機(jī)碳含量可視為特定條件下的平衡常數(shù)。在肥沃農(nóng)田土壤上，過少或過多的有機(jī)物質(zhì)投入，均可打破原有平衡，并對(duì)土壤肥力和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面作用[7-8]。這些研究進(jìn)展為我們了解農(nóng)田有機(jī)質(zhì)和土壤肥力變化特征，保護(hù)環(huán)境提供了新的線索。本文目的是對(duì)這些新的研究進(jìn)展做一系統(tǒng)性介紹。

1 土壤中的穩(wěn)定性與營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳

近年間，對(duì)土壤有機(jī)碳分組最重要的研究進(jìn)展之一是根據(jù)其在土壤中的轉(zhuǎn)化速率將土壤有機(jī)碳分為穩(wěn)定性有機(jī)碳與營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳兩大部分。

研究發(fā)現(xiàn)，土壤穩(wěn)定性有機(jī)碳主要存在于第四紀(jì)冰川期成土過程產(chǎn)生的土壤黏粒和細(xì)粉粒中。穩(wěn)定性有機(jī)碳與土壤黏粒和細(xì)粉粒形成十分緊密的結(jié)合，使其在土壤中很難被微生物分解和礦化，在土壤中可穩(wěn)定保持?jǐn)?shù)百年以至上萬年[1]。在中歐，穩(wěn)定性土壤有機(jī)碳在輕質(zhì)土壤上可達(dá)到土壤有機(jī)碳總量的50%，而在較黏重土壤中可占土壤有機(jī)碳總量的80%[9-11]。

第二類土壤有機(jī)碳稱為營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳，是土壤有機(jī)碳庫中活躍的、易于轉(zhuǎn)化的組分，是土壤生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，也是土壤生物活動(dòng)的基礎(chǔ)，因而稱為營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳。通過施用有機(jī)肥、秸稈還田等農(nóng)學(xué)措施能影響的土壤有機(jī)碳主要屬于這一類型。農(nóng)田土壤上，每年作物收獲后遺留在地表和土壤中的根系殘留物、還田秸稈和有機(jī)肥進(jìn)入土壤后，成為土壤生物（包括土壤動(dòng)物、菌類和土壤微生物）的糧食。在土壤生物，特別是土壤微生物作用下，有機(jī)物料被分解轉(zhuǎn)化，通過礦化作用，釋放出CO2和礦質(zhì)養(yǎng)分。與此同時(shí)，土壤生物的代謝活動(dòng)產(chǎn)生土壤腐殖質(zhì)，這類腐殖質(zhì)絕大部分并不轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定性有機(jī)碳，而是在土壤中存留一定年限后，繼續(xù)被分解礦化。研究表明，新鮮有機(jī)物質(zhì)例如綠肥在經(jīng)過機(jī)械粉碎和翻耕進(jìn)入土壤后，較易分解部分（C/N比較低的有機(jī)物質(zhì)）絕大多數(shù)在幾個(gè)月被就為土壤生物作為食物和能源利用，并轉(zhuǎn)化為CO2。而比較難分解的有機(jī)物料，如C/N比高、木質(zhì)素含量高的根系殘留物分解較慢，但在數(shù)十年后也將完全降解、礦化。在良好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，每年進(jìn)入土壤的營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳養(yǎng)育了土壤生物，促進(jìn)了各種有益的土壤生物過程，促進(jìn)了土壤腐殖質(zhì)不斷和持續(xù)的降解和再生，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，以此對(duì)土壤生物、物理和化學(xué)性狀產(chǎn)生積極影響，養(yǎng)育了肥沃的土壤。研究表明，在中歐條件下，因土壤類型而異，通常有20%—50%的土壤有機(jī)碳屬于營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳[9]。

研究還顯示，在中歐氣候條件下，秸稈還田在當(dāng)年就有50%秸稈被礦化、分解，隨著時(shí)間推移，在隨后的20—30年中，幾乎所有施入農(nóng)田的營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳最終均會(huì)降解。由此，土壤有機(jī)碳含量實(shí)際上表達(dá)了土壤有機(jī)碳投入與分解兩個(gè)過程的動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于氣候變化而言，土壤有機(jī)碳不僅能成為溫室氣體的匯，也可能成為源[6,8]。

自然條件下，營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳和穩(wěn)定性有機(jī)碳之間實(shí)際上并不存在清晰的界限，而是逐步過渡，其中一些過程為可逆過程，當(dāng)土壤環(huán)境條件發(fā)生變化，兩種組分間也可能相互轉(zhuǎn)化。

圖1展示了按轉(zhuǎn)化速率分組的土壤有機(jī)碳組成及其分解、累積和轉(zhuǎn)化機(jī)制。土壤中有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化類似于開放式的流動(dòng)平衡系統(tǒng)。在這一系統(tǒng)中，土壤有機(jī)碳存量，即土壤有機(jī)質(zhì)含量主要取決于流入閥口徑、流出閥口徑和流出閥高度。

流入閥口徑主要取決于輸入土壤的有機(jī)物質(zhì)量。進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)包括作物收獲后地表及根系殘留物、植物根系分泌物、死亡的土壤動(dòng)物和微生物體、通過有機(jī)肥和秸稈還田形式施入土壤的有機(jī)物料，這些物質(zhì)可統(tǒng)稱為原始有機(jī)物質(zhì)。農(nóng)田作物類型不同、產(chǎn)量水平、種植制度、秸稈還田量和有機(jī)肥施用量不同，輸入農(nóng)田的原始有機(jī)物質(zhì)量不同。原始有機(jī)物質(zhì)通過流入閥進(jìn)入土壤后，主要提高土壤中營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳存量，并使整個(gè)土壤有機(jī)碳水平提高。

圖1 根據(jù)土壤中轉(zhuǎn)化速率劃分的土壤有機(jī)碳分組及其轉(zhuǎn)化機(jī)制[1,9]

而流出閥口徑主要取決于土壤有機(jī)碳的礦化作用強(qiáng)度。通過礦化，營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳分解為水和二氧化碳，從土壤中釋放出來，后者以CO2形式進(jìn)入大氣。隨有機(jī)碳礦化同時(shí)釋放出的還有氮、磷、硫等活性養(yǎng)分，這些養(yǎng)分可進(jìn)入表土被作物吸收利用；也可進(jìn)入底土、水域或大氣環(huán)境中。礦化作用的強(qiáng)度影響有機(jī)物質(zhì)在土壤中的存留時(shí)間，并以此影響土壤總有機(jī)碳含量水平。

影響礦化作用強(qiáng)度的主要因素如下：

（1）有機(jī)物質(zhì)的化學(xué)組成和穩(wěn)定性，如C/N比值。

（2）土壤化學(xué)、物理性狀，如土壤生物所需有效養(yǎng)分狀況、土壤pH條件、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、通氣狀況等因素。

（3）土壤所在點(diǎn)位的水文與氣候條件。

耕作措施可改善土壤通氣狀態(tài)，加快有機(jī)碳的分解，而氣溫、降水等氣候條件影響土壤溫度、水分含量，也直接影響土壤有機(jī)碳的分解和礦化。

土壤有機(jī)碳含量不僅取決于有機(jī)物質(zhì)的投入量和礦化量，也取決于流出閥門的高度（圖1）。流出閥高度主要受成土過程影響，與土壤類型和土壤質(zhì)地特征密切相關(guān)。

如圖1所示，土壤有機(jī)碳含量可視為動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)中投入和分解兩個(gè)過程間的平衡點(diǎn)。每年因礦化流失的有機(jī)物質(zhì)量需要通過新投入的有機(jī)物質(zhì)加以補(bǔ)充，才能維持系統(tǒng)中原有的土壤有機(jī)碳水平。平衡系統(tǒng)中，當(dāng)投入量小于礦化量，固然會(huì)引起土壤有機(jī)碳含量和土壤肥力的下降；但在投入量過高情況下，流動(dòng)平衡系統(tǒng)也會(huì)導(dǎo)致入多出多，達(dá)到新的平衡點(diǎn)后每年會(huì)有高量土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化，從而引起農(nóng)田土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分，特別是礦質(zhì)氮的流失，進(jìn)入水體及大氣環(huán)境中。因而，科學(xué)界新近認(rèn)同的觀點(diǎn)是營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳的投入量應(yīng)當(dāng)以土壤有機(jī)碳的礦化流失不致產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為宜。此時(shí)，土壤有機(jī)碳供應(yīng)已達(dá)最佳水平。在達(dá)到最佳水平之后，每年通過有機(jī)肥和秸稈還田施入農(nóng)田的營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳量應(yīng)與土壤有機(jī)碳的礦化量持平，維持一進(jìn)一出基本平衡的原則。對(duì)農(nóng)田土壤培肥而言，不能一味通過提高營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳投入量使農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量持續(xù)提升，而是在達(dá)到最佳平衡點(diǎn)后以土壤有機(jī)質(zhì)含量實(shí)現(xiàn)正零平衡（positive zero）為目標(biāo)。

2 土壤中有機(jī)碳的分解、累積和轉(zhuǎn)化

近年來最重要的進(jìn)展之一是通過多點(diǎn)長(zhǎng)期試驗(yàn)對(duì)隨施肥進(jìn)入土壤的有機(jī)物料在土壤中分解、累積和轉(zhuǎn)化過程的認(rèn)識(shí)。而這一過程又可分為兩類過程討論。第一類是一次性施入一定量有機(jī)物質(zhì)后，其在土壤中的分解過程。其二類是連續(xù)多年每年施入一定量有機(jī)物質(zhì)后，其對(duì)土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的長(zhǎng)期累加效應(yīng)。

研究顯示，一次性施入一定量有機(jī)物質(zhì)后，其在土壤中的分解速率可用以下指數(shù)函數(shù)定量描述[12]。

At= A0e-k t（1）

式中，t為時(shí)間；At為至t時(shí)間點(diǎn)土壤中剩余（未被分解）的有機(jī)物質(zhì)量；A0為起始時(shí)間點(diǎn)施入土壤的有機(jī)物質(zhì)量。

e=2.718，為自然常數(shù)；k為每單位時(shí)間的分解常數(shù)。

At為t時(shí)間點(diǎn)的有機(jī)物質(zhì)分解率，表示在經(jīng)歷t時(shí)后，土壤中殘留的有機(jī)物質(zhì)量。At受時(shí)間進(jìn)程、起始時(shí)間點(diǎn)投入的有機(jī)物質(zhì)量A0和分解常數(shù)k的影響。k值越大，代表有機(jī)質(zhì)的分解越快。k值通常需要通過田間試驗(yàn)實(shí)測(cè)獲得，主要取決于進(jìn)入農(nóng)田的有機(jī)物質(zhì)類型、土壤、氣候與及時(shí)間因素的影響。在中歐土壤、氣候條件下，作物收獲后地表和根系殘留物的k值通常為0.032，而秸稈的k值平均為0.021[9]。

利用上式，可計(jì)算一次性施入定量有機(jī)物質(zhì)后，其在土壤中的分解速率。例如，當(dāng)秸稈碳氮比值為86，k值為0.021，在秸稈施入土壤50周后，用公式（1）計(jì)算出的At值為35%（公式2）。這一算式表示，施入土壤中的秸稈在50周后，土壤中未分解的有機(jī)物質(zhì)量尚有35%，而65%已被分解礦化。公式2中x為乘號(hào)。

At=100% e-0,021×50 Weeks= 35% （2）

在施用有機(jī)物質(zhì)的第一年，分解速率較高，隨后進(jìn)入緩慢降解階段。因而，描述施入土壤中有機(jī)物質(zhì)的全分解過程，通常需要用兩個(gè)k值分別表達(dá)初期的快速分解和后期的緩慢分解階段。

一次性施入定量有機(jī)物質(zhì)后，有機(jī)物質(zhì)在土壤中的分解過程示于圖2下半幅中。在中歐氣候條件下，通過施用有機(jī)肥和秸稈還田進(jìn)入農(nóng)田的有機(jī)物質(zhì)通常在第一年即有一半以上被礦化和分解。第一年未被腐解的有機(jī)物質(zhì)將在第二年、第三年繼續(xù)被礦化、分解，如圖2下半幅圖中綠柱所示。隨年份延續(xù)，第一年投入的有機(jī)物質(zhì)在隨后各年中的累積分解量如綠線所示，呈對(duì)數(shù)變化曲線。隨著時(shí)間延續(xù)，第一年投入的有機(jī)物質(zhì)在幾十年后最終將完全分解，達(dá)到100%。與此對(duì)應(yīng)，在第一年投入農(nóng)田的有機(jī)物質(zhì)在當(dāng)年與及之后各年殘留在土壤中的有機(jī)碳量呈指數(shù)變化曲線，如紅線所示，在幾十年后，殘留量為0。

由于每年均有有機(jī)物質(zhì)隨地表和根系殘留物及有機(jī)肥進(jìn)入土壤，有機(jī)物質(zhì)在土壤中分解、累積和轉(zhuǎn)化過程不是僅按公式1 進(jìn)行，而是呈現(xiàn)一種連續(xù)多年每年施用有機(jī)物質(zhì)后的累加效應(yīng)。這種累加效應(yīng)示于圖2的上半幅中。假定每年有機(jī)物質(zhì)投入量相同，圖2中黑色折線的峰值表達(dá)每年施入有機(jī)物質(zhì)后土壤中有機(jī)碳總量（包含土壤中原來的有機(jī)碳儲(chǔ)量和新投入的有機(jī)碳量），向下箭頭則指示在當(dāng)年礦化分解后土壤中存留的有機(jī)碳量（礦化量為當(dāng)年新施入土壤中有機(jī)碳的礦化量和之前土壤中存留有機(jī)碳礦化量的合計(jì)），只要每年投入的有機(jī)碳量大于當(dāng)年的總礦化量，土壤有機(jī)碳含量將持續(xù)上升；直至每年的投入量與每年的礦化量相等，土壤有機(jī)碳含量將不再增加。此時(shí)，土壤有機(jī)碳含量達(dá)到平衡點(diǎn)。在中歐氣候條件下，達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)間周期通常為20—30年。在特定條件下，達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)間周期也可能超過100年[10-11]。這也意味著通過秸稈還田或施用有機(jī)肥等農(nóng)作措施提高土壤有機(jī)碳含量，形成新的平衡，需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間周期，而僅靠在一年或幾年中土壤有機(jī)物質(zhì)投入量的改變，將很難改變?cè)衅胶狻?/p>

從圖2還可看出，更高而持續(xù)的有機(jī)物質(zhì)投入量將導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量的逐步提高，與此同時(shí)，每年有機(jī)物質(zhì)分解量也會(huì)逐步增加，直至單位時(shí)間、單位面積投入量與分解量相等，形成新的平衡。

有機(jī)物質(zhì)化學(xué)組成不同，在土壤中的分解速率差別很大。圖3匯總了用網(wǎng)袋試驗(yàn)獲得的不同類別有機(jī)物質(zhì)在土壤中的分解速率?？梢钥闯?，C/N比值低的綠肥，在經(jīng)過機(jī)械粉碎和土壤翻耕后，12周內(nèi)即有50%以上物料為土壤生物（動(dòng)物、菌類和土壤微生物）作為食物和能源利用掉。而C/N比高、木質(zhì)素含量高的木屑則比較難分解，最難分解的為泥炭。難分解的有機(jī)物質(zhì)施入土壤后先是在土壤中累積，但在幾十年后仍會(huì)被逐漸分解。隨著有機(jī)物質(zhì)的分解，以非有機(jī)結(jié)合態(tài)存在于有機(jī)物料中的鉀、鈉等礦質(zhì)養(yǎng)分，首先被釋放。之后，具有一定穩(wěn)定性的、以有機(jī)結(jié)合態(tài)形式存在于有機(jī)物料中的礦質(zhì)養(yǎng)分，如氮、磷、硫及微量元素也將被分解和釋放。

3 有機(jī)物質(zhì)的腐殖化與土壤團(tuán)聚體

較早研究認(rèn)為，土壤中有機(jī)物質(zhì)在分解和腐殖化后產(chǎn)生的胡敏酸為化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的長(zhǎng)鏈物質(zhì)，長(zhǎng)鏈的胡敏酸類物質(zhì)是形成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物質(zhì)（圖4-A）。實(shí)際上，至今仍未能獲得這一長(zhǎng)鏈化合物存在于土壤中的直接證據(jù)[13-14]。新的相關(guān)研究則認(rèn)為有機(jī)物質(zhì)在經(jīng)過分解和腐殖化后生成的物質(zhì)主要為黃色或棕黑色的、多元化的、相對(duì)較小的短鏈化合物（圖4-B）。而短鏈化合物才是形成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物質(zhì)。這些短鏈化合物有多糖、多肽、脂肪族化合物和多環(huán)的木質(zhì)素碎片等，這些短鏈物質(zhì)通過陽離子與土壤礦物顆粒結(jié)合形成土壤團(tuán)聚體。

圖2 每年投入等量有機(jī)物質(zhì)后土壤中有機(jī)物質(zhì)的累積、分解和轉(zhuǎn)化[4,9]

圖3 不同類別有機(jī)物質(zhì)在土壤中分解所需時(shí)間[3]

A模式：土壤團(tuán)聚體由長(zhǎng)鏈的胡敏酸物質(zhì)與土壤顆粒結(jié)合形成。B模式：土壤團(tuán)聚體由腐殖化產(chǎn)生的多元化的短鏈物質(zhì)構(gòu)成，這些短鏈物質(zhì)有多糖（黑色）、多肽（藍(lán)色）、脂肪族化合物（綠色）和多環(huán)的木質(zhì)素碎片（褐色）。這些短鏈物質(zhì)通過陽離子（紅色）與土壤礦物顆粒結(jié)合形成土壤團(tuán)聚體

土壤有機(jī)碳降解后生成多元、短鏈化合物與土壤礦物顆粒結(jié)合形成土壤團(tuán)聚體的過程亦稱為“生物構(gòu)建”或“生物擾動(dòng)作用”。與純物理過程（如冰凍作用）形成的土壤團(tuán)聚體相比較，生物構(gòu)建土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性更強(qiáng)，團(tuán)聚體彈性和松軟度也顯著更好，可有效防止土壤侵蝕和分散，提高土壤空隙度，改進(jìn)土壤水分和養(yǎng)分儲(chǔ)存容量、土壤通氣性狀，這些功能均是構(gòu)成土壤肥力最重要的因素。生物構(gòu)建土壤團(tuán)聚體的水分與養(yǎng)分儲(chǔ)存能力大大高于純黏土礦物。而土壤微生物分泌黏液（例如疏水脂肪酸）可進(jìn)一步改進(jìn)土壤團(tuán)聚體的鏈接。由此，土壤微生物活性亦與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性直接關(guān)聯(lián)。

生物構(gòu)建土壤團(tuán)聚體的主要特征是團(tuán)聚體穩(wěn)定性主要取決于土壤生物活動(dòng)。受土壤中有機(jī)物質(zhì)分解、腐殖化等不同過程影響，生物構(gòu)建形成的土壤團(tuán)聚體持續(xù)發(fā)生著聚合和崩解，而要保持高的土壤肥力，就需要有持續(xù)而豐富的營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳輸入，以維持較高水平的土壤生物活動(dòng)。在土壤中有機(jī)物質(zhì)（含土壤團(tuán)聚體中有機(jī)物質(zhì)）被不斷分解的同時(shí)，源源不斷形成新的、充足的前體物質(zhì)，促進(jìn)新的有機(jī)-無機(jī)團(tuán)聚體生成，維持土壤中總有機(jī)-無機(jī)團(tuán)聚體的穩(wěn)定度。這也是土壤肥力受土壤生物性狀影響的主要原因。從這一角度，土壤肥力保育類似于對(duì)生命過程的保育，需要根據(jù)其周期性變化特征，對(duì)土壤生物活動(dòng)進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定和不間斷地照料。

筆者在豆科綠肥地表覆蓋試驗(yàn)中觀測(cè)到，在綠肥鮮物重產(chǎn)量達(dá)60 t·hm-2條件下，將綠肥收獲物粉碎和覆蓋地表后，地表覆蓋物厚度可達(dá)6 cm，僅在覆蓋后幾周內(nèi)，蚯蚓即可以將地表覆蓋物料全部拖入土壤中，供應(yīng)土壤微生物食用，以便獲得微生物代謝產(chǎn)物作為自己所喜愛的食料。這也從側(cè)面證實(shí)，土壤中生物活動(dòng)是使土壤有機(jī)-無機(jī)團(tuán)聚體維持在較高水平，創(chuàng)建肥沃土壤的基礎(chǔ)。

4 有機(jī)物質(zhì)供應(yīng)水平對(duì)農(nóng)田土壤肥力的影響

對(duì)數(shù)以百計(jì)的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)分析結(jié)果顯示，土壤有機(jī)物質(zhì)供應(yīng)水平的改進(jìn)對(duì)提高土壤肥力具多方面作用[9,15]。在中歐氣候和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，通過增施營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳，將農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)供應(yīng)水平提高1—2個(gè)等級(jí)（從“缺乏、十分缺乏”提高至“平衡”）之后，土壤物理、化學(xué)和生物性狀的相對(duì)變化示于表1。結(jié)果顯示，農(nóng)田有機(jī)物質(zhì)供應(yīng)水平從“缺乏、十分缺乏”提高至“平衡”等級(jí)后，土壤容重、孔隙度和團(tuán)聚體穩(wěn)定性明顯改進(jìn)，而這些土壤物理性狀的改進(jìn)又直接影響到土壤水分承載力、土壤抗侵蝕性能、土壤入滲水量、土壤田間持水量和陽離子代換量的提升。

農(nóng)田有機(jī)物質(zhì)投入量的提高還直接增加了土壤氮、磷、硫和微量元素含量。有機(jī)物質(zhì)供應(yīng)水平的逐步提升，激活了土壤生物，使微生物生物量和蚯蚓密度顯著提升，并使得土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的礦化和釋放加強(qiáng)，提高了農(nóng)田產(chǎn)量承載力。這對(duì)于不允許施用礦質(zhì)氮肥的生態(tài)農(nóng)業(yè)而言尤為重要。長(zhǎng)期試驗(yàn)顯示，隨土壤有機(jī)物質(zhì)供應(yīng)水平提高，土壤質(zhì)量性狀的全面改進(jìn)，作物產(chǎn)量平均增加為10%—33%，最大增加可達(dá)123%—127%。

表1還顯示，許多十分重要的土壤肥力性狀均與土壤有機(jī)物質(zhì)供應(yīng)水平直接或間接相關(guān)，這也是土壤有機(jī)質(zhì)含量之所以成為考量土壤質(zhì)量的超級(jí)重要指標(biāo)的緣由。近年來，德國(guó)的土壤保護(hù)法、肥料法與及歐盟生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)范均將保持或改進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)供應(yīng)水平納入其中[16-19]。

表1不僅列出了受土壤有機(jī)物質(zhì)供應(yīng)水平影響的各類土壤理化性狀，而且列出了這種影響的變化范圍和邊界。在目前中歐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，通過秸稈還田和施用有機(jī)肥，農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的相對(duì)提高將很難超過30%。這就是說，對(duì)于有機(jī)碳含量為100 g·kg-1（以有機(jī)碳量計(jì)）的農(nóng)田土壤而言，僅通過秸稈還田和施用有機(jī)肥，土壤有機(jī)碳含量將很難從100 g·kg-1提升至130 g·kg-1以上。這亦表明土壤有機(jī)物質(zhì)供應(yīng)量的提升對(duì)土壤理化性狀的影響是有限的。

表1 土壤有機(jī)質(zhì)供應(yīng)等級(jí)從"低"提高至"平衡"等級(jí)后對(duì)土壤質(zhì)量的影響[20-22]

5 影響土壤有機(jī)碳含量及變化的主要因素

通常意義而言，土壤有機(jī)碳含量是土壤有機(jī)碳投入與分解兩個(gè)過程多年平衡的表達(dá)，較高土壤有機(jī)質(zhì)含量，代表較高肥力水平。實(shí)際上，受土壤所處地點(diǎn)氣候、土壤質(zhì)地等條件影響，不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量差別較大。例如，目前德國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)含量分為7個(gè)等級(jí)，最低一級(jí)的土壤有機(jī)質(zhì)含量不到10 g·kg-1，而最高一級(jí)可達(dá)300 g·kg-1以上（表2）。而根據(jù)中國(guó)有機(jī)質(zhì)含量圖（2017年版），占我國(guó)陸域面積29%的很低和低的土壤有機(jī)質(zhì)含量（≤10 g·kg-1）主要分布于西北地區(qū)，有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤（＞25 g·kg-1）主要分布于我國(guó)東北和西南地區(qū)（表3）。

表2 德國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)含量（0—20 cm土層）分級(jí)[23]

表3 中國(guó)土壤有機(jī)質(zhì)含量(0—30 cm土層)分級(jí)[24]

就自然土壤而言，造成不同類型土壤有機(jī)質(zhì)含量差別的主要因素為氣候條件和成土過程。中國(guó)西北部地區(qū)，降水量低，土壤粗砂粒含量高，在這些地區(qū)廣泛分布的風(fēng)砂土，其0—30 cm土層內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量平均不到5 g·kg-1。而在德國(guó)，在遠(yuǎn)離地下水的沖積性砂土上有機(jī)質(zhì)含量也只有5 g·kg-1。有機(jī)質(zhì)含量最高的是受地下水和層間水影響的土壤，在這類土壤上，由于缺氧，土壤中有機(jī)物質(zhì)分解受阻，造成在沼澤地區(qū)形成的泥炭土有機(jī)質(zhì)含量可超過700 g·kg-1。中歐和中國(guó)的土壤調(diào)查結(jié)果均顯示，在土壤剖面中，有機(jī)物質(zhì)主要存在于0—100 cm土體之內(nèi)。

5.1 土地利用方式的影響 在氣候等自然因素之外，對(duì)土壤有機(jī)碳含量變化影響最大的人為因素是土地利用方式變化。研究顯示，不同土地利用方式下，剖面上部土層中土壤有機(jī)質(zhì)含量有顯著的區(qū)別。草地土壤有機(jī)質(zhì)含量通常高于林地，而耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量最低（表4）。

表4 德國(guó)不同土地利用方式條件下的土壤有機(jī)質(zhì)含量[25]

將林地和草地改為耕地后，土壤有機(jī)質(zhì)含量通?？上陆?0%—80%。例如，通過土壤改良，在潮濕地區(qū)沼澤土上進(jìn)行排水，將沼澤地改為耕地，土壤有機(jī)質(zhì)含量將急劇下降。從碳減排目標(biāo)考慮，這類措施在歐洲已不再推薦采用。實(shí)際上，對(duì)土地利用方式的確定往往已含有人們對(duì)當(dāng)?shù)貧夂?、地形和地?shì)因素的考慮。例如，在歐洲，雨量豐富、排水不暢的低洼土地通常用作草地，而不是耕地，以抵御間歇性淹水對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和耕作的影響。一般而言，土地利用變化為可逆過程。例如將草地或林地改為耕地后再變回為草地或林地，通過一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)期，可以重建原來土地利用形式下典型的土壤有機(jī)質(zhì)含量。在每一次土地利用方式發(fā)生變化后，土壤有機(jī)質(zhì)含量均會(huì)發(fā)生極大變化（增加或減少），直至達(dá)到與新土地利用方式相匹配的土壤有機(jī)質(zhì)含量平衡點(diǎn)，之后土壤有機(jī)質(zhì)含量將不再變化。

5.2 耕地土壤上點(diǎn)位特征的影響 為闡明耕地土壤上影響土壤有機(jī)質(zhì)含量和變化的主要因素，中歐地區(qū)曾在不同地點(diǎn)布置了多個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)。對(duì)240個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)的匯總分析結(jié)果顯示，在耕地土壤上，氣候、土壤質(zhì)地類型和農(nóng)作措施是對(duì)耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量影響最大的三類因素[25-28]。三類因素對(duì)有機(jī)質(zhì)含量的影響范圍如下：

氣候條件：＞50%；

土壤質(zhì)地類型：20%—30%；

農(nóng)作措施：輪作類型、施肥和耕作5%—30%。

由于以上影響因素具有點(diǎn)位特定特征，這使得耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量也具有典型的點(diǎn)位特定特征。

對(duì)土壤有機(jī)碳含量與土壤礦物組成的相關(guān)分析顯示，土壤有機(jī)碳含量隨土壤黏粒含量的增加而增加（圖5）。

圖5 土壤黏粒組成對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響[5,29]

多數(shù)情況下，耕地土壤有機(jī)碳含量不僅取決于土壤質(zhì)地類型、溫度、降水量、輪作等因素的單因素作用，也受多因素之間交互作用的影響。對(duì)德國(guó)194個(gè)長(zhǎng)期試驗(yàn)中1 479個(gè)處理的匯總分析結(jié)果顯示，氣候因素和土壤質(zhì)地類型對(duì)土壤有機(jī)碳的影響具有明顯的交互作用。如圖6所示，當(dāng)土壤黏粒含量處于25%—35%區(qū)間時(shí)，隨降水量增加，土壤有機(jī)碳含量下降；而在黏粒含量處于5%—15%區(qū)間時(shí)，隨著降水量增加，土壤有機(jī)碳含量增加。

5.3 種植作物的影響 種植制度也是一種可通過人為措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量施加影響的重要因素。每年作物收獲后，農(nóng)田地表和土壤中會(huì)遺留下殘存的作物秸稈和根系。這些遺留在農(nóng)田土壤中的物質(zhì)成為土壤生物所需要的營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳。作物收獲后遺留在農(nóng)田地表的及根系殘留物量用EWR值表示。不同作物的EWR值差別較大（圖7）。

多年生豆科作物、套播的間作作物和越冬谷物達(dá)到一定產(chǎn)量后可遺留高量地表及根系殘留物，其EWR值較高。而籽粒豆科、普通間作作物和甜菜、馬鈴薯等塊根、塊莖作物收獲后只留下較少的地表及根系殘留物，EWR值較低。圖7所顯示各類作物EWR值的帶寬則表示在不同點(diǎn)位上，通過試驗(yàn)獲取的各類作物EWR值的變化范圍?？梢钥闯觯嗄晟暡莸膸捵兓秶?，表示在不同點(diǎn)位上這類作物的EWR值變異大。而塊根、塊莖作物的EWR值帶寬較窄。不同作物的地表及根系殘留物的碳氮比（C/N）差異較大。C/N比高的地表及根系殘留物，其分解與轉(zhuǎn)化較慢。例如油料作物的地表及根系殘留物，C/N比高，分解慢。而C/N比低的地表及根系殘留物，分解礦化快。例如綠肥翻入土壤后，較短時(shí)間內(nèi)就被分解和礦化。

不同類型作物產(chǎn)生的地表及根系殘留物數(shù)量與質(zhì)量不同，典型耕作、收獲等農(nóng)作措施不同，造成土壤有機(jī)質(zhì)生成能力不同。不同類型作物在其典型種植方式下的有機(jī)質(zhì)生成能力可用有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量值（Heq）表達(dá)，用以度量不同作物的種植期、地表及根系殘留物量和耕作方式對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的綜合影響。

圖6 土壤黏粒含量和降雨量對(duì)土壤有機(jī)碳含量的交互作用[26, 30]

圖7 不同類型作物收獲后產(chǎn)生的地表及根系殘留物量[3,5]

圖8顯示了不同作物的有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量值及變化范圍?？梢钥闯?，多年生飼草、籽粒豆科和套播間作作物產(chǎn)生的地表及根系殘留物量較高（圖7）；種植條件下，這類作物生成的有機(jī)質(zhì)量顯著高于農(nóng)田有機(jī)質(zhì)分解量。具有正有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量值的作物可稱為土壤有機(jī)質(zhì)增加型作物。谷物特別是玉米、馬鈴薯、甜菜在收獲后，農(nóng)田遺留的地表及根系殘留物所產(chǎn)生的土壤有機(jī)質(zhì)量不足以補(bǔ)充農(nóng)田有機(jī)質(zhì)的礦化分解量，有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量值為負(fù)值，這些作物則稱為有機(jī)質(zhì)消耗型作物。冬季間作作物和普通間作作物也能補(bǔ)充農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的虧缺。

作物高產(chǎn)可產(chǎn)生較高的地表及根系殘留物，從而使農(nóng)田獲得較高的有機(jī)質(zhì)供應(yīng)水平。對(duì)于根莖、塊根作物而言，收獲時(shí)高強(qiáng)度的土壤翻耕使土壤有機(jī)質(zhì)分解強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)存量的虧缺。與圖7相似，圖8中，每種作物有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量的帶寬反映了該作物在不同點(diǎn)位、不同產(chǎn)量條件下的變化范圍。這里，點(diǎn)位主要指氣候、土壤條件對(duì)作物有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量的影響。

各主要作物在圖7與圖8中的排序不一致還說明，作物的有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量不僅取決于作物產(chǎn)生的地表及根系殘留物量，也受殘留物碳氮比、翻耕、免耕等農(nóng)作措施的影響。

* 作物收獲后秸稈、葉子、谷殼等運(yùn)送出田Straw, leaves, hulls, etc. are transported out of field after harvesting

5.4 施用有機(jī)肥料的影響 除作物地表與根系殘留物之外，有機(jī)肥施用是農(nóng)田土壤營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳輸入的主要來源。有機(jī)肥料包括畜禽糞便和秸稈還田。對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)消耗型作物而言，補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)虧缺的主要途徑是施用有機(jī)肥。各類有機(jī)肥料化學(xué)組成不同，施入農(nóng)田后，分解行為差別很大。難分解的有機(jī)物料通常具有高C/N比，如泥炭、木材和針葉落葉分解最慢。中歐氣候條件下，施入土壤3年后還有40%—60%物質(zhì)未被分解（圖3）。為減少農(nóng)田水土流失地表覆蓋的秸稈分解速率要比翻入土壤中秸稈的分解晚20周（圖3）。在中歐農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，有機(jī)肥或有機(jī)物料施入或翻耕入土壤3年后，70%以上均可被分解，其中C/N比較低的有機(jī)物料80%能被分解（圖3）。

不同有機(jī)物質(zhì)施入農(nóng)田后其有機(jī)質(zhì)生成能力區(qū)別很大，這一量綱也可用有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量表達(dá)。圖9顯示了以干物重計(jì)不同有機(jī)肥或有機(jī)物料的有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量變化范圍。

有機(jī)物料（以干物重計(jì)）施入土壤后，其有機(jī)質(zhì)生成能力排序如下：

堆肥＞漚糞＞沼渣＞鮮糞＞牛廄流質(zhì)廄肥＞豬廄流質(zhì)廄肥＞秸稈＞綠肥。

綠肥和還田秸稈的有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量值較低。圖9中，沼液和沼渣主要源于牛廄和豬廄流質(zhì)廄肥發(fā)酵后殘?jiān)?。生物質(zhì)能源發(fā)酵后產(chǎn)生的殘?jiān)袩o參數(shù)，估計(jì)應(yīng)位于牛廄流質(zhì)廄肥、沼渣和污泥之間。

比較難分解和養(yǎng)分匱乏的有機(jī)物料，如用落葉等植物材料制作的堆肥和秸稈在土壤中養(yǎng)分釋放量較小，不易引起礦質(zhì)氮的流失，特別適用于進(jìn)行土壤腐殖質(zhì)的構(gòu)建，可將這些有機(jī)物料用于腐殖質(zhì)缺乏的土壤類型上。在生產(chǎn)中，農(nóng)民可比較不同類型有機(jī)肥和土壤調(diào)理劑的養(yǎng)分含量、有機(jī)質(zhì)碳當(dāng)量值、土壤改良性能和有害物質(zhì)含量，并根據(jù)農(nóng)場(chǎng)種植制度、生產(chǎn)條件、有機(jī)肥料價(jià)格與及施入農(nóng)田是否需要長(zhǎng)距離運(yùn)送等因素選擇適合的有機(jī)肥種類。

6 結(jié)語

土壤有機(jī)碳對(duì)土壤肥力和環(huán)境具有重要意義，對(duì)土壤有機(jī)碳的研究一直是土壤與環(huán)境科學(xué)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。近十余年間，隨著對(duì)土壤有機(jī)碳存在形式及其穩(wěn)定性基礎(chǔ)研究的進(jìn)展，隨著長(zhǎng)期試驗(yàn)對(duì)農(nóng)田有機(jī)碳轉(zhuǎn)化機(jī)制的揭示，土壤有機(jī)碳研究范疇獲得以下新的重要進(jìn)展。

（1）新的研究表明，當(dāng)我們按照有機(jī)碳在土壤中的轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行分組，能更清晰闡明土壤有機(jī)碳在土壤肥力和環(huán)境質(zhì)量中的功能。土壤有機(jī)碳可分為穩(wěn)定性有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳兩大類型。前者主要指封存于土壤黏粒中的有機(jī)碳，占土壤有機(jī)碳總量的50%—80%，穩(wěn)定性有機(jī)碳與黏粒形成十分緊密結(jié)合，很難被微生物分解和礦化。后者主要為源于農(nóng)田條件下每年以作物收獲后地表及根系殘留物和包括秸稈還田等有機(jī)肥施肥方式進(jìn)入土壤的有機(jī)碳，占土壤有機(jī)碳總量的20%—50%，是土壤有機(jī)碳中易于轉(zhuǎn)化的、活躍的組分，也是形成土壤腐殖質(zhì)的主要前體物質(zhì)。對(duì)土壤肥力具有重要意義。

（2）土壤有機(jī)碳含量實(shí)際上反映了土壤中有機(jī)碳輸入與分解兩種過程的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)每年的輸入量小于礦化量，將導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量和土壤肥力下降。當(dāng)每年輸入的有機(jī)碳量大于礦化量，土壤有機(jī)碳含量持續(xù)上升；直至每年輸入量與礦化量相等，土壤有機(jī)碳含量不再增加，此時(shí)，土壤有機(jī)碳含量達(dá)到平衡點(diǎn)。在一般農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)間周期通常為20—30年。

（3）在營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳投入量過高情況下，這一動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)也會(huì)導(dǎo)致入多出多，達(dá)到新的平衡點(diǎn)后每年會(huì)有高量土壤有機(jī)物質(zhì)的礦化，從而引起農(nóng)田土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分，特別是礦質(zhì)氮的流失，進(jìn)入水體及大氣環(huán)境中。為實(shí)現(xiàn)土壤培肥和環(huán)境保護(hù)雙重目標(biāo)，營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳的投入量應(yīng)以土壤有機(jī)碳的礦化流失不致產(chǎn)生環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為宜，此時(shí)土壤有機(jī)碳供應(yīng)已達(dá)最佳水平，在達(dá)到最佳點(diǎn)之后每年通過有機(jī)肥和秸稈還田輸入農(nóng)田的有機(jī)碳量應(yīng)與土壤有機(jī)碳礦化量持平，維持一進(jìn)一出基本平衡的原則。

（4）營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳在土壤生物作用下分解為各種短鏈化合物，再通過生物構(gòu)建作用與土壤礦物顆粒形成土壤團(tuán)聚體，并以此對(duì)多項(xiàng)土壤肥力性狀發(fā)揮積極作用。受土壤中腐殖化、有機(jī)碳分解等不同過程影響，土壤團(tuán)聚體持續(xù)發(fā)生著聚合和崩解，只有持續(xù)而豐富的營(yíng)養(yǎng)性有機(jī)碳輸入，才能維持土壤中總有機(jī)-無機(jī)團(tuán)聚體的穩(wěn)定度。由此，土壤肥力的保育類似于對(duì)生命過程的養(yǎng)育，需要根據(jù)其周期性變化特征，進(jìn)行持續(xù)、穩(wěn)定和不間斷地照料。

（5）土壤有機(jī)碳含量主要取決于氣候條件、土壤質(zhì)地狀況及土地利用類型。在人為因素中，土地利用方式的變化對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響最大，而施肥、秸稈還田、耕作等農(nóng)作措施對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響比較小。耕地土壤上，作物類型不同，其典型的耕作和收獲方式不同，收獲后存留地表和土壤中的殘留物數(shù)量和質(zhì)量不同，有機(jī)質(zhì)生成能力不同。據(jù)此，可將作物分為有機(jī)質(zhì)增加型或消耗型兩種類型。對(duì)于有機(jī)質(zhì)消耗性作物，需要在輪作制度中引入有機(jī)質(zhì)增加型作物或增施有機(jī)肥，以保持土壤肥力。

7 展望

本文所述按照有機(jī)碳在土壤中轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行分組，并建立這一分組與土壤有機(jī)碳功能的關(guān)聯(lián)，為指導(dǎo)農(nóng)田土壤有機(jī)碳、氮的管理提供了新的線索和科學(xué)依據(jù)。中歐長(zhǎng)期試驗(yàn)證實(shí)的，土壤有機(jī)碳含量反映了土壤有機(jī)碳輸入與分解過程的動(dòng)態(tài)平衡、達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)間周期較長(zhǎng)、農(nóng)田土壤有機(jī)碳管理目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)正零平衡等觀點(diǎn)，為理解土壤有機(jī)碳在土壤培肥中的作用、科學(xué)保育農(nóng)田土壤提供了科學(xué)基礎(chǔ)，也為我國(guó)提供了可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)與中歐的土壤、氣候及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差別較大，農(nóng)田土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化特征、達(dá)到平衡的時(shí)間周期、主要作物和輪作類型對(duì)土壤有機(jī)碳的消耗和增加特征、不同類別有機(jī)物料在土壤中轉(zhuǎn)化特征也將有較大差別。例如我國(guó)西北地區(qū)普遍干旱，土壤有機(jī)質(zhì)分解緩慢，達(dá)到平衡的年限可能更長(zhǎng)。而我國(guó)廣泛分布的水田和水旱輪作農(nóng)田，其土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化過程與非水田土壤也將有很大差別。要闡明這些類型農(nóng)田土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化特征，為指導(dǎo)農(nóng)田土壤的有機(jī)碳、氮管理提供科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)參數(shù)，還需要進(jìn)一步深入研究。

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Research Progress of SOC Functions and Transformation Mechanisms

ZHANG WeiLi1, KOLBE H2, ZHANG RenLian1

(1Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;2S?chsische Landesanstalt für Landwirtschaft, Waldheimer Stra?e 219, D-01683 Nossen, Germany)

Up to end of last century, studies on SOC were mainly concentrated in identifying chemical structures of different organic materials in soil, such as structural characteristics of humic or fulvic acids and their related functions for soil quality. In recent years, focus on SOC has been laid on SOC transformation characteristics in soil, trying to establish the relationship between SOC functions and the grouping according to SOC transformation characteristics. According to the transformation properties, SOC can be divided into two groups, including the stable SOC and the active SOC. The first one refers mainly to the SOC closely combined with clay or fine silt and it is difficult to be decomposed and mineralized by soil microorganisms. Stable SOC belongs to passive and inert SOC pool in soil. The second one refers to SOC, which mainly consists of crop residues and roots after harvesting, crop straws returned to farmland and organic manures applied. The active SOC belongs to nutritive and labile SOC pool in soil. This part of SOC is of great importance to soil fertility. SOC concentration is actually the expression of dynamic equilibrium of two processes. One is the input of organic materials to soil and the other one is the decomposition and mineralization of SOC. When the amount of organic material input is less than the mineralized amount, the SOC concentration and soil fertility will decrease. When the annual input of organic carbon is greater than the annual mineralization amount, the SOC concentration will keep rising until the annual input is equal to the annual mineralized amount. At this moment, SOC concentration will no longer increase and reaches the equilibrium point. Under normal agricultural production conditions, the duration for reaching equilibrium point needs 20 to 30 years. If the active SOC input is in very high level, the dynamic equilibrium system will also lead to a high amount of SOC mineralization annually. In such case, it might lead to a loss of mineral nutrients from soil into water and atmospheric environments, especially mineral nitrogen loss. For the purposes of soil fertility improvement and environmental protection, the active SOC input for farmland should be controlled to the level equal to the annual SOC mineralization amount, sustaining the so-called balance with positive zero. New research shows that the active SOC, after entering soil, is decomposed into a series of short-chain chemical compounds by soil organisms. These short-chain chemical compounds combine with soil mineral particles and form soil organic-mineral aggregates through bioturbation. A lot of soil fertility properties are positively affected by formation of these aggregates. Influenced by humification, decomposition and other processes of SOC, aggregation and disaggregation in soil occur simultaneously and consistently. In order to maintain stability of the total aggregates in soil and to increase soil fertility, sustained and abundant active SOC should be inputted to soil. Variation of SOC concentration depends mainly on climate, soil texture and land use forms. Among the artificial influences, land use form changing has the greatest impact on SOC concentration. In comparison, farming managements, such as fertilization, straw returning, tillage and crop rotation, have much less impacts on SOC concentration. In arable land, crops with different growth periods, tillage and harvesting managements will produce different amounts of above ground residues and root residues after harvesting. Depending on residue quantity and quality, different crops are of different capacity for SOC reproduction. According to the differentiated SOC reproduction capacities, field crops can be divided into two types: SOC increasing crops and SOC consuming crops. For farmland with SOC consuming crops, it is very important to introduce SOC increasing crops in rotation or to apply organic manure or organic materials to field, in order to sustain soil fertility.

SOC; active SOC; soil fertility; SOC transformation mechanisms; crop rotation

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.02.007

2019-06-03；

2019-09-02

科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)（2006FY120200、2012FY112100）

張維理，Tel：010-82106217；E-mail：zhangweili@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）