土壤有機碳同位素組成在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的應(yīng)用進展*

李發(fā)東, 栗照鑫, 喬云峰, 劉山寶, 田 超, 朱 農(nóng),Hubert Hirwa, Simon Measho

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室 北京 100101; 2.山東禹城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站/中國科學(xué)院禹城綜合試驗站 禹城 251200; 3.中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100190)

大氣中的二氧化碳濃度(CO2)從1750年工業(yè)時代開始時的277.0 mg·kg-1增加到2019年的(409.8±0.1) mg·kg-1[1], 使得大氣平均溫度上升1.1 ℃。全球變暖會造成如極端氣候頻發(fā)、海平面上升、淡水資源短缺、危害人體健康等[2]諸多危害。因此, 治理全球變暖成為許多國家的目標(biāo)。2020年第75屆聯(lián)合國大會上, 我國向世界鄭重承諾力爭在2030年前實現(xiàn)碳達峰, 努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和。為了達到這一目標(biāo), 我國一直在積極探索固碳減排的有效途徑。植樹造林被認為是固碳減排的有效方法,與森林面積的變化和已建森林的增長相對應(yīng), 中國森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫在這幾十年中顯著增加[3]。草原是一個高度動態(tài)的土地利用系統(tǒng), 提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能, 具有較強的碳儲存能力[4]。此外,濕地生態(tài)系統(tǒng)是生物圈中土壤碳的重要儲存庫, 在全球碳循環(huán)以及應(yīng)對氣候變化過程中發(fā)揮著重要作用[5]。國際學(xué)術(shù)界在研究森林、草原、濕地等生態(tài)系統(tǒng)對增強土壤碳匯作用的過程中, 發(fā)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在固碳方面的作用越來越重要[6-7]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,中國積極倡導(dǎo)秸稈還田, 使得全國范圍內(nèi)表層土壤(0～20 cm)的平均土壤有機碳(SOC)儲量從1980年的28.6 Mg(C)·hm-2增加至2011年的32.9 Mg(C)·hm-2[8]。有機質(zhì)是土壤的重要組成部分, 其數(shù)量和質(zhì)量在一定程度上反映生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力和次級生產(chǎn)力的大小, 因此, 與土壤肥力、碳截獲潛力密切相關(guān)。土壤有機碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫, 約占66.7%～75.0%, 其輕微的變化會對大氣的CO2濃度產(chǎn)生很大影響, 因此SOC對研究全球氣候變化和碳循環(huán)具有重要意義, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中SOC穩(wěn)定性過程和機制也已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的熱點問題[9]。對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)的研究, 將有助于預(yù)測未來大氣中CO2濃度的變化以及理解大氣圈和生物圈相互作用機制。

穩(wěn)定碳同位素技術(shù)是研究土壤碳循環(huán)最為科學(xué)有效的方法之一[10], 已在農(nóng)田SOC周轉(zhuǎn)[11-12]、土壤呼吸及其來源區(qū)分[12-13]、地上與地下碳分配[14]等方面得到廣泛應(yīng)用。然而, 運用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)針對農(nóng)田管理方式影響下的土壤碳周轉(zhuǎn)、分配及碳固持效應(yīng)的機理性研究目前開展的較少。自然界中存在7種碳同位素(10C、11C、12C、13C、14C、15C、16C), 只有12C、13C兩種為穩(wěn)定性碳同位素, 其中12C、13C天然豐度分別為98.89%、1.11%,14C只有極微量且具放射性, 半衰期為5730年; 其他同位素由人工核反應(yīng)獲得, 均有放射性且含量極少[15]。不同同位素之間物理化學(xué)性質(zhì)上的差異使反應(yīng)前和反應(yīng)后的物質(zhì)在同位素組成上存在差異, 這種現(xiàn)象稱為同位素分餾效應(yīng)[16-17]?；诖? 利用穩(wěn)定碳同位素技術(shù)研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是一種有效的手段, 同時也是研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機碳穩(wěn)定性的有效工具。穩(wěn)定性同位素(12C 、13C)與放射性同位素(14C)相比, 具有安全、無污染、易控制等優(yōu)點, 被廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳周轉(zhuǎn)的生物地球化學(xué)過程研究[18]。

目前, 國內(nèi)一些研究人員分別從農(nóng)田耕作制度[19]、施肥方式[20]、秸稈還田[21]等方面研究了農(nóng)田生產(chǎn)力、碳固持速率、溫室氣體排放效應(yīng)等問題。但至今對如何提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有機碳穩(wěn)定性的機制認識尚未完全明確, 導(dǎo)致農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和關(guān)鍵碳周轉(zhuǎn)過程的估算還存在很大不確定性, 迫切需要深入開展農(nóng)田碳固持潛力的機制研究。

1 不同耕作措施對土壤有機碳固持過程的影響

緩解氣候變化和確保由于全球人口呈指數(shù)增長所帶來的糧食安全問題是未來農(nóng)業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。改進土壤耕作措施對于通過提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、土壤肥力和碳固持能力來解決這些問題至關(guān)重要[22]。應(yīng)對氣候變化需要降低大氣中的CO2濃度,這可以通過減少CO2排放量和增加碳匯來實現(xiàn)[23]。土壤中碳的儲量和存儲時間在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中分別是最高和最久的, 耕作措施會影響其儲量和周轉(zhuǎn)周期, 采用有效的耕作措施會使土壤成為碳匯, 增強土壤碳的穩(wěn)定性[24]。SOC含量是一個重要的土壤質(zhì)量指標(biāo), 對包括初級生產(chǎn)力、氣候調(diào)節(jié)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在內(nèi)的不同土壤功能具有重要影響, 其損失是加劇氣候變化的主要原因之一[25]。SOC的動態(tài)平衡過程決定著土壤碳儲存過程, 因此研究SOC的動態(tài)變化對揭示不同耕作措施影響下的土壤碳固持過程以及調(diào)控機制具有重要意義。

在進一步深入探討之前, 需要先了解幾個重要概念。首先是碳飽和度, 是指SOC存量的增加與碳輸入不呈正比, 這意味著土壤并不是一個無限的碳匯[26]。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要與土壤中礦物粒度百分比有關(guān), 尤其是細粒礦物(＜20 μm)[27]。它們通過有機-礦物相互作用(物理-化學(xué)相互作用)保護有機碳不被淋濾, 或限制有機化合物進入土壤微生物群落, 或阻礙分解者的氧氣供應(yīng)(物理保護)[27]。其次是碳固持, 是指將大氣中的CO2通過植物、植物殘留物和其他有機固體轉(zhuǎn)移到土壤中的過程, 這些有機固體作為土壤有機質(zhì)(腐殖質(zhì))的一部分儲存或保留在土壤中[28]。某一耕作措施的碳固存潛力代表在特定氣候、特定時間段和特定土壤深度(主要是0～20 cm)下SOC存量的最大增加或減少量?？偟膩碚f, 負碳固存潛力代表SOC的凈損失, 而正碳固存對應(yīng)SOC存量的增加[29]。最后是碳儲存, 是指在特定土地單元和一定土壤深度以及時間段內(nèi)SOC儲量的增加[29]?？偟膩碚f, 碳儲存被定義為特定時間段內(nèi)特定土壤深度的碳質(zhì)量變化, 而碳固持則被定義為特定時間段內(nèi)特定土壤深度的碳固定速率。因此, 碳固持更能準(zhǔn)確反映土壤SOC動態(tài)變化過程。

不同耕作措施(如免耕、翻耕、秸稈還田、施肥等)主要通過改變土壤結(jié)構(gòu)(特別是團聚體)、土壤理化性質(zhì)而影響土壤的碳固持效率[30], 從而影響SOC的穩(wěn)定性, 最終影響土壤碳排放過程和氣候變化(圖1)。

圖 1 耕作方式影響土壤CO2排放的過程和監(jiān)測方法展望Fig.1 Prospect of processes and measuring methods of soil CO2 emission affected by tillage method

傳統(tǒng)耕作(如犁耕)機械地破壞土壤表面的團聚體, 使以前受保護的土壤有機質(zhì)(SOM)暴露在微生物的分解環(huán)境下[31], 促進土壤侵蝕, 減少有機碳儲量[32]。經(jīng)證明, 采用免耕或少耕方法的農(nóng)田表層土壤(0～10 cm)的有機碳含量顯著高于傳統(tǒng)耕作(如犁板耕法)[33]。然而, 隨著土壤深度的增加(＞10 cm), 耕作措施對SOC儲量沒有顯著性影響[33]。耕作引起的SOC損失與土壤侵蝕有關(guān)[34], 盡量減少機械干擾可通過增強土壤團聚體穩(wěn)定性來減少侵蝕[35]。不同組分碳在土壤中的周轉(zhuǎn)時間是影響SOC穩(wěn)定性的重要因素。隨著深度增加, 礦質(zhì)態(tài)SOC的穩(wěn)定性強于顆粒態(tài)SOC, 但翻耕農(nóng)田的礦質(zhì)態(tài)SOC穩(wěn)定性弱于免耕[36], 表明免耕對上述兩種形態(tài)碳的固持和穩(wěn)定性影響明顯。傳統(tǒng)的翻耕措施能增加土壤顆粒暴露面積, 加快大團聚體的崩解破裂, 從而加速土壤碳礦化。相反, 免耕減少了對土壤的擾動, 增加了土壤大團聚體對SOC的包裹使其減少礦化, 進而增加SOC庫[37]。長期定位試驗研究還認為, 免耕能顯著增加0～10 cm土層SOC含量, 但與傳統(tǒng)耕作措施相比, 10～30 cm土層SOC含量差別不大[38]。大多取樣深度超過30 cm的試驗中, 免耕深層SOC含量相對翻耕降低[39]。對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言, 由于耕作措施的改變, 土壤剖面的水分、養(yǎng)分、熱量、微生物及根系的生長都產(chǎn)生變化, 從而影響了土壤碳的平衡狀況, 使得耕作措施對土壤碳的影響機制更為復(fù)雜。因此, 需要用新技術(shù)手段(如穩(wěn)定碳同位素技術(shù)連續(xù)觀測)識別不同耕作農(nóng)田SOC庫的特征組分, 并了解其形成與周轉(zhuǎn)機制, 對探索SOC在不同時期(長期或短期)的動態(tài)變化至關(guān)重要。然而, 免耕增加的SOC儲量主要集中在表土層(0～10 cm), 而且這部分SOC大多為易分解碳[40], 其活性和礦化能力都很高, 不利于形成穩(wěn)定碳長期固持下來, 而且免耕深層土壤因其物理結(jié)構(gòu)的差異(如土壤容重增大), 碳的垂直運移過程受阻, 其碳的蓄積能力相比傳統(tǒng)耕作農(nóng)田要弱[41]。如何利用穩(wěn)定碳同位素對比研究免耕與傳統(tǒng)耕作農(nóng)田中垂直剖面土壤碳組分的固持效應(yīng)和周轉(zhuǎn)機制, 是提升深層SOC穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題。

秸稈還田不僅可以提高SOC儲量, 還可以改善土壤結(jié)構(gòu)、降低容重、減少蒸發(fā)、減少侵蝕并提高土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)入滲速率[42]。在農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中,秸稈被用于熱能生產(chǎn)或動物飼養(yǎng)/鋪墊, 秸稈被剪短并移除, 這減少了作物殘留物的總量[42]。一般來說,玉米(Zea mays)或多年生作物產(chǎn)生大量殘留物, 而馬鈴薯(Solanum tuberosum)等根莖作物產(chǎn)生的殘留物較少。殘留碳氮質(zhì)量也會影響SOC, 碳氮比較低的作物殘留[如大豆(Glycine max)]會促進微生物分解,這將促進土壤有機質(zhì)的分解[43]。碳氮比較高的作物殘留物(玉米)通常與有機碳累積有關(guān)。在類似的作物殘留管理下, 有機碳儲量隨產(chǎn)量的增加而增加[44]。盡管如此, 由于生長調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用和短莖作物類型的選擇, 作物殘留量可能不會隨作物產(chǎn)量呈比例增加。然而, 前人的研究也指出低碳氮比的作物殘留物可能會增加有機碳儲量[45]。在對長期野外原位試驗的薈萃分析中, 殘留物摻入使SOC存量增加了7%[46]。同時, 免耕+秸稈還田被認為可增加碳固持效率、減少CO2排放。此外, 免耕和秸稈還田相結(jié)合較少擾動土壤, 增加了土壤肥力與養(yǎng)分, 提高作物產(chǎn)量, 已被認為是理想的固碳、減排、增產(chǎn)的管理機制[47]。

施肥水平也是影響SOC固持的重要因素。尤其在華北平原, 大量的氮肥輸入成為集約農(nóng)業(yè)增加產(chǎn)量的主要渠道, 這也產(chǎn)生了很多不利的后果, 如增加溫室氣體排放、水體污染、加劇氣候變化等等。合理的無機氮肥輸入成為解決此問題的關(guān)鍵?？偟膩碚f, 施氮對SOC的影響有兩種截然不同的趨勢: 一方面, 氮肥為初級生產(chǎn)提供“燃料”, 從而提高地上和地下生物量, 進而豐富SOC儲量[29]; 另一方面, 氮肥可以刺激凋落物和土壤有機質(zhì)的生物降解[48], 減少SOC庫存[49]。因此, 最佳氮肥供應(yīng)可能對土壤碳固持至關(guān)重要[50]。在一項全球薈萃分析中, 氮肥使農(nóng)業(yè)土壤的有機碳減少了10%[50]; 而在另一個全球薈萃分析中, 氮肥使有機碳儲量增加了3.5%[51]。土壤有機質(zhì)可通過宏觀和微觀聚集或與淤泥和黏土顆粒的相互作用進行物理穩(wěn)定[52], 或通過形成難降解的SOM化合物進行生化穩(wěn)定[53]。在氮有限的環(huán)境中, 土壤微生物群落利用來自穩(wěn)定SOM的氮來滿足其生長和繁殖需求[54]。氮肥可通過促進凋落物分解, 同時減少微生物養(yǎng)分利用, 改善穩(wěn)定有機碳庫(細粒徑＜0.4 mm)[55]。然而, 施氮肥對SOC固持過程的影響還與土壤質(zhì)地有關(guān), 礦物氮肥添加傾向于增加土壤中的顆粒有機碳, 而淤泥和黏土粒級組分中的有機碳則減少, 產(chǎn)生不太穩(wěn)定的SOC[56]。與單獨施用礦質(zhì)氮肥類似, 化學(xué)氮肥、磷肥和鉀肥(NPK)增加了作物產(chǎn)量[13,53]和植物生物量、土壤微生物量以及SOC存量[57]。與不施肥條件相比, 一項長期野外試驗的薈萃分析表明, NPK、N、P和K施肥可分別將上層土壤(0～20 cm)的SOC儲量提高10%、5%、5%和2%[58]。此外, 氮和磷肥增加了根系生物量和根系分泌物, 從而提高了SOC儲量。不同土壤類型和種植制度的長期施肥試驗表明, 礦物NPK肥料對SOC固存的影響取決于土壤參數(shù), 主要是土壤有效氮含量和土壤pH[59]。除了提高初級生產(chǎn)力外, 磷肥還可以通過影響叢枝菌根真菌影響土壤固碳。與單獨施用氮肥相比, 施用NPK可減少叢枝菌根真菌的定殖, 從而減少菌根介導(dǎo)的植物養(yǎng)分吸收, 進而對土壤碳固存產(chǎn)生負面影響[60]。然而, 叢枝菌根真菌在陸地碳循環(huán)中的作用在很大程度上被忽視, 尤其是其對碳固存潛力的影響[61]?？偟膩碚f, 土壤微生物群落在控制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起著重要作用[62]。碳利用效率決定了碳在分解過程中的去向, 與氮和磷的有效性密切相關(guān), 并可能進一步受到鉀和微量營養(yǎng)素可及性的影響[63]。這些聯(lián)系需要通過進一步的研究加以解決。

2 土壤碳排放對土壤有機碳穩(wěn)定性的響應(yīng)機制

SOC是影響土壤質(zhì)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的主要土壤成分, 農(nóng)田管理措施對土壤的碳固存有很大影響。保持和改善SOC對于緩解集約化種植系統(tǒng)中土壤結(jié)構(gòu)惡化和CO2排放至關(guān)重要, 因為SOC被認為是一種重要的聚合結(jié)合劑和具有強大的碳匯功能[64]。土壤碳排放過程被認為與SOC穩(wěn)定性密切相關(guān), 一般來說二者表現(xiàn)出負相關(guān), SOC穩(wěn)定性減弱有利于土壤碳排放[65]。一方面, SOC穩(wěn)定性降低代表礦化過程增強, 可產(chǎn)生更多有利于提高微生物活性的底物,促進土壤碳排放[66]; 另一方面, 為根系生長提供更多可利用元素, 促進根系活動, 增加土壤碳排放強度[67]。

土壤碳排放過程主要通過土壤呼吸來完成, 土壤呼吸主要由土壤微生物、動物呼吸組成的異養(yǎng)呼吸與根系、根際呼吸組成的自養(yǎng)呼吸構(gòu)成(圖2), 對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳平衡有重要影響。目前, 關(guān)于土壤呼吸的研究主要集中于區(qū)分根呼吸和微生物呼吸兩個生物學(xué)過程[68-69], 而上述過程在呼吸性質(zhì)、呼吸主體、利用碳源、周轉(zhuǎn)速率、時空變異性以及對環(huán)境因子的響應(yīng)和適應(yīng)方面差異顯著[70]。土壤微生物呼吸是土壤對大氣CO2濃度增加的主要貢獻者,故只有區(qū)分根呼吸與土壤微生物呼吸才能準(zhǔn)確探研SOC穩(wěn)定性。在Zacháry等[71]的研究中指出通過測定輪作農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中不同作物生長時期的SOC的δ13C值, 可以定量描述SOC 的平均周轉(zhuǎn)時間, 進而衡量SOC穩(wěn)定性。SOC穩(wěn)定性與δ13C關(guān)系的研究有很多[72-74]。然而, 近30年來, 利用實時原位穩(wěn)定同位素技術(shù)區(qū)分土壤呼吸碳來源從而揭示SOC穩(wěn)定性機制的研究尚不多見。因此, 以后的研究要注重典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的原位觀測, 使用13C穩(wěn)定同位素技術(shù), 通過連續(xù)、實時地監(jiān)測土壤中各SOC組分含量, 解析不同碳組分[易分解SOC、微生物生物量碳(MBC)、惰性SOC]對土壤呼吸的貢獻, 以及SOC各組分碳的周轉(zhuǎn)速率和內(nèi)在穩(wěn)定性機制, 為研究典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)SOC不同組分穩(wěn)定機制及固持效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

圖 2 典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸組分結(jié)構(gòu)圖(華北平原)[69,79-81]Fig.2 Structure of soil respiration components in a typical farmland ecosystem (North China Plain)[69,79-81]

此外, 土壤呼吸各組分對環(huán)境因子響應(yīng)不同, 對土壤活性碳和惰性碳的利用和分解也不一致[75]。因此, 區(qū)分土壤CO2不同組分的來源和貢獻, 對理解不同碳組分的周轉(zhuǎn)效應(yīng)及SOC穩(wěn)定性非常關(guān)鍵。目前為止, 許多方法用來區(qū)分土壤CO2, 如根系去除法、壕溝法、環(huán)剝法、物理分割組分法、直接測量方法及同位素技術(shù)[76]。不同組分的碳同位素值差異可定量不同呼吸組分的比例及組分之間的凈交換, 自然豐度δ13C常用來區(qū)分土壤CO2通量, 其具有破壞小且不改變環(huán)境狀況等優(yōu)勢而得到廣泛應(yīng)用[70,77], 使得土壤呼吸組分分離技術(shù)和相關(guān)機制的研究取得了較大進展。然而, 由于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)受人為活動的強烈影響, 農(nóng)田水、肥的短期變化會嚴重影響土壤呼吸及SOC的穩(wěn)定性[78], 運用現(xiàn)有的土壤呼吸分離方法來探索短期內(nèi)農(nóng)田土壤碳循環(huán)特征時, 表現(xiàn)出一定的局限性。深入分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤呼吸的源、呼吸主體和呼吸過程, 亟需長期連續(xù)觀測、整合利用現(xiàn)有土壤呼吸觀測技術(shù), 改進現(xiàn)有組分分離法和根分離法, 強化土壤呼吸組分和環(huán)境因子的同步觀測, 以準(zhǔn)確地評估農(nóng)田碳收支。利用土壤呼吸各組分的實時、定位觀測, 研究不同土壤呼吸組分對不同環(huán)境因子(如孔隙度、團聚體、溫度、濕度、養(yǎng)分、腐殖質(zhì))、氣候因子及生物因子的交互響應(yīng)機制, 是重構(gòu)現(xiàn)有全球碳模型中碳過程和土壤呼吸過程機理的重要手段。

3 13C 同位素技術(shù)在土壤有機碳組分固持中的定量識別

以SOC形式固持的碳庫是減緩大氣CO2濃度上升的全球重要碳蓄積庫[16], 其含量達1400～1600 Pg,是大氣碳庫的3倍, 約是陸地生物量的2倍[82]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)占陸地生態(tài)系統(tǒng)40%左右, 過去150年, 農(nóng)田管理方式對土壤的擾動導(dǎo)致全球40～90 Pg的碳損失[83-84], 而通過增加深層土壤碳固持, 每年可固定5.5～6.0 Gt CO2當(dāng)量碳[85]。因此, 土壤碳庫的微小變化將影響大氣CO2濃度及全球碳循環(huán)過程[86]。另外,未來30年SOC庫提升是開展有機農(nóng)業(yè)、提升糧食產(chǎn)量以滿足全球90億人口糧食需求的重要措施, 其碳庫提升對減緩氣候變化、維持農(nóng)田生產(chǎn)力和糧食安全具有重要意義[87]。目前, 大量研究評估了不同氣候環(huán)境和農(nóng)田管理方式對SOC的固持效應(yīng), 而中國農(nóng)田SOC儲量占全球平均水平的1/3左右[88]。因此,提升我國農(nóng)田土壤碳庫水平和土壤肥力狀況, 降低農(nóng)田碳排放, 是目前亟需解決的科學(xué)問題之一。

當(dāng)前, 不合理的農(nóng)田管理措施致使大量的SOC損失, 合理的實踐措施會增加土壤SOC含量以及增強碳匯功能。尋求一種或多種耕作措施之前理解其內(nèi)在機制是關(guān)鍵, 而13C同位素技術(shù)是解決此問題的有力工具。13C同位素技術(shù)是研究限制全球碳循環(huán)不確定成分的最有效手段之一, 如陸地生物圈和大氣儲層之間的凈碳交換以及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳儲存大小和分配[89]。

目前利用13C穩(wěn)定同位素研究主要集中于不同組分碳(易分解SOC、MBC、惰性SOC)和不同粒徑團聚體(大團聚體和微團聚體)碳含量的周轉(zhuǎn)速率和固持效應(yīng)等。Dou等[11]使用δ13C同位素技術(shù)研究長期(25年)秸稈還田后農(nóng)田不同等級土壤團聚體SOC含量, 發(fā)現(xiàn)秸稈還田配合無機氮肥施用, ＜250 μm團聚體中的SOC含量減小, 而＞250 μm的SOC量逐漸增加, 顯示輕組有機碳向大團聚體中顆粒有機碳的轉(zhuǎn)變。

穩(wěn)定性同位素技術(shù)適合研究從年到百年尺度的土壤碳循環(huán)過程, 能有效地闡明地下碳動態(tài)變化和土壤碳儲量的微小遷移與轉(zhuǎn)換, 以及定量化評價新老SOC對碳儲量的相對貢獻[90]。13C自然豐度法同位素技術(shù)在農(nóng)田SOC的周轉(zhuǎn)時間和不同碳組分分配上已有廣泛研究[91-92]。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中主要包括C3和C4兩種光合作用途徑的植物類型, 其中C3植物δ13C處于-35‰至-20‰范圍之間, C4植物δ13C為-19‰至-9‰[92]。通過轉(zhuǎn)換種植C3和C4作物, 秸稈還田后測定SOC不同組分δ13C值, 可進一步解釋秸稈還田對土壤碳循環(huán)過程的影響, 推斷土壤碳組分的周轉(zhuǎn)時間[73]和SOC庫周轉(zhuǎn)速率[93]。通過標(biāo)記秸稈研究作物秸稈、殘茬或作物根系在土壤中的分解動態(tài)或?qū)ν寥烙袡C質(zhì)的貢獻, 可為闡明土壤碳轉(zhuǎn)化過程及土壤肥力演變提供新的技術(shù)支撐[94-95]。穩(wěn)定碳同位素還可利用脈沖標(biāo)記法研究碳在植株地上部、地下部以及土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化過程。脈沖標(biāo)記法分為連續(xù)脈沖和間斷脈沖兩種, 可視研究需要進行選擇。利用4次13C脈沖標(biāo)記研究光合碳在互花米草(Spartina alterniflora)中分配和遷移過程發(fā)現(xiàn), 互花米草各組分固定13C量呈現(xiàn)莖＞葉＞根＞根際土壤＞土體的趨勢, 葉分配比例為32.4%～39.2%, 莖分配比例為39.8%～47.6%, 根分配比例為18.0%～20.3%, 根際土壤分配比例為0.3%～0.4%, 土體分配比例為0.08%～0.20%[96]。研究冬小麥(Triticum aestivum)生長向地下部分的輸入對土壤固碳和作物生產(chǎn)具有重要意義。有研究分別在分蘗期、拔節(jié)期、花期和灌漿期, 用13CO2對冬小麥進行脈沖標(biāo)記7 h, 發(fā)現(xiàn)在整個生育期內(nèi), 冬小麥凈吸收的光合碳分配到地上部、根部及SOC和根際呼吸的比例分別為78.5%、6.0%、3.1%和12.4%[97]。此外, 注射法也可用于研究穩(wěn)定碳同位素在植株體內(nèi)及土壤中遷移和周轉(zhuǎn)過程。注射法是指定期向植株體內(nèi)注入穩(wěn)定碳同位素肥料溶解液, 可通過葉片或莖部進行注射。然而, 大多研究基于室內(nèi)培養(yǎng)的短期研究, 側(cè)重于通過外源碳素添加來探索不同碳組分及其周轉(zhuǎn)的貢獻, 而對于野外耕作措施結(jié)合秸稈還田等農(nóng)田管理方式對碳庫的穩(wěn)定機制研究還較少。

利用多種穩(wěn)定碳同位素模型研究SOC穩(wěn)定性也是未來一大趨勢。已有國外研究利用WATEM模型模擬遭受侵蝕景觀中的有機碳循環(huán)[98]。因為SOC是由不同組件組成的復(fù)合體, 所以在諸如CENTURY[99]、ICBM[100]等模型中, 它通常由關(guān)于碳輸入和分解率的各種池來表示。Bouchoms等[101]還開發(fā)了模型來研究能量消耗、作物生產(chǎn)力和有機碳循環(huán)之間的關(guān)系。在農(nóng)田尺度上, 結(jié)合SOC侵蝕再分布和SOC動態(tài)的模型現(xiàn)在能夠重現(xiàn)土地利用下農(nóng)田SOC儲量的空間異質(zhì)性、侵蝕區(qū)SOC耗竭、沉積區(qū)SOC富集[102-103]。碳同位素也被包括在有機碳循環(huán)模型中, 以約束模型參數(shù)或探索控制因素。Baisden等[104]利用碳和氮同位素模擬了SOC沿深度的周轉(zhuǎn)和遷移, 表明水文條件在控制SOC的垂直遷移中起著重要作用。此外,整合碳同位素識別的有機碳循環(huán)模型被用于探索有機碳分解和物理混合對δ13C值隨土壤深度垂直增加的影響[105]。Wynn等[89]建立了一個關(guān)于δ13C (SOC)的主要氣候控制模型, 該模型植根于C3和C4植被的優(yōu)化水利用效率的假設(shè), 并且可以用現(xiàn)成的環(huán)境數(shù)據(jù)推斷到大陸或全球數(shù)據(jù)。Ahrens等[106]使用14C特征來約束使用貝葉斯方法的多池有機碳模型的參數(shù), 并且該模型被進一步應(yīng)用于量化吸附、溶解有機碳遷移和微生物相互作用在確定土壤剖面δ14C值中的貢獻[107]。雖然野外研究已經(jīng)確定了土壤再分布對有機碳同位素剖面的影響[108], 但相關(guān)模型尚未開發(fā)。包含碳同位素的SOC模型適用于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 將有助于全面了解碳同位素剖面以及SOC同位素組成在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的空間變異性, 更好地揭示SOC穩(wěn)定性機制, 為減緩氣候變化、加快實現(xiàn)碳中和目標(biāo)做出積極貢獻。

實時監(jiān)測時空尺度CO2排放是今后研究土壤呼吸組分的趨勢(圖3)。近期報道, 結(jié)合δ13C示蹤技術(shù)在不同時間尺度(日、季和年)[109]、不同土壤剖面實時自動監(jiān)測CO2濃度變化[110], 可揭示全年土壤呼吸組分來源變化, 表明穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)作為區(qū)分農(nóng)田土壤關(guān)鍵碳過程的重要手段, 已得到廣泛運用。然而, 短時間尺度監(jiān)測并不能完全區(qū)分土壤呼吸組分來源以及不同組分碳固持速率。運用δ13C同位素探索土壤碳周轉(zhuǎn)和穩(wěn)定性固持的內(nèi)在機制研究尚未完全開展。加強長期實時監(jiān)測不同組分土壤呼吸及碳固持動態(tài)變化, 是精確評估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳過程及碳源/匯功能的關(guān)鍵。

圖 3 土壤CO2排放實時原位監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Real time in situ monitoring system for soil carbon dioxide emission

4 展望

SOC穩(wěn)定性對維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳庫、作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)以及全球碳循環(huán)具有重要意義。農(nóng)田土壤CO2排放是SOC耗散的主要方式, 不同農(nóng)田管理措施將對SOC穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在固碳減排方面發(fā)揮重要作用, 尋求合理的管理實踐方式的關(guān)鍵是揭示SOC穩(wěn)定性對農(nóng)田管理措施的響應(yīng)機制。SOC固持和碳排放的過程非常復(fù)雜, 響應(yīng)機制的揭示必須清晰理解其中的過程, 先進的技術(shù)支持必不可少。

過去主要集中在用傳統(tǒng)方法(如取樣法)對土壤表層SOC穩(wěn)定性進行研究, 很難反映有機碳在土壤中的周轉(zhuǎn)和遷移過程, 不具有代表性。同時, 以往的手段不能識別土壤碳循環(huán)過程中不同有機碳組分含量的變化, 這對精確理解SOC穩(wěn)定性的機制帶來極大困難。對土壤碳排放的研究過去主要集中在室內(nèi)小范圍模擬試驗且不連續(xù), 與實際農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳排放過程差距較大。13C同位素技術(shù)具有穩(wěn)定性高、安全性強的特點, 在土壤碳固持和排放過程中能夠精確識別不同有機碳組分的含量變化, 不僅能夠根據(jù)單位時間內(nèi)有機碳含量變化計算出有機碳穩(wěn)定性,還能有效區(qū)分土壤呼吸組分、來源及貢獻。結(jié)合現(xiàn)有的農(nóng)田管理措施, 可以很好地揭示SOC穩(wěn)定性的響應(yīng)機制。

當(dāng)前利用13C同位素技術(shù)的標(biāo)記示蹤和室內(nèi)培養(yǎng)的方法, 揭示了其中重要的機理, 但與野外實時的狀況仍有差距。土壤碳固持和排放的復(fù)雜過程受諸多環(huán)境因素的影響, 如大氣溫度、濕度、輻射、氣壓等, 土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)理化性質(zhì)、微生物群落等以及人為因素。由于土壤碳循環(huán)的復(fù)雜性和易干擾性, 單純的室內(nèi)模擬試驗很難揭示其內(nèi)在過程和機理。

因此, 未來研究應(yīng)加強農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放的原位觀測和實時動態(tài)觀測, 并通過結(jié)合δ13C同位素豐度和環(huán)境要素的實時觀測, 結(jié)合采樣后的土壤和秸稈理化分析, 可以實現(xiàn)土壤CO2排放的實時分解, 從而揭示SOC穩(wěn)定性對不同農(nóng)田管理措施的響應(yīng)機制, 為典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)SOC、農(nóng)田地力、土壤碳固持潛力的提升提供科學(xué)依據(jù), 更好地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和國家碳中和目標(biāo)。