土壤有機質(zhì)與土壤固碳

鄭聚鋒 陳碩桐

全球地表以下至1米深的土層儲存碳約25 000億噸（15 500億噸有機碳和9500億噸的無機碳）[1]。其中有機碳庫為大氣碳庫（7500億噸）的2倍，接近陸地植被生物量碳的1.8倍。土壤有機碳庫是地球表層系統(tǒng)中最大、最具有活性的生態(tài)系統(tǒng)碳庫，其微小變化將對大氣二氧化碳濃度產(chǎn)生巨大影響。據(jù)統(tǒng)計，全球每年因土壤呼吸（包括土壤生物呼吸和土壤中植物根系呼吸）釋放的二氧化碳為500億～760億噸，占陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣間碳交換總量的2/3，接近于大氣碳庫的1/10[2]?？梢?，土壤有機碳的保持與穩(wěn)定對全球氣候變化起著重要的調(diào)節(jié)作用，并影響著陸地生態(tài)系統(tǒng)的分布、組成、結(jié)構(gòu)和功能。

土壤有機碳庫主要集中在植物根系分布的表層。由于氣候、植被和土壤類型等不同，土壤有機碳儲量地理差異較大。例如，干旱區(qū)農(nóng)田土壤有機碳密度較低，僅為30噸/公頃，而在高緯度草原地區(qū)可高達80噸/公頃以上。據(jù)估算，全球土壤表層（20厘米以內(nèi)）有機碳儲量約為6150億噸，占土壤剖面（1米）有機碳總儲量的40%。土壤表層碳密度易受到人為活動的強烈干擾，因而土壤碳管理在全球環(huán)境管控中具有重要地位。

土壤有機質(zhì)與土壤碳庫

土壤有機質(zhì)及其類型

一般來說，土壤有機質(zhì)主要來源于植物殘體、根系及其分泌物，以及土壤微生物及其代謝產(chǎn)物，是不同分子大小和碳鏈結(jié)構(gòu)的糖類、單寧、脂質(zhì)、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和芳香族化合物等類群的有機物質(zhì)的集合體。有機質(zhì)組分在土壤中經(jīng)歷不同的分解與轉(zhuǎn)化過程，同時與土壤礦物質(zhì)和團聚體結(jié)合并受其保護作用。以閉蓄態(tài)或包被態(tài)等物理形式保護在土壤團聚體內(nèi)和團聚體間的有機質(zhì)，稱為顆粒態(tài)有機質(zhì)，屬于潛在快速更新的碳庫；而主要以化學結(jié)合態(tài)固定存在于礦物質(zhì)組分的有機質(zhì)，稱為礦物結(jié)合態(tài)有機質(zhì)，它們分解程度較高、分解較慢，屬于抗性有機質(zhì)，為慢更新碳庫。因此，顆粒態(tài)有機質(zhì)富集植物來源的較新鮮有機質(zhì)，微生物利用性較高，而礦物結(jié)合態(tài)有機質(zhì)，因植物源有機質(zhì)組分基本分解，主要為微生物來源的有機組分。另外，微生物分解產(chǎn)物短期可能仍以分解中間狀態(tài)的小分子有機組分存在，環(huán)境中遷移性較強，這部分主要是可溶性有機質(zhì)。土壤中微生物生物體，在測定土壤有機質(zhì)時也被檢測到，且可以采用單獨的熏蒸提取而測出來，這部分活的和死亡的微生物成為微生物生物量碳。一般地，微生物生物量碳占土壤有機碳的1%～3%，特殊情形下可能占5%。有機質(zhì)豐富的土壤，顆粒態(tài)有機碳可能占主導地位，反之，以微生物來源為主的礦物結(jié)合態(tài)碳占優(yōu)勢。最近十多年氣候變化研究日益證明，土壤中有機質(zhì)積累實際上是植物源有機質(zhì)不斷被土壤/團聚體結(jié)合保護的結(jié)果，因此，土壤有機質(zhì)與團聚體發(fā)育不可分割，土壤有機質(zhì)的保持實際上是土壤團聚體的發(fā)育和穩(wěn)定的過程，這將碳庫與土壤結(jié)構(gòu)緊密地聯(lián)系起來。

土壤團聚體與土壤有機質(zhì)連續(xù)體概念模型

土壤團聚體是礦物質(zhì)—有機質(zhì)—微生物相互作用形成的土壤基本顆粒，是土壤生物地球化學循環(huán)及土壤肥力和質(zhì)量的基本反應單元，是土壤有機質(zhì)儲存的重要場所。團聚體的建成可以理解為有機分子與礦物質(zhì)顆粒的結(jié)合，先形成有機—無機復合體，后通過新有機質(zhì)（顆粒態(tài)有機質(zhì)）膠凝為更大的團聚體。大團聚體是土壤中有機質(zhì)—微生物—生物活性的功能活躍區(qū)域[4]，因為棲于其中的微生物往往選擇保持有可利用碳組分（如顆粒態(tài)有機碳）的微生境。土壤有機碳庫形態(tài)的多樣性分布和有機質(zhì)分子組成的多樣化構(gòu)成了土壤生物多樣性，并潛在影響土壤的生態(tài)系統(tǒng)功能多樣性。隨著團聚體保護與封存在土壤固碳中越來越得到重視，了解團聚體尺度有機碳的穩(wěn)定與微生物活性的關(guān)系是理解土壤固碳與生態(tài)系統(tǒng)功能協(xié)調(diào)關(guān)系的核心問題。

美國土壤學家萊曼（J. Lehmann）等人提出的土壤有機質(zhì)連續(xù)體概念模型[5]，展現(xiàn)了土壤有機質(zhì)理論應用的前景。該模型提出的觀點涉及兩個方面：一是土壤有機質(zhì)分子的微生物分解與有機質(zhì)分子在團聚體中的分布和空間隔離有關(guān)；二是有機質(zhì)分子在團聚體中的存在與其和土壤礦物結(jié)合保護而避免微生物挖掘利用有關(guān)。因此，進入土壤的有機質(zhì)的分解序列與其在團聚體中分布和結(jié)合穩(wěn)定的序列存在契合關(guān)系。土壤中有機質(zhì)是一系列既處于不同分解階段又結(jié)合或保護于不同粒徑團聚體的生命來源的有機分子集合。考慮到有機質(zhì)的分解程度和微生物參與分解的區(qū)系序列，分解程度較低的生物大分子和主要參與初期分解的真菌及其殘體多存在于粒徑較大的團聚體中，而充分降解釋放的較小分子以及主要參與后期分解的細菌及其殘留物趨向于向較小團聚體集中。團聚體結(jié)構(gòu)中土壤微生境多樣性，可能賦予了土壤有機質(zhì)的分子多樣性與微生物區(qū)系及種群的多樣性。

土壤有機質(zhì)的功能

土壤有機質(zhì)的積累改善了土壤質(zhì)量并促進土壤功能，這尤其體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和土壤管理的可持續(xù)性方面。作為土壤的關(guān)鍵組成部分，有機質(zhì)通過對土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育和地球生物化學過程的雙重控制，對各種土壤過程起著調(diào)節(jié)作用，發(fā)揮著多種生態(tài)服務功能。這些功能主要表現(xiàn)在：①保障生物量生產(chǎn)和能源生產(chǎn)； ②維持土壤生物多樣性；③提供養(yǎng)分、保水和保肥的功能；④固碳和穩(wěn)定氣候變化功能；⑤改善土壤物理結(jié)構(gòu)的功能；⑥生物激活功能，即刺激土壤生物（包括根系）代謝活動的功能，也包括可礦化有機質(zhì)對土壤微生物的激發(fā)效應。隨著對土壤有機質(zhì)含量、組成、結(jié)構(gòu)和功能研究的深入和有機分子分離、檢測和定量等有機化學分析及鑒定技術(shù)的提升，剖析土壤有機質(zhì)的豐度、組成、結(jié)構(gòu)及其生物活性的條件日益成熟，有機質(zhì)研究終將由“黑箱”抵近“白箱”。

不同生態(tài)系統(tǒng)中的土壤有機碳庫

陸地生態(tài)系統(tǒng)主要包括森林生態(tài)系統(tǒng)、草原生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)等。其中全球森林、草原和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分別約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的46%～56%、29%～31%和5%～8%。這些生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機碳儲量所占比例較大，其有機碳庫變化和調(diào)控是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與氣候變化反饋的核心機制。

森林生態(tài)系統(tǒng) 這是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲庫和碳吸收匯。森林土壤按1米深估算，其有機碳儲量達7900億～9300億噸，是全球土壤有機碳儲庫的主要貢獻者[3]。按照生態(tài)系統(tǒng)的碳庫估算，全球森林土壤層持有的有機碳庫分布為：北方針葉林 4710億噸，熱帶亞熱帶森林4800億噸，溫帶森林1000億噸，可見在全球碳庫中，保護北方森林和熱帶森林具有優(yōu)先地位。在中國，森林土壤有機碳主要儲存于東北黑土區(qū)和熱帶亞熱帶紅黃壤地區(qū)。北方苔原土壤碳庫對日益加劇的全球變化最為敏感，而熱帶森林土壤碳庫因植被退化最不穩(wěn)定，所以溫帶森林土壤可能是大氣二氧化碳濃度的主要調(diào)節(jié)者。

草原生態(tài)系統(tǒng) 這是世界上分布最廣的植被類型。據(jù)估算，世界草原面積約為35億公頃，有機碳儲量達到7600億噸，約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總有機碳儲量的15%，其中近90%以有機碳的形態(tài)貯存在草原土壤層中。在草原生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有機碳的來源主要是植物殘根和凋落物。草原中土壤有機碳主要集中于0～20厘米的表層土壤中，其中0～10厘米土壤有機碳含量是深層土壤（80～100厘米）的4～10倍。草原土壤隨著水分遞減，碳密度也在逐漸降低，其中黑鈣土、暗栗鈣土、栗鈣土與同緯度的森林土壤碳密度相當[6]。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng) 全球農(nóng)田耕地面積約為13.7億公頃，其有機碳貯量約為1700億噸，超過全球陸地有機碳貯量的10%。不同土地利用方式下土壤碳儲量存在較大差異。例如，水稻土作為長期水耕熟化下形成的人為土壤，固碳能力顯著高于其他農(nóng)業(yè)土壤。在我國，近30萬公頃的水稻土碳庫為13億噸，碳密度46噸/公頃以上，而農(nóng)業(yè)土壤的平均有機碳密度僅為36噸/公頃左右。從農(nóng)田土壤有機碳在剖面的豐度分布來看，表層土壤由于容易受到農(nóng)業(yè)固碳措施的影響，其含量大大高于深層土壤。

濕地生態(tài)系統(tǒng) 這也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成之一，盡管全球濕地面積僅占陸地面積的4%～6%，但因濕地植物較高的生物量生產(chǎn)率和較低的分解率，濕地土壤能夠儲存大量的有機碳。全球濕地土壤總碳庫為5500億噸，占全球陸地土壤碳庫的1/3[7]。如果這些有機碳全部釋放到大氣中，大氣二氧化碳濃度將增加約50%，全球平均氣溫將升高0.8～2.5℃。研究表明，濕地土壤有機碳密度，一般在150噸/公頃以上，很多沼澤和泥炭濕地的碳密度高達300噸/公頃。在一些泥炭沼澤濕地，表層土壤有機質(zhì)含量高達50%以上。全球濕地碳絕大多數(shù)儲存在泥炭地中，主要分布于北半球溫帶及寒帶地區(qū)。濕地作為溫室氣體的儲存庫、排放源和吸收匯，對全球氣候變化具有重要的影響，濕地開發(fā)因造成溫室氣體排放而越來越受到詬病。

農(nóng)業(yè)土壤固碳措施

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第四次評估報告指出，農(nóng)業(yè)溫室氣體減排潛力90%是通過土壤固碳，因此，通過適當?shù)霓r(nóng)業(yè)管理措施，農(nóng)業(yè)土壤可以發(fā)揮較大的固碳作用，從而減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的土壤溫室氣體排放。農(nóng)業(yè)上主要的土壤固碳措施有以下幾種。

秸稈還田 它是常見的農(nóng)業(yè)管理措施，也是重要的土壤固碳途徑之一。作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)品，含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素和其他微量元素，是一種寶貴的可再生有機資源。秸稈還田不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤團聚體穩(wěn)定性，提高土壤中養(yǎng)分含量，而且能促進作物生長，增加作物產(chǎn)量，尤其重要的是能增加土壤有機質(zhì)含量、減少土壤溫室氣體排放[8]。據(jù)估計，秸稈約占生產(chǎn)性農(nóng)作物總生物量的50%，全球范圍內(nèi)每年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)約產(chǎn)生40億噸秸稈，具有巨大的固碳減排潛能。以中國江蘇為例，2014年未被利用的秸稈資源相當于170萬噸標煤，若將其全部還田，所返還的養(yǎng)分替代化肥可抵消36萬噸二氧化碳當量溫室氣體的排放；若將其全部進行熱裂解炭化，則可以生產(chǎn)近130萬噸生物質(zhì)炭，發(fā)電9.19億千瓦時，所生產(chǎn)的生物質(zhì)炭有機碳含量為77萬噸，施入土壤相當于固碳280萬噸二氧化碳當量。綜合土壤固碳和稻田甲烷減排，推廣秸稈“旱重水輕”還田技術(shù)（即主要還田于旱作季，盡量少還田于稻作季），中國農(nóng)田每年可減少二氧化碳排放當量約2.1億噸，相當于2000年中國全年二氧化碳排放量的6.2%。

生物質(zhì)炭 它是有機物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下低溫熱裂解生成的固態(tài)混合物，原料可包括作物秸稈、樹木枝干、畜禽糞便和稻殼等，其在農(nóng)業(yè)應用實現(xiàn)土壤固碳的技術(shù)近年來受到了廣泛關(guān)注。由于生物質(zhì)炭較為穩(wěn)定，難以被微生物降解，使得其成為土壤的惰性碳庫，只有5%的碳會通過土壤微生物的作用重新釋放到大氣，而土壤多固定了20%的碳。研究估計如果能將作物秸稈、樹木枝干等轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)炭施于土壤，而不是直接燃燒，全球尺度下碳排放將降低12%～84%。國際生物質(zhì)炭組織估計，到2040年平均每年僅利用農(nóng)林廢棄物就可以減少3.67億噸二氧化碳當量溫室氣體排放。就全球作物秸稈的利用情況來看，發(fā)展以及推廣應用低溫熱裂解生物質(zhì)炭技術(shù)，對于農(nóng)業(yè)應對氣候變化和實現(xiàn)糧食生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

保護性耕作 自20世紀30年代以來，保護性耕作已經(jīng)為世界各國廣泛采用。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計，目前全球保護性耕作面積約為1.7億公頃，占總耕地面積的11%。隨著全球氣候變化加劇，人類逐漸認識到自身活動，特別是耕作對土壤溫室氣體排放的貢獻，保護性耕作作為一項有效減少溫室氣體排放的措施受到特別關(guān)注。最新的研究表明，土壤有機質(zhì)分解的關(guān)鍵在于有機質(zhì)在土壤中失去團聚體的保護而被微生物所分解，在常規(guī)耕作模式下，土壤結(jié)構(gòu)的破壞以及頻繁的干濕交替作用，使原來受到團聚體保護的土壤有機碳暴露而被土壤微生物利用，導致土壤有機碳礦化速率提高，加速了土壤碳的釋放。實施保護性耕作后，減少了對土壤的擾動，一方面降低了土壤有機質(zhì)的礦化分解，另一方面還能夠促進土壤團聚體的發(fā)育。研究表明，通過采用保護性耕作和其他農(nóng)田管理措施，大約60%～70%的損失碳可被重新固定。全球范圍內(nèi)，如果采用保護性耕作等碳管理措施，每年從大氣中吸收固定的碳量為 4億～12億噸，相當于全球每年排放量的5%～15%[9]。以美國為例，57%的耕地采用保護性耕作技術(shù)時，美國土壤的碳收集能力達到0.8億～1.3億噸；若有76%的耕地采用保護性耕作措施，美國土壤的碳收集能力將達到3億～5億噸，由此可見保護性耕作對于增加土壤碳匯和應對全球氣候變化的重要意義。

土壤固碳與可持續(xù)農(nóng)業(yè)

土壤有機質(zhì)是耕地地力最重要的性狀之一，是土壤質(zhì)量和功能的核心。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中， 土壤有機質(zhì)是至關(guān)重要的決定因子。對于我國一些糧食主產(chǎn)區(qū)來說， 年平均糧食單產(chǎn)水平與其耕地土壤的平均有機質(zhì)水平密切相關(guān)。我國耕地面積約為1.3億公頃，約占我國國土面積的1/8。以占全球不到9%的耕地養(yǎng)活了全球1/5的人口，我國農(nóng)業(yè)一直擔負著保障不斷增長人口的糧食安全的重任。然而，就碳密度來說，我國土壤總體上低于世界平均值。因此，提高我國農(nóng)業(yè)土壤的碳密度對提升土壤肥力和保障糧食生產(chǎn)具有重要意義。

提升土壤固碳本質(zhì)上看是從其量的平衡角度關(guān)注有機碳在土壤的封存，因而增加有機質(zhì)儲存成為農(nóng)業(yè)固碳減排的主要途徑。通過改善農(nóng)業(yè)發(fā)展模式、發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)田土壤碳儲量，實現(xiàn)溫室氣體減排是應對全球氣候變化的必然要求，同時，也是提升土壤質(zhì)量和作物產(chǎn)量的必然選擇。以生物質(zhì)炭為例，因其具有良好的理化性質(zhì)和高度穩(wěn)定性，在農(nóng)田應用中不僅實現(xiàn)短期土壤增碳的目標，而且還能改良土壤、降低土壤污染、改善作物的生長環(huán)境而提升產(chǎn)量和品質(zhì)。

可持續(xù)農(nóng)業(yè)要求實現(xiàn)生態(tài)環(huán)保、高效多元化發(fā)展。在應對全球氣候變化的大背景下，只有將生產(chǎn)效益和生態(tài)效益相統(tǒng)一，探索固碳與保持土壤健康、提高作物產(chǎn)量協(xié)同的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)道路，發(fā)展一種全新的以低能耗和低污染為基礎(chǔ)的綠色農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，才能全面實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化、營養(yǎng)化、功能化，從而達到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)良性循環(huán)。

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