影響土壤有機(jī)碳含量和組分及其穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素

呂靜雅 呂汪汪 孫建平 李博文 周陽 阿旺 劉云霞 賈躍鳳伍晶 劉世章 斯確多吉 汪詩平

1.中國科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101；2.西藏低碳草牧科技有限公司，拉薩 850000；3.西藏大學(xué)，拉薩 850000；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

作為最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫，全球土壤碳庫儲量為2157～2293 Pg（一般用于計(jì)量碳儲量，1 Pg=1015g），其中有機(jī)碳庫的范圍在1462～1548 Pg（土壤深度為0～100 cm）[1]，超過大氣（760 Pg）和植被（500 Pg）碳庫的總和[2,3]。土壤有機(jī)碳的存在影響土壤性質(zhì)、肥力和陸地-大氣界面碳循環(huán)，進(jìn)而影響植物生長和全球碳循環(huán)[4]。因此，土壤有機(jī)碳是減緩氣候變化和碳-氣候反饋的核心，且在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力和生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用[5]。然而，全球正經(jīng)歷著以變暖為主要特征的氣候變化過程[6]。這種變化過程為土壤有機(jī)碳庫的平衡帶來了各種直接或間接的影響[7,8]。當(dāng)前研究表明，在全球氣候變暖的背景下，土壤有機(jī)碳的損失會加劇，然而土壤有機(jī)碳庫10%的變化就相當(dāng)于30 年的人為排放量[9-12]。因此，土壤有機(jī)碳庫即使僅產(chǎn)生微小的變化，也可能對大氣二氧化碳濃度產(chǎn)生較大影響，進(jìn)一步加劇全球氣候變暖并產(chǎn)生正反饋。由此可見，土壤有機(jī)碳庫對變暖的響應(yīng)在全球碳循環(huán)中起到了關(guān)鍵作用，穩(wěn)定土壤有機(jī)碳庫則成了土地管理和當(dāng)前應(yīng)對未來氣候變化的重要手段。

根據(jù)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的定義和機(jī)理，研究將土壤有機(jī)碳劃分為不同組分，用于探究其抵抗外界干擾的能力。長期以來，人們認(rèn)為土壤有機(jī)碳中的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)是決定土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[2,13]。隨著分離手段和光譜分析技術(shù)的進(jìn)步，人們開始重視土壤有機(jī)碳其他組分的作用，以及官能團(tuán)和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響和響應(yīng)[13-16]。另外，為了定量探究和預(yù)測土壤有機(jī)碳隨外界干擾的響應(yīng)，數(shù)值模型模擬也應(yīng)運(yùn)而生，并根據(jù)傳統(tǒng)熱力學(xué)理論劃分土壤有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)。因此，本文將從有機(jī)碳物理、化學(xué)、生物屬性和模型應(yīng)用幾個(gè)方面對土壤有機(jī)碳分組及穩(wěn)定性檢測手段（表1）進(jìn)行綜述。這些指標(biāo)和方法均可用于衡量實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和現(xiàn)場觀測實(shí)驗(yàn)的土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性。

表1 土壤有機(jī)碳分組及其方法Table 1 Methods of SOC fractions separation and analysis

此外，土壤有機(jī)碳庫的大小取決于碳輸入和輸出之間的動(dòng)態(tài)平衡[17]。受化學(xué)穩(wěn)定性、物理保護(hù)性以及生物化學(xué)穩(wěn)定性影響，土壤有機(jī)碳抵抗干擾的能力增加，在環(huán)境中的平均留存時(shí)間延長[16,18]。因此，作為輸入源的植物及微生物、微生物消耗以及土壤礦物等均是影響土壤有機(jī)碳穩(wěn)定的重要影響因素，而分析這些影響因素對土壤有機(jī)碳的作用（圖1）則有助于對未來氣候變化下土壤有機(jī)碳庫的平衡響應(yīng)作出更準(zhǔn)確的預(yù)測和評估。

圖1 土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響因素作用示意圖Figure 1 Summarizing the effects of SOC stability key factors

1 土壤有機(jī)碳分組和研究方法

1.1 化學(xué)分組和方法

根據(jù)土壤有機(jī)碳各組分在不同提取溶劑中的溶解性、水解性和化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)分組主要包括三類。第一類是依據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)與水或酸堿的水解能力提取的有機(jī)碳，包括溶解性有機(jī)碳、微生物量碳、可酸堿提取的腐殖質(zhì)、可有機(jī)溶劑提取的烷烴和脂肪酸。其中，溶解性有機(jī)碳（Dissolved organic carbon,DOC）因其在土壤中的易遷移能力和部分物質(zhì)的高微生物可利用性，在物質(zhì)循環(huán)過程中起到了重要作用。DOC由數(shù)千種化合物組成，而能被鑒定出的大多為低分子量物質(zhì)，包括有機(jī)酸、糖和氨基酸等［19］，因此沒有一個(gè)通用的化學(xué)定義。在操作上，DOC 是指能被冷、熱水或稀鹽溶液提取后通過0.45μm 孔徑濾膜的一系列具有不同大小、組成和結(jié)構(gòu)的有機(jī)分子連續(xù)體或混合體［20］。酸堿分餾是利用土壤有機(jī)質(zhì)在酸、堿溶液中的不同溶解度將其分成胡敏酸、富里酸和胡敏素。實(shí)驗(yàn)過程中常以鹽酸（HCl）和硫酸（H2SO4）作為主要的酸性提取溶液以氫氧化鈉（NaOH）和焦磷酸鈉（Na4P2O7）為主要的堿性提取溶液［21］。第二類是氧化的土壤有機(jī)碳，根據(jù)不同氧化劑（如：高錳酸鉀、重鉻酸鉀和次氯酸鈉等）分離出易氧化態(tài)碳和不易氧化態(tài)碳［22］。這些氧化劑可模擬酶在土壤中的作用，用于氧化未被礦物保護(hù)的有機(jī)質(zhì)［21-23］。第三類是從有機(jī)礦物組合中分離出土壤有機(jī)質(zhì)。因?yàn)闅浞幔℉ydrofluoric acid,HF）可以破壞礦物，所以研究人員常用2%或10%的HF 從有機(jī)-礦物復(fù)合物中分離出土壤有機(jī)碳［24］。這種方法目前可作為核磁共振碳譜分析或分子生物標(biāo)志物提取的預(yù)處理［25,26］?；瘜W(xué)提取的方法多用于非根系土中有機(jī)碳的分組。然而，在使用過程中，大多數(shù)化學(xué)分組法過程復(fù)雜，且只能提取出20%～60%的土壤有機(jī)碳，效率較低，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來不確定性［4,27］，因此分離的各類碳庫很難解釋土壤有機(jī)碳庫的穩(wěn)定性。

隨著化學(xué)表征技術(shù)的發(fā)展，人們可以對土壤有機(jī)碳的成分和碳化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性和定量分析。光譜法可以表征土壤有機(jī)碳的官能團(tuán)信息，以探究有機(jī)碳的化學(xué)穩(wěn)定性。常用的光譜法有核磁共振碳譜（13CNMR，13C -Nuclear magnetic resonance spectroscopy）［28-30］、近紅外成像技術(shù)（NR，Near infrared）［31,32］和漫反射傅里葉變換紅外光譜（DRIFT，Diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy）［33,34］，其中13CNMR 和DRIFT 結(jié)合，以及單獨(dú)NR 均可以解析土壤有機(jī)碳的含量［4］。但是，光譜無法獲取土壤有機(jī)碳化學(xué)組分信息，因此研究中常用熱分析法觀察土壤有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)。常用的熱分析方法包括熱重法（Thermogravimetry）［35］、巖石巖熱解法（Rock-Eval pyrolysis）［36］和熱解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（gas-chromatography/Mass-spectrometry）［37］。雖然光譜法和熱分析不會改變土壤有機(jī)碳的原始物理化學(xué)結(jié)構(gòu)，但它們也無法做到微生物生物量碳和腐殖質(zhì)的定性定量。

1.2 物理分組和方法

由于土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)性，有機(jī)碳與不同粒徑的土粒結(jié)合程度或土壤團(tuán)聚體的包裹都會影響其分解動(dòng)態(tài)。依據(jù)該原理，物理分組可根據(jù)有機(jī)碳密度、粒徑大小和空間分布分成密度分組法、顆粒分組法和團(tuán)聚體分組法。相比較于化學(xué)分組法，物理分組法因其對土壤原始結(jié)構(gòu)的破壞性較小，能最大程度地保持原土狀態(tài)而被廣泛使用。

密度分組法使用1.6～2.0 g/cm3的溶液將土壤中相對密度較低的輕組有機(jī)碳和相對密度較高的重組有機(jī)碳離心分開［38-40］。輕組有機(jī)碳中存在動(dòng)植物和微生物死亡殘?bào)w，具有較高的C/N，周轉(zhuǎn)速度較快［41］。在研究過程中發(fā)現(xiàn)土壤呼吸速率、微生物量碳和氮等均與輕組分有機(jī)碳含量顯著正相關(guān)，且輕組分有機(jī)碳通常被認(rèn)為是微生物碳和能量的重要來源［42］。重組有機(jī)碳通常被認(rèn)為是礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，主要成分包括腐殖質(zhì)，分解程度較高，具有較低的碳氮比，周轉(zhuǎn)速度十分緩慢。利用密度分組法可對活性碳庫和惰性碳庫粗略區(qū)分，其中輕組有機(jī)碳不含黑炭時(shí)可代表活性碳庫，重組有機(jī)碳代表慢性碳庫和惰性碳庫，在探究土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性時(shí)被廣泛使用。

土壤團(tuán)聚體由有機(jī)物的膠結(jié)作用以及動(dòng)植物活動(dòng)的團(tuán)聚作用所形成，是土壤的基本單元，在土壤有機(jī)質(zhì)固存及循環(huán)過程中起到重要作用［43,44］。表層土中約有90%的有機(jī)碳存在于團(tuán)聚體中，且不同粒級的團(tuán)聚體中有機(jī)碳分布、含量和穩(wěn)定性存在明顯差異［45,46］。此外，因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳具有保護(hù)和減緩降解的作用，所以許多研究中常常會利用土壤團(tuán)聚體分級技術(shù)來評價(jià)土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性［45,47］。通過計(jì)算留在相鄰兩個(gè)篩子間粒級的質(zhì)量與土壤總質(zhì)量的比值，一般將土壤團(tuán)聚體分成三個(gè)組分［48-51］，分別為大團(tuán)聚體（＞250 μm）、微團(tuán)聚體（53 μm＜x＜250 μm 或20 μm＜x＜250 μm）和粉黏團(tuán)聚體（＜53 μm 或＜20 μm）。大團(tuán)聚體通過土壤微小團(tuán)聚體與菌絲、處于分解狀態(tài)的根系和礦物質(zhì)膠結(jié)纏繞而成［52］；微團(tuán)聚體主要由礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)組成，通過多價(jià)陽離子和多糖形成［43］；粉黏團(tuán)聚體包括粉粒（2～53 μm）和黏粒（＜2 μm），存有土壤中70%的有機(jī)碳，通常被認(rèn)為是土壤團(tuán)聚體的基本單元［49,53］。根據(jù)團(tuán)聚體分餾出的有機(jī)碳是多種功能土壤有機(jī)碳組分的結(jié)合體，因此該方法可作為獲得均質(zhì)分組的預(yù)處理手段。在操作過程中，土壤團(tuán)聚體分餾通常使用干篩或濕篩加超聲/消解的方法。干篩選用風(fēng)干土壤樣品，通常能真實(shí)反映土壤團(tuán)聚體粒徑分布特征，但濕篩和超聲/消解能獲得微團(tuán)聚體，且研究通常會根據(jù)團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性或機(jī)械穩(wěn)定性，選擇合適的篩分方式［43,54］。此外，小于20 μm 的團(tuán)聚體僅能通過超聲處理才能從大團(tuán)聚體中釋放，但這種方式對小于2 μm的團(tuán)聚體影響不大［55］。

顆粒分組利用六偏磷酸鈉或超聲波，可將土壤有機(jī)碳分為顆粒有機(jī)碳（＞53 μm）和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（＜53 μm）［56,57］。利用沉降時(shí)間的差異，礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳還可以進(jìn)一步分離成粉粒和黏粒［58］。顆粒分組法與團(tuán)聚體分組法相似，但這種方法會破壞團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。顆粒分組可以產(chǎn)生與密度分組具有相似的周轉(zhuǎn)周期的餾分，但其因?yàn)椴僮骱唵巍⒑臅r(shí)較短，且分離出的兩種有機(jī)碳組分具有不同的組成、持久性和功能，因此可用于存在異質(zhì)性的土壤有機(jī)碳組分中，且在大樣本量的研究中受到廣泛應(yīng)用［59,60］。MEMS（The Microbial Efficiency-Matrix Stabilization）假說認(rèn)為，顆粒有機(jī)碳主要由植物凋落物和根系轉(zhuǎn)化的輕質(zhì)量組分組成，含有更多的植物源碳如纖維素、半纖維素等，周轉(zhuǎn)周期較礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳更短［61,62］。礦物結(jié)合有機(jī)碳則主要以微生物碳組成，具有更低的C/N，且受化學(xué)鍵和物理隔離的影響，微生物和酶很難分解該部分有機(jī)碳，因此一直是研究土壤有機(jī)碳穩(wěn)定或固存的重要對象［23,62］。然而，近年來的研究發(fā)現(xiàn)植物在礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的形成過程中占據(jù)了重要的地位，且礦物結(jié)合碳有機(jī)碳在短期微生物礦化過程中的作用不容忽視［60,63］。

根據(jù)不同的研究需求，以上這些方法均可以聯(lián)合使用。例如，團(tuán)聚體分組和密度分組結(jié)合可進(jìn)一步分離團(tuán)聚體，用于探究部分土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)過程［64］。結(jié)合顆粒分組和密度分組，顆粒有機(jī)碳可被分離成輕組分顆粒有機(jī)碳和重組分顆粒有機(jī)碳，進(jìn)一步將不同周轉(zhuǎn)周期和功能的有機(jī)碳組分分離開［39,65,66］。除了以上這些方法，高梯度磁分離和光譜分析也根據(jù)不同研究需求應(yīng)用廣泛。高梯度磁分離技術(shù)（High-gradient magnetic separation,HGMS）可用于探究土壤中鐵氧化物固定的有機(jī)碳之間的差異，量化鐵氧化物在固定過程中的差異，模擬不同風(fēng)化程度的土壤中有機(jī)質(zhì)的固定潛力［67］。利用X 光電子計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（Xray computed tomography）和掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscopy）可以探究SOC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如：孔隙和土壤顆粒上附著的微生物殘?bào)w等，從而了解微觀尺度下土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響機(jī)制［68,69］。目前，物理和化學(xué)方法以及二者結(jié)合的方法仍然無法完全均分土壤有機(jī)碳的功能組分，但這些方法可以為特定土層和土壤類型的穩(wěn)定機(jī)制提供參考。

1.3 生物分組和方法

生物學(xué)分組主要用于測定微生物生物量碳或潛在可礦化碳（或微生物可降解碳）。在實(shí)驗(yàn)室中，通常使用氯仿熏蒸提取法或氯仿熏蒸培養(yǎng)法測定微生物生物量碳（Microbial biomass carbon）［70］。氯仿熏蒸可殺死土壤中的微生物，使其殘?bào)w和內(nèi)容物釋放至土壤中。其中，氯仿熏蒸提取法計(jì)算的是熏蒸和未熏蒸土壤中溶解的有機(jī)碳的差值，而氯仿熏蒸培養(yǎng)法則計(jì)算的是熏蒸和未熏蒸土壤釋放的CO2差值?？傻V化碳則可用微生物分解有機(jī)質(zhì)過程中呼吸釋放的二氧化碳量（每單位微生物量產(chǎn)生的CO2，qCO2）計(jì)算。在研究中，土壤有機(jī)碳礦化能力指標(biāo)（如：有機(jī)碳礦化速率）常用于衡量土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性，即在有機(jī)碳維持一定量的前提下，指標(biāo)數(shù)值越高，有機(jī)碳越不穩(wěn)定。室內(nèi)（室內(nèi)培養(yǎng)）［71-73］和室外（野外原位實(shí)驗(yàn)）［74-76］都可以觀測有機(jī)碳礦化能力。其中，野外原位實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫胤从匙匀粭l件下土壤有機(jī)質(zhì)對不同處理的響應(yīng)，但其培養(yǎng)周期較長，且不確定因素較多，很難精準(zhǔn)定量土壤不同組分的礦化能力。因此，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)常常被用于輔助探究土壤有機(jī)碳在控制變量下的利用程度。

按來源劃分，土壤有機(jī)碳主要包括植物凋落物碳、微生物活體碳、微生物殘?bào)w碳和動(dòng)植物分泌物碳，其貢獻(xiàn)可利用生物標(biāo)志物計(jì)算。

植物凋落物碳可以用微生物難降解的化合物如木質(zhì)素酚類、堿水脂類化合物和非纖維素糖代替計(jì)算。其中木質(zhì)素是維管植物細(xì)胞壁的主要成分，無法由微生物合成，因此被廣泛用于表征土壤有機(jī)碳中的植物源碳［77-79］。目前常用堿性氧化銅氧化法提取的三種木質(zhì)素酚單體指示土壤中木質(zhì)素的含量，分別為香草基酚類（Vanillyl phenols，V 類單體）、肉桂基酚類（Cinnamyl phenols，C 類單體）和紫丁香基酚類（Syringyl phenols，S類）［80］。此外，這三種木質(zhì)素酚單體濃度不僅可以指示土壤中木質(zhì)素代表的植物源碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，還能通過彼此之間的比值判斷木質(zhì)素的植物來源或降解程度［81,82］。然而，研究表明，雖然木質(zhì)素酚在植物殘?bào)w中大量存在，但是在礦質(zhì)土壤以及穩(wěn)定碳庫中占土壤有機(jī)碳比例很小［23,83］。相比于木質(zhì)素酚，角質(zhì)和軟木脂在土壤中更穩(wěn)定［2,84,85］。角質(zhì)素類單體主要存在于植物葉片角質(zhì)層中，由帶有環(huán)氧基和羥基的正羧酸組成［86-88］。軟木脂則主要集中在植物根部，由羧酸、ω-羥基羧酸和烷二酸組成［87,89］。因此，角質(zhì)和軟木脂可以分別指征植物葉片和根系，二者的比值可用于指示草地土壤中地上/地下碳的輸入比例［90,91］。非纖維素糖是指示土壤性質(zhì)的重要碳水化合物之一，其中五碳糖中的阿拉伯糖（Arabinose）和木糖（Xylose）主要來源于植物，六碳糖中的半乳糖（Galactose）和甘露糖（Mannose）主要來源于微生物［51,79,92］。研究中常用兩類纖維素糖的比值計(jì)算植物多糖的微生物轉(zhuǎn)化率。但值得注意的是，植物組織和根系分泌物中也存在半乳糖和甘露糖，因此在研究土壤有機(jī)碳來源時(shí)，可能伴隨有一定的不確定性［93］。

土壤微生物生物量是土壤中活的細(xì)菌、真菌、放線菌和原生動(dòng)物等的總量［94］。這些微生物的存在影響著土壤的理化性質(zhì)和碳平衡，在全球碳循環(huán)中起到不可忽視的作用。磷脂脂肪酸（FLFA）是活體微生物細(xì)胞膜中磷脂的組成成分，在微生物細(xì)胞死亡后可被迅速分解，因此常用于指示土壤中的微生物活體［94-96］。由于磷脂脂肪酸具有生物特異性，因此也常用于指示土壤中細(xì)菌和真菌等微生物生物量以及微生物群落結(jié)構(gòu)［97］。此外，基于磷脂脂肪酸濃度，可以評估微生物作為“分解者”功能時(shí)的微生物碳利用效率（CUE）［98］。

雖然微生物活體碳僅占土壤有機(jī)碳的1%～2%，但長期的微生物同化過程導(dǎo)致微生物殘留物的迭代持續(xù)積累，促進(jìn)了一系列微生物殘留物在內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)的形成，最終導(dǎo)致此類化合物穩(wěn)定于土壤中［99,100］。研究表明，微生物殘?bào)w碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)比例可超過50%［101］。氨基糖是微生物細(xì)胞壁的組成成分［102］。由于氨基糖能在微生物死亡后長期留存，所以目前已成為定量微生物殘?bào)w對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)的最主要的方法之一。目前，根據(jù)酸水解的提取方法，一共有四種氨基糖可用于定量研究，分別為甘露糖（ManN）、胞壁酸（MurN）、氨基葡萄糖（GlcN）和氨基半乳糖（GalN）［103］。其中胞壁酸只來源于細(xì)菌，氨基葡萄糖主要來源于真菌，因此可用MurN/GlcN 的值來評估細(xì)菌和真菌殘?bào)w在土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的相對貢獻(xiàn)［104］。在計(jì)算貢獻(xiàn)率時(shí)，存在著一定的外推誤差，主要原因是真菌和細(xì)菌殘?bào)w碳的轉(zhuǎn)換因子是特定條件下的計(jì)算值［93,98,105］。因此，在理想狀態(tài)下，可以通過磷脂脂肪酸或分子分析測革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的比例（G+/G-），以此計(jì)算特定土壤的轉(zhuǎn)換因子。

1.4 模型分組

土壤有機(jī)碳是一系列新舊有機(jī)碳化合物的統(tǒng)稱。由于土壤碳庫儲量較大、成分復(fù)雜，因此土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)模型通常都選擇分室建模的方法，方便模擬土壤有機(jī)碳庫對外界條件改變的響應(yīng)變化［22,106］。大多數(shù)模型依據(jù)熱力學(xué)理論將土壤有機(jī)碳劃分為活性碳庫、穩(wěn)定碳庫和惰性碳庫，如：Roth-C［107,108］、CENTU-RY［109,110］、碳飽和模型［111-113］、Struc-C［114］、CLM［115］和TECO［116］等。這些碳庫分別對應(yīng)著不同的周轉(zhuǎn)時(shí)間和組成成分?；钚蕴紟斓闹苻D(zhuǎn)時(shí)間很短，是土壤中易被分解和利用的有機(jī)碳，包括顆粒有機(jī)碳、可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳或易氧化態(tài)碳等；穩(wěn)定碳庫的周轉(zhuǎn)時(shí)間為幾十年，包括與土壤顆粒結(jié)合的尺寸小于50 μm的完全降解產(chǎn)物，如腐殖質(zhì)；惰性碳庫的周轉(zhuǎn)時(shí)間可上至千年，由有機(jī)物燃燒產(chǎn)生的木炭或其他燒焦物質(zhì)組成，難以被微生物降解［106,117,118］。雖然這些周轉(zhuǎn)模型有助于研究人員預(yù)測土壤有機(jī)碳對氣候變化的響應(yīng)，但在實(shí)際操作過程中，仍存在著許多限制和不足。例如：CENTURY 和Roth-C 模型均具有一定的地域限制［119］［120］，且這些模型的碳庫難以和實(shí)際試驗(yàn)分餾手段對應(yīng)上，以至于很多參數(shù)無法量化［121］。此外，研究表明，深層土壤碳分解對氣候變化較表層土壤更敏感，且影響機(jī)制有所差異［122］。但是，當(dāng)前模型的應(yīng)用多集中在表層土壤中，對深層土壤碳庫的研究亟待加深。

2 土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的重要影響因素

2.1 地上植物凋落物

地上凋落物是土壤有機(jī)碳的主要來源之一，是連接植物碳庫和土壤碳庫的重要組成部分。研究表明，凋落物進(jìn)入土壤后會受到土壤動(dòng)物和微生物的作用，形成土壤有機(jī)碳。土壤動(dòng)物會破碎和食用凋落物，其排泄物可被微生物食用進(jìn)入微生物碳庫［123］。微生物還會直接分解和同化不穩(wěn)定的凋落物如可溶性有機(jī)質(zhì)，形成的土壤有機(jī)碳可通過有機(jī)-礦物結(jié)合作用穩(wěn)定。剩余的凋落物如木質(zhì)素酚等結(jié)構(gòu)化合物由于其較高的化學(xué)穩(wěn)定性可被撕裂或直接組成土壤有機(jī)碳，或通過團(tuán)聚體包裹穩(wěn)定在土壤中［124］。凋落物的質(zhì)量通常是影響分解的首要因素。一般來說，高質(zhì)量的凋落物含有較高的氮含量、低C/N 和較少難分解的物質(zhì)，其分解速率較低質(zhì)量的凋落物更快，因此更受微生物的青睞［62,111］。另外，因?yàn)槲⑸镅苌挠袡C(jī)碳易與礦物結(jié)合，且在礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳中占比較高，所以高質(zhì)量凋落物的分解更能促進(jìn)有機(jī)碳穩(wěn)定組分的形成和積累［62］。但是，凋落物質(zhì)量對土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響卻并不總是如此。凋落物添加實(shí)驗(yàn)表明，高C/N 的凋落物也能有效地形成礦物結(jié)合碳有機(jī)碳，且低質(zhì)量凋落物形成土壤有機(jī)碳的效率高于高質(zhì)量的凋落物［98,125］。尤其在營養(yǎng)貧乏的土壤中或凋落物分解后期，植物殘留物還能直接參與礦物結(jié)合有機(jī)碳的形成［124,126］。此外，研究發(fā)現(xiàn)，高質(zhì)量凋落物輸入能產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，增強(qiáng)土壤有機(jī)碳的分解，抵消凋落物質(zhì)量對土壤有機(jī)碳穩(wěn)定的積極影響［127,128］。

2.2 植物根系及其分泌物

植物在生長過程中，其活根、死根和根系分泌物均能直接或間接影響土壤有機(jī)碳的物理、化學(xué)和生物穩(wěn)定性，打破土壤碳流失和固存之間的平衡。由于激發(fā)效應(yīng)的存在，作為土壤新鮮碳源的死根或根系分泌物，會使土壤有機(jī)碳礦化作用短暫增強(qiáng)，進(jìn)而使土壤有機(jī)碳流失［129,130］。這種作用還會表現(xiàn)在抵抗性較強(qiáng)的礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳上。研究表明，根系分泌物中含有的有機(jī)酸會與礦物絡(luò)合，破壞礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，從而溶解釋放部分有機(jī)碳，促進(jìn)有機(jī)碳的微生物可利用性，加速微生物礦化作用，使土壤有機(jī)碳流失［131］。另外，由于根系和微生物會競爭根際可利用氮，產(chǎn)生的氮限制會增加植物和微生物對氮的需求，從而影響土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性［132-134］。根據(jù)微生物掘氮（Nitrogen mining）理論，微生物在缺氮時(shí)會轉(zhuǎn)而選擇難礦化但富含氮素的有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)了土壤有機(jī)碳的分解；而當(dāng)微生物滿足了自身的碳氮需求時(shí)，其分解有機(jī)質(zhì)的能力最大化，也會使有機(jī)碳分解加速（微生物計(jì)量學(xué)理論，Stoichiometric decomposition theory）。但另一方面，受可利用氮限制，植物會改變自身策略，將較多光合產(chǎn)物運(yùn)輸至根部，增加了根系分泌物，從而又刺激微生物的生長代謝過程。

由死根或根系分泌物組成的新鮮的碳源輸入還可能促進(jìn)正向激發(fā)效應(yīng)，即微生物利用易分解的根系碳生長、增殖，從而產(chǎn)生更多的微生物殘?bào)w和分泌物，增加土壤有機(jī)碳含量，進(jìn)而與土壤礦物結(jié)合提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定［135］。通常認(rèn)為，根系的輸入比地上植物更有利于土壤有機(jī)碳與礦物的結(jié)合［17］。另外，根系通過分泌黏性物質(zhì)或改變土壤水分促進(jìn)或破壞土壤大團(tuán)聚體的形成，在生長過程中還會改變根際土壤孔隙的分布，影響土壤酶和微生物對土壤碳的貢獻(xiàn)和利用［136,137］。

2.3 微生物

土壤微生物在土壤中的作用十分特殊。一方面，土壤異養(yǎng)微生物（包括細(xì)菌、真菌和古菌）以土壤有機(jī)碳（包括植物源碳和易分解有機(jī)碳等）為養(yǎng)分，用于自身的代謝和增殖，并以CO2形式釋放至空氣中。作為“分解者”，微生物會通過合成和分泌胞外酶分解土壤有機(jī)碳以便于自身吸收和利用。胞外酶是細(xì)胞表面或釋放至環(huán)境中的酶，具有水解和催化氧化土壤有機(jī)質(zhì)的能力，在“作業(yè)”過程中會釋放大量的CO2，且其分解轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物能為微生物提供可利用的底物和能量［138］。不同類型的胞外酶對土壤有機(jī)質(zhì)的作用不同，如：水解酶如α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶可以催化土壤中多糖、蛋白質(zhì)等高分子和其他難利用的物質(zhì)，堿性磷酸酶可水解磷酸酯和多聚磷酸化合物；酚氧化酶可氧化難降解的芳香族化合物，或間接促進(jìn)水解酶的釋放［139,140］。微生物直接吸收胞外酶分解或植物釋放至土壤中的小分子或易分解有機(jī)碳，在自身代謝過程中以CO2形式釋放至大氣中，從而消耗土壤中累積的有機(jī)碳。除了釋放胞外酶，微生物也會分泌有機(jī)酸促進(jìn)土壤礦物溶解，釋放其中的有機(jī)組分［141,142］。

另一方面，作為輸入源，微生物利用土壤有機(jī)質(zhì)中的養(yǎng)分和能量完成自身的生長和繁殖，向土壤碳庫輸入其死亡殘?bào)w和代謝物。通過分子結(jié)構(gòu)表征和同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)，人們發(fā)現(xiàn)微生物殘留物在一些土壤中傾向于和礦物結(jié)合，從而穩(wěn)固在土壤中［143-146］。團(tuán)聚體包裹或微生物黏附等空間上的物理隔離也使得這些有機(jī)碳免于分解利用［126,147,148］。隨著土壤中微生物群落的周轉(zhuǎn)和不斷代謝，這些微生物源碳逐漸積累，持續(xù)貢獻(xiàn)和影響土壤有機(jī)碳庫。

2.4 鐵氧化物

黏粒礦物在土壤中廣泛存在，以其較大的比表面積促進(jìn)有機(jī)質(zhì)與礦物的吸附結(jié)合。黏粒礦物與有機(jī)質(zhì)可通過配位交換、陽離子鍵橋、靜電作用、疏水作用、范德華力和氫鍵在土壤中形成穩(wěn)定的土壤有機(jī)質(zhì)復(fù)合體［16,18,149,150］。作為黏粒礦物的重要組成部分，鐵氧化物以其相當(dāng)高的比表面積和相較于其他黏土礦物組分（如：層狀硅酸鹽）對有機(jī)質(zhì)更強(qiáng)的親和力，受到人們的廣泛關(guān)注［151,152］。人們發(fā)現(xiàn)鐵氧化物和土壤有機(jī)碳的空間分布存在高度相關(guān)性，且兩者含量存在顯著正相關(guān)關(guān)系，表明鐵氧化物對土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性具有較大影響［153-155］。

在土壤環(huán)境中，鐵氧化物以游離鐵、無定形鐵和晶質(zhì)鐵形態(tài)存在，對土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定起到了重要作用，它與土壤有機(jī)碳的耦合主要表現(xiàn)在固持和礦化兩方面［152］。通過吸附和共沉淀，鐵氧化物和有機(jī)碳能形成鐵結(jié)合態(tài)有機(jī)碳（OC-Fe），從而降低有機(jī)碳的生物有效性，提高有機(jī)碳的穩(wěn)定性［156,157］。鐵氧化物還能作為膠結(jié)劑促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，對土壤有機(jī)碳起到物理保護(hù)作用，且不同晶型和類型的鐵氧化物對團(tuán)聚體的膠結(jié)強(qiáng)弱不同［158］。在濕地土壤中，鐵異化還原是厭氧環(huán)境下有機(jī)物礦化的主要途徑之一，即微生物在呼吸過程中利用Fe(Ⅲ)作為終端電子受體，代謝降解土壤和沉積物中的有機(jī)質(zhì)，最終生成CO2和水［159,160］。還原過程產(chǎn)生的Fe(Ⅱ)又可在氧氣或硝酸鹽存在下被非生物氧化，或通過鐵氧化細(xì)菌的新陳代謝被氧化。此外，在鐵氧化物還原過程中，與其結(jié)合的有機(jī)碳被釋放，提高了微生物可利用性。淹水時(shí)，土壤生成缺氧環(huán)境，大部分鐵又被還原成Fe(Ⅱ)，且由于植物根系可以釋放氧氣，所以這些二價(jià)鐵能被氧化，在根系表面形成鐵斑［161,162］。這些鐵斑能穩(wěn)定土壤有機(jī)碳，進(jìn)而形成有機(jī)碳的“銹庫”。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，濕地土壤中有機(jī)碳的積累和損失主要受“酶栓”和“鐵門”機(jī)制作用。“酶栓”機(jī)制是指缺氧環(huán)境中，酚氧化酶活性受到抑制，使有毒的酚類化合物大量積累，從而限制水解酶的活性，減少土壤有機(jī)碳的分解和礦化［163］。與“酶栓”機(jī)制相反，“鐵門”機(jī)制指氧氣增加時(shí)，F(xiàn)e(Ⅱ)大量轉(zhuǎn)化為Fe(Ⅲ)，酚氧化酶活性下降且可溶性芳烴積累，抑制了土壤中水解酶的活性，促進(jìn)有機(jī)物積累［159,164］。在此過程中，土壤中的有機(jī)物與亞鐵轉(zhuǎn)化的鐵氧化物發(fā)生共沉淀。在酸性且含鐵量較高的土壤中，芬頓/類芬頓反應(yīng)對有機(jī)碳礦化的貢獻(xiàn)可達(dá)30%以上。這類化學(xué)反應(yīng)在作用過程中會產(chǎn)生活性氧，能氧化結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)化合物，進(jìn)一步促進(jìn)有機(jī)碳分解［165,166］。

3 結(jié)語

近年來，由于新技術(shù)的飛速發(fā)展，研究土壤有機(jī)碳的方法也日益增加，為探究土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性及其影響因素提供良好思路。然而，這些研究和分組方法仍然存在自身缺陷，為定量土壤有機(jī)碳大小及預(yù)測其穩(wěn)定性對氣候變化的響應(yīng)帶來不確定性。由于土壤有機(jī)碳的異質(zhì)性，當(dāng)前物理和化學(xué)方法仍然無法完全分離不同功能的土壤有機(jī)碳，且能夠指示土壤有機(jī)碳來源的生物標(biāo)志物存在來源重復(fù)和轉(zhuǎn)換因子不同的問題?，F(xiàn)有的模擬模型存在一定的地域限制和深度限制，且難以和實(shí)際試驗(yàn)中的分餾手段對應(yīng)。因此，在未來應(yīng)加強(qiáng)該領(lǐng)域研究，以降低由分組和研究方法帶來的不確定性。此外，目前不同生態(tài)系統(tǒng)條件下土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的主要影響因素仍有待進(jìn)一步探究。在氣候變化背景下，這些影響因素如何關(guān)聯(lián)，是否存在交互作用仍是亟待解決的問題。