有機(jī)碳對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響研究進(jìn)展

周家昊，褚軍杰，孫萬春，鄒 平，俞巧鋼，馬軍偉，楊 軍

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，湖北 荊州 434025；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；4.長(zhǎng)江大學(xué) 濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025）

土壤是土壤顆粒、有機(jī)物、水、空氣和生活在其中的生物的集合體，提供了氣體交換、水分滲透、抗侵蝕、碳儲(chǔ)存等生態(tài)系統(tǒng)功能[1-2]。土壤的物理結(jié)構(gòu)是土壤實(shí)現(xiàn)這些生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵[3]，作為土壤結(jié)構(gòu)和功能的最小單元的土壤團(tuán)聚體是土壤健康的重要指標(biāo)，也是土壤有機(jī)碳（SOC）物理保護(hù)不可或缺的一部分[4]。土壤團(tuán)聚體的形成是受成土礦物類型、SOC 含量及化學(xué)組成、植物根系、土壤生物等多重因素綜合影響的復(fù)雜過程[5]。其中，成土礦物類型受成土母質(zhì)和氣候因素影響，植物根系與農(nóng)作物種類有關(guān)，而農(nóng)作物種類受農(nóng)業(yè)小氣候和地域自然條件限制，因此，難以通過改變成土礦物類型與植物根系來影響土壤團(tuán)聚體的形成[6]。因此，增施有機(jī)物料、擴(kuò)大SOC 庫(kù)容量等成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成和增加土壤碳匯的有效途徑[7-8]。全面了解土壤團(tuán)聚體的形成機(jī)制對(duì)于評(píng)估土壤健康、制定相應(yīng)的土壤管理措施、穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、充分發(fā)揮土壤團(tuán)聚體的生態(tài)功能等具有重要意義。

土壤碳是陸地生物圈中最大的碳庫(kù)，其固存是全球氣候調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素[9]。SOC 是影響土壤結(jié)構(gòu)的主要因素[10]，并受土壤結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響。然而，在森林或草原逐漸被開墾為農(nóng)田后，SOC 含量下降了30%～80%[11]。在農(nóng)田土壤中施用有機(jī)物料是增加碳匯和促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成的有效措施之一[12]。有機(jī)肥、農(nóng)作物秸稈等由于方便獲取、成本較低而被廣泛應(yīng)用于土壤碳匯擴(kuò)容[13-14]。土壤耕作層作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中最活躍的場(chǎng)所，其團(tuán)聚體內(nèi)含有高達(dá)90%的SOC[15-16]。因此，對(duì)SOC 進(jìn)行研究可為揭示其對(duì)耕層土壤團(tuán)聚體形成的影響奠定基礎(chǔ)。

基于此，擬從土壤團(tuán)聚體的定義與特征、形成與穩(wěn)定機(jī)制及SOC 的功能定位出發(fā)，綜述SOC 數(shù)量、SOC 結(jié)構(gòu)、微生物殘?bào)w碳及SOC 損失對(duì)土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定的作用及影響，闡述土壤碳匯與土壤團(tuán)聚體的協(xié)同關(guān)系，明確SOC 在土壤團(tuán)聚體形成中的作用，以期進(jìn)一步完善土壤團(tuán)聚體的形成理論、明確土壤團(tuán)聚體的組成、探明SOC 周轉(zhuǎn)與農(nóng)田土壤團(tuán)聚體之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1 土壤團(tuán)聚體形成的研究現(xiàn)狀

1.1 土壤團(tuán)聚體的定義和特征

土壤團(tuán)聚體一般被認(rèn)為是土壤中粒徑為53～2 000 μm 的結(jié)構(gòu)性單元，為土壤各級(jí)粒徑通過復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物綜合作用形成的多級(jí)孔性結(jié)構(gòu)體[17-18]。土壤團(tuán)聚體具有儲(chǔ)存土壤水分和養(yǎng)分、承載土壤肥力的功能，是表征土壤健康狀況的重要指標(biāo)[19-20]。團(tuán)聚體分級(jí)是研究土壤團(tuán)聚體的重要方法之一，各級(jí)團(tuán)聚體占比及其對(duì)土壤健康的影響是研究的熱點(diǎn)。團(tuán)聚體由不同大小的顆粒組成，并形成物理和化學(xué)保護(hù)梯度[21]；在成為微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體之前，其可以被描述為有機(jī)質(zhì)與單個(gè)土壤顆粒結(jié)合的等級(jí)結(jié)構(gòu)[22]。新的微團(tuán)聚體的形成對(duì)碳固存至關(guān)重要，儲(chǔ)存在其中的有機(jī)物質(zhì)可暫時(shí)不被進(jìn)一步分解[22]，并與大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)密切相關(guān)[21]，而大團(tuán)聚體受耕作管理、有機(jī)質(zhì)含量和氣候變量的強(qiáng)烈影響[23]。因此，探明團(tuán)聚體分級(jí)對(duì)于了解土壤結(jié)構(gòu)十分必要。EDWARDS 等[24]認(rèn)為，土壤是由微團(tuán)聚體（＜250 μm）和由微團(tuán)聚體通過較弱的黏結(jié)作用聚合而成的大團(tuán)聚體（＜250 μm）組成；ELLIOTT 等[25]使用濕篩法將收集的土壤樣品分為4個(gè)水穩(wěn)定團(tuán)聚體等級(jí)：巨型團(tuán)聚體（＜2 000 μm）、微型大團(tuán)聚體（2 000～250 μm）、微團(tuán)聚體（250～53 μm）、粉粒+黏粒（＜53 μm）。

干篩法[26]和濕篩法[27]為土壤團(tuán)聚體分級(jí)常用方法。其中，干篩法常用于機(jī)械穩(wěn)定性評(píng)估，濕篩法常用于水穩(wěn)定性評(píng)估。由于內(nèi)部氣壓差，快速濕篩法可能會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚體的破壞，并影響負(fù)責(zé)增強(qiáng)團(tuán)聚效果的微生物群落的活動(dòng)和動(dòng)力學(xué)過程[28]。相較于濕篩法，干篩法可以保持土壤微生物相對(duì)完整的棲息地和活動(dòng)[29]，但其只能反映未降雨或灌溉的干燥田間的土壤微生物群落特征。目前，為衡量團(tuán)聚體的分布情況和穩(wěn)定性，團(tuán)聚體穩(wěn)定指數(shù)[27]、平均質(zhì)量直徑（MWD）[30]、幾何平均直徑（GMD）[31]、分形維數(shù)（D）[32]等指標(biāo)已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛采用。

1.2 土壤團(tuán)聚體的形成過程和作用機(jī)制

土壤團(tuán)聚在土壤物理、化學(xué)和生物動(dòng)力學(xué)中起著重要作用，被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要過程。團(tuán)聚體可以通過礦物和有機(jī)顆粒的重排、絮凝和膠結(jié)作用形成。根據(jù)團(tuán)聚體層次模型[21-22]，黏粒和粉粒等初級(jí)土壤顆粒被聚集成微團(tuán)聚體，然后微團(tuán)聚體聚集成微型大團(tuán)聚體。土壤團(tuán)聚體的形成機(jī)制包括以下3個(gè)方面。

一是物理作用。干濕交替會(huì)導(dǎo)致土壤干濕不均勻，土壤顆粒收縮在一起，從而產(chǎn)生裂縫，減小團(tuán)聚體的尺寸。干濕循環(huán)對(duì)土壤團(tuán)聚的影響程度取決于黏土類型、循環(huán)次數(shù)、含水量及其他因素[33]。凍融循環(huán)通常會(huì)減少穩(wěn)定的團(tuán)聚體數(shù)量，且影響程度取決于土壤含水量、交替次數(shù)和土壤類型。相關(guān)研究結(jié)果表明，凍融循環(huán)在土壤高含水量的情況下可更明顯地減少團(tuán)聚體數(shù)量，但在中等含水量的情況下則有可能對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性產(chǎn)生積極影響[34]。

二是化學(xué)作用。黏土、多價(jià)陽離子和有機(jī)質(zhì)之間的結(jié)合情況是影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定形成的重要因素，其影響程度取決于黏土礦物學(xué)特征。黏土主要是由硅鋁酸鹽和一系列氧化物、氫氧化物和羥基氧化物構(gòu)成，以高嶺石、蒙脫石、伊利石和綠泥石等鋁硅酸鹽黏土礦物為主要黏土類型[35]。蒙脫石吸水或吸附有機(jī)質(zhì)后體積會(huì)膨脹，高嶺石、伊利石和綠泥石等在潤(rùn)濕時(shí)不會(huì)膨脹，且后者陽離子交換量和比表面積比蒙脫石低[36-37]。膨脹可能導(dǎo)致團(tuán)聚體破壞[38]，因此，高嶺石、伊利石和綠泥石含量高的土壤比蒙脫石含量高的土壤更穩(wěn)定。鐵（Fe）、鋁（Al）和錳（Mn）氧化物可以在帶負(fù)電荷的SOC 和帶負(fù)電荷的黏土之間起橋梁作用，同時(shí)穩(wěn)定團(tuán)聚體[39]，這種結(jié)合機(jī)制對(duì)于微團(tuán)聚體的穩(wěn)定特別重要。

三是生物學(xué)作用。土壤生物群落和生物機(jī)制在土壤團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。蚯蚓等土食動(dòng)物對(duì)土壤團(tuán)聚的貢獻(xiàn)很大[40]，且蚯蚓糞是土壤和有機(jī)質(zhì)的混合物，可以促進(jìn)團(tuán)聚體穩(wěn)定[41]。另外，蚯蚓洞穴也可通過增強(qiáng)水分滲透、氣體交換和根系生長(zhǎng)來促進(jìn)土壤大團(tuán)聚體的聚集[42]。在微生物因子中，真菌對(duì)土壤團(tuán)聚體的總體穩(wěn)定性具有積極影響，菌絲可以纏繞土壤顆粒和有機(jī)物，產(chǎn)生的聚合物可充當(dāng)黏合劑，共同促進(jìn)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，但其穩(wěn)定團(tuán)聚體的能力因物種而異；菌根釋放的蛋白質(zhì)也可能對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定具有積極作用[43]。細(xì)菌可以通過分泌黏液、多糖和其他充當(dāng)黏合劑的細(xì)胞外化合物來促進(jìn)土壤團(tuán)聚[44]。植物通過根系纏繞來增加團(tuán)聚體數(shù)量，同時(shí)植物衍生的多糖和腐殖質(zhì)也直接有助于團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定[45]；植物根系分泌物和植物凋落物可以刺激土壤微生物活動(dòng)，促使微生物衍生成分的產(chǎn)生，充當(dāng)黏合劑來間接促進(jìn)團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定[46]。

1.3 SOC在土壤團(tuán)聚體中的功能定位

SOC 是土壤肥力的核心，SOC 可能通過改變土壤團(tuán)聚體粒徑分布和SOC 類型進(jìn)而影響土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定。研究表明，耕層土壤團(tuán)聚體內(nèi)含有高達(dá)90%的SOC[15-16]。SOC 存在于團(tuán)聚體中，而SOC 也是土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)物，兩者密不可分[47]。SOC 增強(qiáng)了土壤團(tuán)聚體的膠結(jié)作用，而團(tuán)聚體也可為SOC 提供物理保護(hù)，從而有利于碳的固存。因此，土壤團(tuán)聚體與SOC 密切相關(guān)。根據(jù)SOC 在土壤中的分布和功能，可將其分為游離態(tài)顆粒有機(jī)碳（fPOC）、閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳（iPOC）、礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（MOC）和可溶性有機(jī)碳（DOC）等4 種碳庫(kù)類型。其中，fPOC 主要由一些顆粒較大的未分解或半分解的動(dòng)植物殘?bào)w組成，其存在于土壤團(tuán)聚體間的大孔隙中。iPOC 主要由一些顆粒較小的完全分解的動(dòng)植物殘?bào)w組成，其存在于土壤團(tuán)聚體內(nèi)部，是構(gòu)成團(tuán)聚體的主要成分之一。SIX 等[48]根據(jù)SOC 顆粒大小，將顆粒有機(jī)碳（POC）分為粗POC 和細(xì)POC；根據(jù)其所在位置的團(tuán)聚體粒級(jí)大小，分為大團(tuán)聚體內(nèi)POC 和微團(tuán)聚體內(nèi)POC。MOC 是由一些動(dòng)植物殘?bào)w分解的最終產(chǎn)物與土壤礦物有機(jī)結(jié)合形成的一類有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，土壤大團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)含量不足20%，其絕大部分為有機(jī)無機(jī)復(fù)合體[49]。DOC 是土壤中粒徑＜0.45 μm 的可溶性有機(jī)分子混合物，覆蓋于整個(gè)土壤孔隙中。由于DOC 的含量很低，占全碳的0.04%～0.22%[50]，在團(tuán)聚體研究中可忽略不計(jì)。

土壤團(tuán)聚體中SOC 主要來源于動(dòng)植物殘?bào)w，動(dòng)植物殘?bào)w作為膠結(jié)物質(zhì)將土壤顆粒團(tuán)聚在一起并形成土壤團(tuán)聚體的主要有機(jī)骨架。隨著有機(jī)質(zhì)分解的進(jìn)行，有機(jī)顆粒與土壤礦物結(jié)合形成大團(tuán)聚體（＜250 μm）和微團(tuán)聚體（＜250 μm）。動(dòng)植物殘?bào)w作為食物來源，是土壤生物生命活動(dòng)的媒介，影響團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)和形成[51]。有機(jī)殘?bào)w對(duì)土壤團(tuán)聚性的影響程度取決于殘?bào)w中木質(zhì)素、酚類化合物、芳香族化合物、甾醇和類脂等的濃度。植物與微生物殘?bào)w在土壤中的積累量直接影響土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定的響應(yīng)，其中，在質(zhì)地較細(xì)的土壤中，微生物殘?bào)w碳對(duì)土壤總SOC 的貢獻(xiàn)以及團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定起主導(dǎo)作用[52]。

2 SOC對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響

2.1 SOC數(shù)量對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響

SOC 在團(tuán)聚體形成中起重要作用，表層土壤中90%的SOC以團(tuán)聚體形式存在[15-16]。經(jīng)過30多年的探索，SIX 等[48，53]認(rèn)為，SOC 是團(tuán)聚體中最重要的膠結(jié)物質(zhì)之一。因此，推斷SOC 數(shù)量必定影響土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定性。根據(jù)大團(tuán)聚體的生命周期和微團(tuán)聚體的形成模型[54]，大團(tuán)聚體的數(shù)量隨著因植被生長(zhǎng)而被固定的有機(jī)碳源數(shù)量的增加而增加，當(dāng)植物生長(zhǎng)不良和有機(jī)殘留物數(shù)量較少時(shí)，大團(tuán)聚體的數(shù)量也隨之減少。LI 等[55]認(rèn)為，草地植物根系和新鮮有機(jī)殘?bào)w數(shù)量較少，利于微團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定；草地土壤團(tuán)聚體具有的長(zhǎng)期穩(wěn)定與固碳的特性，同步提高了微團(tuán)聚體與植物有機(jī)殘?bào)w結(jié)合形成的大團(tuán)聚體中SOC 的含量。SOC 積累也受土壤密度或土壤孔隙大小的影響，研究表明，土壤密度的降低伴隨著SOC 數(shù)量的增加[56]。然而，也有研究認(rèn)為，低植被覆蓋的SOC易隨降雨水淋失向下遷移[57]。此外，相比于草地和灌叢土壤，耕作可增加農(nóng)田SOC 均勻度并導(dǎo)致農(nóng)田SOC 含量提高[55]，說明農(nóng)田更有利于土壤團(tuán)聚體的形成[58]。

由于不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體內(nèi)的膠結(jié)物質(zhì)類型和土壤膠結(jié)作用機(jī)制不同，SOC 在土壤團(tuán)聚體內(nèi)的保護(hù)能力因團(tuán)聚體大小而異[47，59]。在所有與團(tuán)聚體相關(guān)的SOC 中，粉粒+黏粒相關(guān)的SOC 通過物理化學(xué)機(jī)制與SOC 緊密結(jié)合而分解最緩慢[60-61]。SOC 是將微團(tuán)聚體聚合成大團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)[62]，大團(tuán)聚體中的植物根和菌絲可提高其SOC 含量[47，63]，草地和灌叢大團(tuán)聚體的SOC 含量高于微團(tuán)聚體[25]。因此，SOC 數(shù)量是決定SOC 促進(jìn)土壤團(tuán)聚能力的重要因素。隨著我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的逐步發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物資源化成為環(huán)境保護(hù)的重要措施之一，有機(jī)肥和作物秸稈等有機(jī)物料大量被用于土壤培肥。外源有機(jī)物料的投入可以促使＜250 μm微團(tuán)聚體形成更大的團(tuán)聚體，從而促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定，這些措施在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耕地質(zhì)量的提升和新墾耕地的培育等方面得到了廣泛應(yīng)用。

2.2 SOC結(jié)構(gòu)對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響

SOC 作為土壤團(tuán)聚體形成的膠結(jié)物質(zhì)，同時(shí)土壤團(tuán)聚體也可增強(qiáng)其物理保護(hù)能力，減少SOC 的礦化，其中大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體中的SOC礦化率低[64]。KUBAR 等[65]首次關(guān)于水稻-油菜種植系統(tǒng)中秸稈還田管理下土壤團(tuán)聚體與化學(xué)成分關(guān)系的研究結(jié)果表明，烷氧基碳含量與全土及＜5 000 μm、2 000～1 000 μm、＜250 μm 團(tuán)聚體的SOC 含量具有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。大團(tuán)聚體中SOC 含量與芳香族碳含量呈極顯著正相關(guān)（R=0.68～0.85）關(guān)系，而與羰基碳含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。SOC 功能組分的積累利于土壤大團(tuán)聚體的穩(wěn)定。研究結(jié)果表明，烷氧基碳、酚基碳、芳香族碳和羧基碳官能團(tuán)影響大、小團(tuán)聚體的形成，其中，SOC 化合物官能團(tuán)可能作為膠結(jié)物質(zhì)有效地促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[66]。

秸稈還田管理明顯改善了土壤團(tuán)聚體相關(guān)碳結(jié)構(gòu)組成。近年來，有研究者發(fā)現(xiàn)，秸稈還田不僅可以提高SOC 儲(chǔ)量，而且可以改變農(nóng)田SOC 的有機(jī)官能團(tuán)的種類和數(shù)量[67]。在土壤中添加玉米秸稈后，芳香族碳的相對(duì)含量降低[68]。同樣，SONG 等[69]的研究結(jié)果顯示，添加玉米秸稈增加了SOC 中烷氧基碳的積累，芳香族碳含量則降低。最近一項(xiàng)研究結(jié)果表明，4種SOC 有機(jī)官能團(tuán)（烷氧基碳、酚基碳、芳香族碳和羧基碳）在土壤中的占比以烷氧基碳最大[70]。烷氧基碳通常容易被分解，以支持微生物活動(dòng)[71]。添加新鮮秸稈可能導(dǎo)致底物微生物和SOC的直接積累[72]，特別是在＜250 μm 的土壤團(tuán)聚體中的積累更明顯[66，73]。當(dāng)秸稈衍生的有機(jī)物質(zhì)或膠體可以與礦物結(jié)合時(shí)，會(huì)將微團(tuán)聚體聚合轉(zhuǎn)化為大團(tuán)聚體。綜上，不同SOC 結(jié)構(gòu)對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的作用機(jī)制不同，其中，烷氧基碳在土壤團(tuán)聚體形成過程中起主導(dǎo)作用。

2.3 微生物殘?bào)w碳對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響

土壤微生物殘?bào)w是土壤有機(jī)物的重要來源，對(duì)SOC的貢獻(xiàn)高達(dá)50%以上[74]。氨基糖是微生物細(xì)胞壁的主要成分[75]，作為微生物殘?bào)w的特定生物標(biāo)識(shí)物，已被廣泛用于表征土壤微生物殘?bào)w對(duì)各種生境中SOC 積累和周轉(zhuǎn)的貢獻(xiàn)[76]。目前，可以被檢測(cè)的4種氨基糖包括氨基葡萄糖、氨基半乳糖、氨基甘露糖和胞壁酸，其中，氨基葡萄糖主要來源于真菌細(xì)胞壁，而胞壁酸只在細(xì)菌細(xì)胞壁中被發(fā)現(xiàn)[77]。氨基糖是衡量土壤中微生物殘留碳積累的重要指標(biāo)[77]，但由于氨基糖無法完全代替微生物源碳[78]，因此將氨基糖含量轉(zhuǎn)換為真菌殘?bào)w碳（FRC）、細(xì)菌殘?bào)w碳（BRC）和總微生物殘?bào)w碳（MRC）含量的方法被廣泛采用。土壤團(tuán)聚體的形成與微生物殘?bào)w在土壤中的變化密切相關(guān)[79]，微生物殘?bào)w可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[80]。研究表明，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性（MWD）與氨基糖含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，氨基糖在微團(tuán)聚體中比在大團(tuán)聚體中更穩(wěn)定[81]。氨基糖和微生物殘?bào)w碳含量的團(tuán)聚體粒徑排序?yàn)椋? 000～250 μm）＜（＜2 000 μm）＜（＜250 μm）。也有研究指出，粒徑＜250 μm的團(tuán)聚體內(nèi)微生物殘?bào)w量較粒徑＜53 μm的團(tuán)聚體中的更多[82-83]。此外，有學(xué)者研究了不同海拔土壤團(tuán)聚體組分中微生物生物量和殘留物的空間分布，結(jié)果表明，相比于微團(tuán)聚體，在大團(tuán)聚體中真菌殘?bào)w的積累更多，微生物殘?bào)w對(duì)SOC 的貢獻(xiàn)更大，穩(wěn)定的氨基糖只參與了土壤大團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，并對(duì)SOC的固存作出貢獻(xiàn)[84]。

DING 等[82]的研究結(jié)果顯示，與化肥相比，畜禽糞便有機(jī)肥與化肥配施顯著增加了所有團(tuán)聚體大小組分中總氨基糖的含量，且增加的大團(tuán)聚體可保護(hù)氨基糖免受微生物攻擊，從而有利于微生物衍生的SOC 在大團(tuán)聚體中積累[85]。研究表明，免耕條件下氨基糖積累量明顯大于常規(guī)耕作處理，其中大團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)率降低，穩(wěn)定并促進(jìn)微團(tuán)聚體的形成[21，81]。這主要由于免耕條件下土壤微生物及酶對(duì)底物的接觸減少，因此，包括氨基酸糖等SOC 可以在空間上得到保護(hù)，不被微生物分解[86]。另外，氨基葡萄糖比胞壁酸更耐微生物分解，并傾向于在土壤中積累，促進(jìn)團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定，因此土壤中胞壁酸積累能夠增強(qiáng)對(duì)土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)[79]?？傊?，微生物殘?bào)w碳作為SOC 的主要來源，在促進(jìn)團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定等方面有舉足輕重的作用和貢獻(xiàn)。

2.4 土壤侵蝕對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響

土壤侵蝕極大地影響著全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)[87]。侵蝕造成SOC 損失的途徑主要有2 種：一是SOC 在流域或生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的重新分布；二是通過礦化作用將SOC損失到大氣中[88]。侵蝕引起的碳損失是無法平衡的全球碳預(yù)算中“缺失的匯”的一部分[89]。過去的一段時(shí)間，有學(xué)者試圖量化各種環(huán)境中侵蝕引起的SOC 損失。TURNER 等[90]的研究表明，全球土壤腐殖質(zhì)的損失率在過去1 萬a 中提高了約30 倍。土壤團(tuán)聚體被認(rèn)為是衡量土壤穩(wěn)定性和可侵蝕性的重要指標(biāo)[21]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性除與SOC 含量、結(jié)構(gòu)等有關(guān)外，也與土壤侵蝕狀況有關(guān)[91]。土壤侵蝕受降雨和農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響較大，雨水侵蝕后團(tuán)聚體破碎和機(jī)械干擾等因素會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性減弱[87]。此外，土壤團(tuán)聚體被破壞后會(huì)釋放出原本包裹在團(tuán)聚體中的膠結(jié)SOC[88]。SOC 隨水流被搬運(yùn)流失。較多研究表明，陸地地表徑流的選擇性傳輸導(dǎo)致侵蝕的沉積物中富含易流失的SOC[92-93]。一般來說，徑流水中的SOC 遷移量比有植被覆蓋的地塊大，坡地上由侵蝕引起的SOC損失可能比平地上的損失高數(shù)倍甚至更高。WANG 等[94]的研究表明，侵蝕引起的團(tuán)聚體分解和SOC 的重新分布導(dǎo)致沉積地的大團(tuán)聚體數(shù)量和相關(guān)碳含量增加，從而促進(jìn)大團(tuán)聚體形成。

由于侵蝕會(huì)導(dǎo)致礦化率提高，因此，每年有高達(dá)1 Gt 碳的凈流量進(jìn)入大氣[87]。CHAPLOT 等[95]指出，隨著水侵蝕造成土壤團(tuán)聚體減少，SOC 損失增加，阻礙團(tuán)聚體形成；但隨著土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定，氣體排放增加。在干燥通氣良好條件下SOC損失以微生物分解礦化為主，并以二氧化碳（CO2）等氣體形式反饋到大氣中[96]，此時(shí)以大團(tuán)聚體中SOC 分解礦化為主，從而抑制大團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定。在水侵蝕條件下，土壤團(tuán)聚體的分解碎裂沿著內(nèi)部孔隙發(fā)生，這些孔隙被認(rèn)為是SOC 的吸附部位[97]。該過程為微生物提供了營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致SOC 快速分解礦化，造成團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)被破壞。總之，土壤侵蝕造成的SOC 損失，使得土壤團(tuán)聚體分解、分散，增加了大團(tuán)聚體部分的CO2排放率，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定造成負(fù)面影響。

2.5 土壤碳匯對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的影響

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其微妙變化都將可能對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的陸地碳循環(huán)產(chǎn)生積極或消極影響[98]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大和最活躍的碳庫(kù)，土壤既是碳源又是碳匯。土壤碳庫(kù)包括有機(jī)碳庫(kù)和無機(jī)碳庫(kù)，SOC 約占陸地生物圈碳庫(kù)的65%[47]。SOC 被認(rèn)為是土壤團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定最重要的影響因素之一，且團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定作用亦是土壤碳固存的最重要機(jī)制[99]。研究表明，SOC 庫(kù)儲(chǔ)量與團(tuán)聚體水穩(wěn)性強(qiáng)弱密切相關(guān)，SOC 含量隨團(tuán)聚體粒徑的增大而增加，且大團(tuán)聚體形成過程中含有更多新形成的不穩(wěn)定有機(jī)物質(zhì)，易被破壞[100]。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)在保護(hù)和穩(wěn)定SOC 方面發(fā)揮著重要作用。相比之下，SOC 是形成穩(wěn)定團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑之一，有利于保持土壤肥力、提高作物產(chǎn)量和增加土壤碳匯[95]。因此，SOC 與團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定密不可分，SOC 的固持實(shí)際上是土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定過程。增加土壤碳匯可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定，健康的土壤環(huán)境具備良好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)來提升碳匯能力。二者相輔相成，才能充分發(fā)揮潛能，培育健康土壤，助力全球碳中和。

3 總結(jié)與展望

現(xiàn)階段，我國(guó)的中低產(chǎn)田占比依然較高，成為限制糧食增產(chǎn)的重要因素。因此，形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體、改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，從而改良中低產(chǎn)田，將是保障國(guó)家糧食安全、防止土壤退化、提升土壤肥力的關(guān)鍵措施。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)替代施肥模式的推廣，以及國(guó)家“雙碳”政策的提出，土壤碳循環(huán)相關(guān)研究已成為現(xiàn)今熱點(diǎn)；有機(jī)物料投入在土壤肥力提升中的作用也被持續(xù)關(guān)注。盡管前人對(duì)其有長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的研究，但土壤是極為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，已有的研究大多數(shù)停留在宏觀尺度，微觀尺度上存在諸多不足，這可能是由于之前的研究手段和儀器設(shè)備條件有限所致。隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，新興的原位檢測(cè)技術(shù)可將宏觀與微觀研究充分結(jié)合，在多學(xué)科交叉融合發(fā)展背景下，側(cè)重于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)原位監(jiān)測(cè)，全面揭示不同SOC 在不同尺度上對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響及作用機(jī)制，探討不同土壤類型、氣候條件、自然災(zāi)害等條件下SOC 對(duì)團(tuán)聚體形成與穩(wěn)定性影響的差異性及機(jī)制已成為當(dāng)前及未來的主要研究方向。在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)不足之處，未來的研究可能將從以下方面進(jìn)行突破。

（1）微觀尺度上SOC 對(duì)土壤團(tuán)聚體形成過程的影響及其穩(wěn)定機(jī)制。結(jié)合土壤學(xué)、基礎(chǔ)化學(xué)、儀器科學(xué)、微生物學(xué)等相關(guān)學(xué)科的研究方法和現(xiàn)代先進(jìn)的儀器分析技術(shù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤微生物在微觀尺度上介導(dǎo)的SOC 循環(huán)過程，并剖析碳循環(huán)相關(guān)動(dòng)力學(xué)過程的原理，對(duì)其進(jìn)行定量表征，有助于微觀尺度上深刻理解SOC 對(duì)團(tuán)聚體形成過程的影響及其穩(wěn)定機(jī)制，為宏觀尺度上的研究提供更強(qiáng)有力的理論支撐。

（2）有機(jī)物料的投入及長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中SOC 對(duì)團(tuán)聚體形成過程的影響及其穩(wěn)定機(jī)制。SOC 數(shù)量的增加對(duì)團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定的影響不容忽視，尤其是存在干濕交替（典型的稻油、稻麥輪作等）或長(zhǎng)期淹水缺氧的土壤，關(guān)于SOC 對(duì)這類特殊土壤團(tuán)聚體的形成過程及其穩(wěn)定機(jī)制的影響尚缺乏系統(tǒng)性研究。雖然針對(duì)這類土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及數(shù)量的研究已有大量報(bào)道，但均停留在微觀層面，鮮有真正揭示微生物-SOC-團(tuán)聚體間關(guān)系的研究。此外，土地利用方式、種植制度、施肥模式的改變以及長(zhǎng)期定位試驗(yàn)條件下土壤碳循環(huán)過程所伴隨的團(tuán)聚體的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律仍不清楚，尚需要全面揭示有機(jī)物料投入下土壤團(tuán)聚體的形成過程及其與SOC 和微生物的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，以便為有機(jī)替代施肥模式的推廣應(yīng)用、培育健康土壤等提供技術(shù)支持。

（3）SOC 與微生物耦合機(jī)制下土壤新型污染物的消納機(jī)制。近年來，土壤新型污染物（如微塑料、抗生素等）受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。目前，學(xué)者們大多關(guān)注此類污染物的來源、遷移轉(zhuǎn)化過程，以及對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響等，針對(duì)土壤團(tuán)聚體中SOC 與微生物耦合下土壤新型污染物的消納機(jī)制尚未見相關(guān)報(bào)道。同粒徑團(tuán)聚體中存在特異的微生物種群，因而擁有不同的生態(tài)功能，未來應(yīng)加強(qiáng)土壤團(tuán)聚體SOC 與微生物耦合下的土壤新型污染物消納機(jī)制及能力的研究，以便為土壤新型污染物的修復(fù)研究提供新思路。

（4）土壤碳匯過程對(duì)土壤團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定的影響。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其中，SOC庫(kù)占陸地生物圈碳庫(kù)的65%。隨著國(guó)家“雙碳”政策的提出，土壤被認(rèn)為是碳固存、增大碳儲(chǔ)量的最佳場(chǎng)所。土壤碳固存的現(xiàn)有研究主要集中在秸稈生物質(zhì)炭、有機(jī)肥等有機(jī)物料的投入對(duì)土壤基本理化性狀、作物生長(zhǎng)狀況和與微生物互作的影響，而針對(duì)土壤團(tuán)聚體對(duì)SOC 的容納限度、土壤侵蝕耐受程度（CO2排放、雨水沖刷搬運(yùn)等）平衡穩(wěn)定效應(yīng)的研究尚未見報(bào)道。加強(qiáng)上述研究，可為土壤碳匯擴(kuò)容、水土保持以及CO2等溫室氣體減排提供理論參考。

（5）新型土壤調(diào)理劑的開發(fā)與應(yīng)用。土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定性直接影響土壤的健康狀況，因此，可人為添加土壤調(diào)理劑來改善土壤質(zhì)量，提升土壤肥力，培育健康土壤。秸稈和有機(jī)肥等有機(jī)物料作為天然土壤調(diào)理劑能顯著促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定，但此類有機(jī)物料不僅形成的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，而且形成時(shí)間漫長(zhǎng)、短期效果不明顯。聚丙烯酰胺等其他類型的調(diào)理劑的改良效果一般，僅短期效果明顯。因此，未來研究中需要優(yōu)化調(diào)理劑配方設(shè)計(jì)，運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)的化學(xué)合成技術(shù)，并結(jié)合微生物菌劑等生物活性物質(zhì)，探索能夠促進(jìn)土壤顆粒團(tuán)聚且具有長(zhǎng)效性和穩(wěn)定性的化學(xué)或生物調(diào)理劑，以增加土壤團(tuán)聚體數(shù)量，培育健康土壤。