土壤有機(jī)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(chǔ)存碳約25 000億噸（15 500億噸有機(jī)碳和9500億噸的無(wú)機(jī)碳）[1]。其中有機(jī)碳庫(kù)為大氣碳庫(kù)（7500億噸）的2倍，接近陸地植被生物量碳的1.8倍。土壤有機(jī)碳庫(kù)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(kù)，其微小變化將對(duì)大氣二氧化碳濃度產(chǎn)生巨大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(kù)的1/10[2]?？梢?jiàn)，土壤有機(jī)碳的保持與穩(wěn)定對(duì)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(jī)碳庫(kù)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(jī)碳儲(chǔ)量地理差異較大。例如，干旱區(qū)農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度較低，僅為30噸/公頃，而在高緯度草原地區(qū)可高達(dá)80噸/公頃以上。據(jù)估算，全球土壤表層（20厘米以內(nèi)）有機(jī)碳儲(chǔ)量約為6150億噸，占土壤剖面（1米）有機(jī)碳總儲(chǔ)量的40%。土壤表層碳密度易受到人為活動(dòng)的強(qiáng)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(jī)質(zhì)與土壤碳庫(kù)

土壤有機(jī)質(zhì)及其類型

一般來(lái)說(shuō)，土壤有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于植物殘?bào)w、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(jī)物質(zhì)的集合體。有機(jī)質(zhì)組分在土壤中經(jīng)歷不同的分解與轉(zhuǎn)化過(guò)程，同時(shí)與土壤礦物質(zhì)和團(tuán)聚體結(jié)合并受其保護(hù)作用。以閉蓄態(tài)或包被態(tài)等物理形式保護(hù)在土壤團(tuán)聚體內(nèi)和團(tuán)聚體間的有機(jī)質(zhì)，稱為顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)，屬于潛在快速更新的碳庫(kù)；而主要以化學(xué)結(jié)合態(tài)固定存在于礦物質(zhì)組分的有機(jī)質(zhì)，稱為礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)，它們分解程度較高、分解較慢，屬于抗性有機(jī)質(zhì)，為慢更新碳庫(kù)。因此，顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)富集植物來(lái)源的較新鮮有機(jī)質(zhì)，微生物利用性較高，而礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)，因植物源有機(jī)質(zhì)組分基本分解，主要為微生物來(lái)源的有機(jī)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(jī)組分存在，環(huán)境中遷移性較強(qiáng)，這部分主要是可溶性有機(jī)質(zhì)。土壤中微生物生物體，在測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)時(shí)也被檢測(cè)到，且可以采用單獨(dú)的熏蒸提取而測(cè)出來(lái)，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(jī)碳的1%～3%，特殊情形下可能占5%。有機(jī)質(zhì)豐富的土壤，顆粒態(tài)有機(jī)碳可能占主導(dǎo)地位，反之，以微生物來(lái)源為主的礦物結(jié)合態(tài)碳占優(yōu)勢(shì)。最近十多年氣候變化研究日益證明，土壤中有機(jī)質(zhì)積累實(shí)際上是植物源有機(jī)質(zhì)不斷被土壤/團(tuán)聚體結(jié)合保護(hù)的結(jié)果，因此，土壤有機(jī)質(zhì)與團(tuán)聚體發(fā)育不可分割，土壤有機(jī)質(zhì)的保持實(shí)際上是土壤團(tuán)聚體的發(fā)育和穩(wěn)定的過(guò)程，這將碳庫(kù)與土壤結(jié)構(gòu)緊密地聯(lián)系起來(lái)。

土壤團(tuán)聚體與土壤有機(jī)質(zhì)連續(xù)體概念模型

土壤團(tuán)聚體是礦物質(zhì)—有機(jī)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(xué)循環(huán)及土壤肥力和質(zhì)量的基本反應(yīng)單元，是土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)存的重要場(chǎng)所。團(tuán)聚體的建成可以理解為有機(jī)分子與礦物質(zhì)顆粒的結(jié)合，先形成有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合體，后通過(guò)新有機(jī)質(zhì)（顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)）膠凝為更大的團(tuán)聚體。大團(tuán)聚體是土壤中有機(jī)質(zhì)—微生物—生物活性的功能活躍區(qū)域[4]，因?yàn)闂谄渲械奈⑸锿x擇保持有可利用碳組分（如顆粒態(tài)有機(jī)碳）的微生境。土壤有機(jī)碳庫(kù)形態(tài)的多樣性分布和有機(jī)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(tuán)聚體保護(hù)與封存在土壤固碳中越來(lái)越得到重視，了解團(tuán)聚體尺度有機(jī)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(wèn)題。

美國(guó)土壤學(xué)家萊曼（J. Lehmann）等人提出的土壤有機(jī)質(zhì)連續(xù)體概念模型[5]，展現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)理論應(yīng)用的前景。該模型提出的觀點(diǎn)涉及兩個(gè)方面：一是土壤有機(jī)質(zhì)分子的微生物分解與有機(jī)質(zhì)分子在團(tuán)聚體中的分布和空間隔離有關(guān)；二是有機(jī)質(zhì)分子在團(tuán)聚體中的存在與其和土壤礦物結(jié)合保護(hù)而避免微生物挖掘利用有關(guān)。因此，進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)的分解序列與其在團(tuán)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(jī)質(zhì)是一系列既處于不同分解階段又結(jié)合或保護(hù)于不同粒徑團(tuán)聚體的生命來(lái)源的有機(jī)分子集合。考慮到有機(jī)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?bào)w多存在于粒徑較大的團(tuán)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(xì)菌及其殘留物趨向于向較小團(tuán)聚體集中。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)中土壤微生境多樣性，可能賦予了土壤有機(jī)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(jī)質(zhì)的功能

土壤有機(jī)質(zhì)的積累改善了土壤質(zhì)量并促進(jìn)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(jī)質(zhì)通過(guò)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育和地球生物化學(xué)過(guò)程的雙重控制，對(duì)各種土壤過(guò)程起著調(diào)節(jié)作用，發(fā)揮著多種生態(tài)服務(wù)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(dòng)的功能，也包括可礦化有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤微生物的激發(fā)效應(yīng)。隨著對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量、組成、結(jié)構(gòu)和功能研究的深入和有機(jī)分子分離、檢測(cè)和定量等有機(jī)化學(xué)分析及鑒定技術(shù)的提升，剖析土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳庫(kù)

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(chǔ)量分別約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的46%～56%、29%～31%和5%～8%。這些生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量所占比例較大，其有機(jī)碳庫(kù)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(jī)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(chǔ)庫(kù)和碳吸收匯。森林土壤按1米深估算，其有機(jī)碳儲(chǔ)量達(dá)7900億～9300億噸，是全球土壤有機(jī)碳儲(chǔ)庫(kù)的主要貢獻(xiàn)者[3]。按照生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)估算，全球森林土壤層持有的有機(jī)碳庫(kù)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(jiàn)在全球碳庫(kù)中，保護(hù)北方森林和熱帶森林具有優(yōu)先地位。在中國(guó)，森林土壤有機(jī)碳主要儲(chǔ)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(kù)對(duì)日益加劇的全球變化最為敏感，而熱帶森林土壤碳庫(kù)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(jī)碳儲(chǔ)量達(dá)到7600億噸，約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總有機(jī)碳儲(chǔ)量的15%，其中近90%以有機(jī)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(jī)碳的來(lái)源主要是植物殘根和凋落物。草原中土壤有機(jī)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(jī)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(dāng)[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(jī)碳貯量約為1700億噸，超過(guò)全球陸地有機(jī)碳貯量的10%。不同土地利用方式下土壤碳儲(chǔ)量存在較大差異。例如，水稻土作為長(zhǎng)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(guó)，近30萬(wàn)公頃的水稻土碳庫(kù)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(jī)碳密度僅為36噸/公頃左右。從農(nóng)田土壤有機(jī)碳在剖面的豐度分布來(lái)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(chǔ)存大量的有機(jī)碳。全球濕地土壤總碳庫(kù)為5500億噸，占全球陸地土壤碳庫(kù)的1/3[7]。如果這些有機(jī)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(jī)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(dá)300噸/公頃。在一些泥炭沼澤濕地，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)50%以上。全球濕地碳絕大多數(shù)儲(chǔ)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(chǔ)存庫(kù)、排放源和吸收匯，對(duì)全球氣候變化具有重要的影響，濕地開(kāi)發(fā)因造成溫室氣體排放而越來(lái)越受到詬病。

農(nóng)業(yè)土壤固碳措施

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)第四次評(píng)估報(bào)告指出，農(nóng)業(yè)溫室氣體減排潛力90%是通過(guò)土壤固碳，因此，通過(guò)適當(dāng)?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(jiàn)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(guò)程中的主要副產(chǎn)品，含有豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素和其他微量元素，是一種寶貴的可再生有機(jī)資源。秸稈還田不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，提高土壤中養(yǎng)分含量，而且能促進(jìn)作物生長(zhǎng)，增加作物產(chǎn)量，尤其重要的是能增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、減少土壤溫室氣體排放[8]。據(jù)估計(jì)，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(guó)江蘇為例，2014年未被利用的秸稈資源相當(dāng)于170萬(wàn)噸標(biāo)煤，若將其全部還田，所返還的養(yǎng)分替代化肥可抵消36萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)量溫室氣體的排放；若將其全部進(jìn)行熱裂解炭化，則可以生產(chǎn)近130萬(wàn)噸生物質(zhì)炭，發(fā)電9.19億千瓦時(shí)，所生產(chǎn)的生物質(zhì)炭有機(jī)碳含量為77萬(wàn)噸，施入土壤相當(dāng)于固碳280萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)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(guó)農(nóng)田每年可減少二氧化碳排放當(dāng)量約2.1億噸，相當(dāng)于2000年中國(guó)全年二氧化碳排放量的6.2%。

生物質(zhì)炭 它是有機(jī)物質(zhì)在完全或部分缺氧的條件下低溫?zé)崃呀馍傻墓虘B(tài)混合物，原料可包括作物秸稈、樹(shù)木枝干、畜禽糞便和稻殼等，其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)土壤固碳的技術(shù)近年來(lái)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(kù)，只有5%的碳會(huì)通過(guò)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(jì)如果能將作物秸稈、樹(shù)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(guó)際生物質(zhì)炭組織估計(jì)，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(dāng)量溫室氣體排放。就全球作物秸稈的利用情況來(lái)看，發(fā)展以及推廣應(yīng)用低溫?zé)崃呀馍镔|(zhì)炭技術(shù)，對(duì)于農(nóng)業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)糧食生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

保護(hù)性耕作 自20世紀(jì)30年代以來(lái)，保護(hù)性耕作已經(jīng)為世界各國(guó)廣泛采用。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，目前全球保護(hù)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(rèn)識(shí)到自身活動(dòng)，特別是耕作對(duì)土壤溫室氣體排放的貢獻(xiàn)，保護(hù)性耕作作為一項(xiàng)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(jī)質(zhì)分解的關(guān)鍵在于有機(jī)質(zhì)在土壤中失去團(tuán)聚體的保護(hù)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(lái)受到團(tuán)聚體保護(hù)的土壤有機(jī)碳暴露而被土壤微生物利用，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化速率提高，加速了土壤碳的釋放。實(shí)施保護(hù)性耕作后，減少了對(duì)土壤的擾動(dòng)，一方面降低了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解，另一方面還能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的發(fā)育。研究表明，通過(guò)采用保護(hù)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(hù)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(dāng)于全球每年排放量的5%～15%[9]。以美國(guó)為例，57%的耕地采用保護(hù)性耕作技術(shù)時(shí)，美國(guó)土壤的碳收集能力達(dá)到0.8億～1.3億噸；若有76%的耕地采用保護(hù)性耕作措施，美國(guó)土壤的碳收集能力將達(dá)到3億～5億噸，由此可見(jiàn)保護(hù)性耕作對(duì)于增加土壤碳匯和應(yīng)對(duì)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(jī)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(jī)質(zhì)是至關(guān)重要的決定因子。對(duì)于我國(guó)一些糧食主產(chǎn)區(qū)來(lái)說(shuō)， 年平均糧食單產(chǎn)水平與其耕地土壤的平均有機(jī)質(zhì)水平密切相關(guān)。我國(guó)耕地面積約為1.3億公頃，約占我國(guó)國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)一直擔(dān)負(fù)著保障不斷增長(zhǎng)人口的糧食安全的重任。然而，就碳密度來(lái)說(shuō)，我國(guó)土壤總體上低于世界平均值。因此，提高我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤的碳密度對(duì)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(jī)碳在土壤的封存，因而增加有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)存成為農(nóng)業(yè)固碳減排的主要途徑。通過(guò)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(chǔ)量，實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的必然要求，同時(shí)，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(yīng)用中不僅實(shí)現(xiàn)短期土壤增碳的目標(biāo)，而且還能改良土壤、降低土壤污染、改善作物的生長(zhǎng)環(huán)境而提升產(chǎn)量和品質(zhì)。

可持續(xù)農(nóng)業(yè)要求實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)保、高效多元化發(fā)展。在應(yīng)對(duì)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(jì)，才能全面實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化、營(yíng)養(yǎng)化、功能化，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)良性循環(huán)。

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