溫度和水分對有機質及活性炭組分的影響

叢 山

（吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118）

溫度和水分對有機質及活性炭組分的影響

叢 山

（吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118）

文章通過闡述氣候變化背景下，溫度和水分對有機質及其活性炭組分的影響，發現溫度和水分通過影響微生物活性來參與土壤有機質的分解，而活性有機碳由于對外界條件的反應敏感，可以作為評估土壤有機質對溫度和水分變化響應的重要指標。

溫度 水分 土壤有機質 活性有機碳

全球氣候變化已受到當今世界各國的密切關注，氣候變化帶來的變化包括地球平均溫度上升、降雨的區域性和季節性不均衡、極端氣候災害增多等，全世界已經深切地感受到其帶來的嚴重影響。18世紀至今，人類與自然的相互作用，造成大氣中CO2的濃度不斷上升，地表溫度也呈現上升的趨勢［1］。氣候變化的主要表現為溫度上升，夏季降雨減少，極端氣候災害頻發。有研究報道表明，在過去的100年里，地球表面溫度線性趨勢是0.6℃，這種變化在北半球高緯度地區表現極其顯著，北極地區升溫速率近似于地球平均升溫速率的3倍［2］。根據IPCC最新公布的結果顯示，在今后100年的時間里，地表面溫度可能上升1.4～5.8℃［3］。我國多數區域增溫幅度在1.0～1.5℃之間，東部和西部可能會超過這個范圍，而南方的增溫幅度將低于這個范圍［4］。氣候變化也引起了全球降水的改變。從整體上看，地球年平均降雨量不斷增大，但降雨的時空性不均衡。高緯度地區和南北兩極降雨的增幅大于全球其他地區，并隨季節振蕩加?。?］，具體表現為夏季降水減少導致土壤含水量下降，冬季反而上升。在全球其他區域，雖然降雨量變大，可是在氣候變暖的背景下，水分蒸發加快，冬季降雪減少且溶化過早，導致夏季干旱，土壤含水量降低，內陸干旱將成為一個嚴峻的問題。

溫度和降水是影響土壤有機質分解的兩個重要環境因素，氣候變化必將對有機質產生強烈影響。土壤有機質是各種植物所需養分元素的源泉，其分解所導致的有機質含量減少會降低土壤肥力，并且使土壤的物理性狀惡化，從而對糧食的生產和安全造成不利的影響。該文通過總結前人研究結果，綜述了溫度和水分對有機質及其活性炭組分的研究進展，為適應氣候變化的土壤培肥措施提供理論依據。

1 溫度和水分對有機質的影響

土壤有機質主要指存在于土中的各類微生物，經過漫長演變，動、植物殘體也成為有機質的重要組成部分。土壤有機質由土壤中不同種類的含碳有機物構成，雖然含量極少，但與其它營養元素共同構成土壤的營養庫，同時也影響著土壤的各種屬性［6］。土壤微生物是有機質分解過程的主要參與者之一。水熱條件影響有機質的分解過程，歸根結底是影響微生物的活性。土壤有機質的分解還需要酶的參與才能完成，而酶只有在適宜的溫度條件下才能充分發揮生理功能。在對土壤有機質分解機理的研究過程中，由于全球氣候變暖問題越來越嚴重，引起人們對有機碳礦化的重視［7，8］。在過去一段時間里，一部分研究者認為有機質的分解速率隨溫度的增加而變快。Briones等發現溫室效應提高了微生物的數量，間接加快了土壤有機碳礦化的速率［9］。但是有些研究者并不認同這種規律。如Kirschbaum總結前人實驗結果指出，在較低的溫度條件下升溫加快有機碳的分解速率，而在高溫下升溫土壤有機質分解速率幾乎保持不變［10］。該結果是由于低溫限制了微生物和酶的活性，從而限制有機碳的礦化分解，而在較高的溫度下，其不再影響有機碳礦化，其他條件可能限制了有機碳的礦化。Rustad等在對不同陸地生態的持續升溫實驗中也發現溫度升高的前期促進了有機碳的礦化分解，經過一段時間后，有機碳礦化速率對溫度的變化反應不強烈［11］。升溫實驗前期，土壤中存在著較多的不穩定的有機質，可以被快速利用，溫度升高使微生物非常活躍，加快了有機碳礦化速率，升溫后期，土壤活性有機質被分解殆盡，微生物缺少可利用的物質，使有機碳的礦化速度趨于穩定。Giardina等通過室內增溫實驗發現升溫對有機質分解沒有明顯影響［12］。我國科技工作者也針對溫度對有機質的礦化影響做了大量研究，如李玉強等對科爾沁退化沙質草地不同生境的土壤實驗室培養試驗發現，溫度升高促進有機碳的礦化分解［13］。黃耀等在不同水熱條件下的培養實驗也發現，在低溫條件下升溫加快了土壤有機碳的礦化分解，高溫條件下升溫則減弱了這種影響［14］。王彥輝等在研究水熱因子對有機質分解的影響過程中發現，土壤有機質分解的最適宜溫度是25～35℃［15］。

水分是陸地生態中所有生理活動必不可少的，可以影響土壤有機質分解。王彥輝等指出水分明顯影響森林土壤有機質的分解，并且水分的作用強于其他影響因素［15］。土壤水分通過改變土壤微生物的代謝作用、土壤中水溶性物質的運移和土壤的透氣性等，從而影響土壤有機質的分解［16］。土壤缺水會使本身溶液濃度上升，引起微生物的生理干旱，降低其活性，從而減慢有機質分解的速率。土壤的干濕變化也會對有機碳礦化產生明顯影響。在這個過程里，前期有機碳礦化速率迅速加快，經過一段時間后保持穩定。另外，干濕交替瓦解了土壤結構體，使本來被土壤礦物保護的有機質暴露出來，受到微生物分解［17］。水分過高則會降低土壤的透氣性，使土壤中氧氣的含量減少，土壤有機質進行嫌氣分解，降低土壤有機質分解的速率，這說明土壤水分過多和過少都無益于土壤有機碳的礦化。Ponnamperuma指出稻田土壤處在淹水狀態，透氣性降低，使有機質的分解速率減慢［18］。除此之外，Gulledge等野外試驗研究發現，排水好的土地與較濕潤的土地相比，土壤有機碳礦化對溫度的敏感性較低［19］。這表明，氣候變化對土壤有機質分解產生的影響，在較濕潤地區大于干旱地區。有些研究表明水分對有機碳礦化沒有明顯影響。Isirimah等在不同水分條件土壤的室內培養試驗中發現，水分對有機質的分解速率沒有影響［20］。

溫度和水分之間聯系非常密切。溫度升高會促進水分蒸發，土壤水分過多也會降低土壤的溫度，但是關于在土壤有機質的分解過程中誰的影響更大，還存在著許多爭議?，F在普遍被人們所接受的是，水分可能影響溫度變化對有機質分解的作用，溫度越高，水分的影響越明顯［21，22］。Zak等通過不同溫濕條件土壤的室內試驗表明，有機質分解對溫度的響應比水分更大［23］。而王彥輝等研究結果則表明，氣候因子對土壤有機質分解的影響較強，其中土壤含水量的影響最強［15］。還有一種觀點是，如劉紹輝等指出水分在適宜范圍之內不會影響溫度對有機質分解的作用，當水分超過或低于這個范圍的時候，溫度和水分共同影響土壤有機質的分解［24］。Fang等研究則表明水分不影響溫度變化對有機質分解的作用［25］。

2 溫度和水分對活性有機碳組分的影響

土壤有機碳即包含組成穩定，不易被礦化，很難被生物和植物利用的組分，還有一部分活性較高，可以被直接利用的組分［26］。人們在對土壤有機碳的研究過程中，發現有一部分碳受土壤條件影響劇烈、穩定性差、可以被微生物直接利用，稱為土壤活性有機碳。動、植物殘體，根系分泌物等是土壤活性有機碳的主要來源。Currie等試驗表明，土壤活性有機碳的含量具有隨季節變化的趨勢，這可能是進入到土壤中的植物枯落物數量不同造成的［27］。Cortina等研究也證實了土壤中活性有機碳的濃度受植物枯落物的影響［28］。但是，這個結果可能忽略了水熱狀況對活性有機碳這種變化的影響［29］。而Schwesig等則發現土壤活性有機碳雖然受植物枯落物的影響，但兩者并不是相關［30］。土壤微生物和酶對活性有機碳濃度也有明顯影響。微生物不光本身參與有機碳的礦化，其死后就成為活性有機碳的來源。而酶主要通過動、植物殘體腐解來影響活性有機碳［31］。土壤活性有機碳不僅僅代表的是一種碳，而是土壤中有相似作用和性質的碳總稱［32］。

之前，在對有機質的研究過程中，活性有機碳的重要作用早已被人們所認識，活性有機碳是土壤生理和化學反應的參與者，也是微生物維持正常活動所需能量的源泉。有機質雖然在土壤中占據一定比例，但是其對外界改變的非常不明朗，活性有機碳組分雖然在土壤中非常少，但是對環境以及土地管理方式變化及其敏感，它可以代替有機碳來表現土壤對外部條件改變的響應。而土壤中活性炭組分可以作為一個重要指標來衡量土壤有機質對溫度和水分變化的響應。關于氣候變化對土壤活性有機碳組分的報道還很少，系統的研究二者之間的關系，有助于我們在全球變暖的大背景下，弄清兩者的作用機理，對改善土壤碳循環和提高土壤肥力具有重要作用，進而降低全球變暖對陸地生態系統有機碳庫的不利影響。

2.1 溫度水分對微生物量碳的影響

微生物量碳是土壤中微生物所含的碳，它的數量是微生物量的象征。雖然土壤微生物在土壤中占的比例非常少，但它極為活躍，幾乎參與到所有土壤生化反應過程中，所以具有非常重要的作用。微生物量碳可以影響土壤肥力和碳循環，近來受到了研究者的特別關注。溫度升高會提高微生物活性，促進其新陳代謝，加速有機碳的礦化。Insan等指出微生物量碳對溫度和水分變化的反映及其強烈［33］。Anderson等實驗也表明總有機碳含量與微生物量碳具有密切關系［34］。所以，溫度升高導致有機質減少，也會引起微生物量碳減少。同時，水分對微生物量碳也有影響。Mensah研究發現干旱的土壤因為水分進入而變得濕潤后，土壤微生物碳的數量激增［35］。楊貴生等研究結果表明土壤淹水情況下，土壤總的微生物量減少影響土壤有機質的分解［36］。

2.2 溫度水分對可溶性有機碳的影響

可溶性有機碳作為一種活性極高的活性炭組分，為土壤有機碳礦化提供能源，并且對維持微生物的正?；顒佑兄匾饔谩Ｋ苄杂袡C碳不僅在土壤中大量存在，還廣泛存在于水中，為土壤中各種污染物的移動提供條件。雖然全球變暖對陸地生態系統碳庫產生了明顯的影響，但其對可溶性有機碳的作用并不明確。這主要是因為溫度升高可能加劇了土壤有機質分解，從而提高可溶性有機碳含量，但同時也使其分解加快［37］。李玉武在對不同類型植被下土壤有機碳及其活性組分季節變化特征的研究中發現，可溶性有機碳濃度具有隨季節變化的特征，夏季明顯多于冬季［38］。夏季氣溫上升，微生物活動加強，土壤可溶性有機碳濃度變大。季節變化主要改變了土壤的溫度和水分條件，以及微生物活性和植物殘體的輸入。而Michalzik等則指出溫度增加，活性有機碳量反而降低［39］。同時水分也對可溶性有機碳產生影響。Cronan等指出，在土壤滲透性好的地區，隨溫度升高可溶性有機碳量降低；而在滲透性不好的地區，溫度升高可溶性有機碳量也升高［40］。Tipping實驗結果也顯示，干旱的土壤得到適當的水分補充后，土壤可溶性有機碳的濃度升高［41］。黃黎英等研究表明可溶性有機碳量隨降水增多而減少，降水對其具有淋失作用［42］。

2.3 溫度水分對易氧化有機碳的影響

易氧化有機碳是土壤有機碳中極易被氧化的一部分碳，性質活潑，可以被植物直接利用，是有機碳中的不穩定組分，含量非常少，但由于其特性，對維持植物生產，提高土壤肥力具有重要作用。易氧化有機碳可以通過高錳酸鉀氧化法（333 mmol/LKMnO4）測定。人們很久以前就開始了對易氧化有機碳的研究［43～46］。王清奎等在對活性有機質及其與土壤質量的關系中發現，易氧化有機碳與土壤有機碳呈相關關系［47］。Anderson等在研究土層深度對活性有機碳組分的影響中也發現，易氧化有機碳與總有機碳呈相同的變化趨勢［48］。這就說明了易氧化有機碳與總有機碳對水熱改變的反映是一致的，易氧化有機碳因為其含量少，極其活躍，所以可以作為研究有機質對全球氣候變化的反映的一個敏感指標。

綜上所述，氣候變化背景下的溫度和水分變化會對有機質產生強烈影響。國內外對氣候變化對土壤有機質的影響眾說紛紜，這可能是因為各地環境因素和土地類型不同造成的。土壤活性有機碳雖然在含量較少，但因其對外界條件改變反應靈敏，可以作為評價土壤有機質對溫度和水分變化響應的主要依據。這些研究結果將為適應氣候變化的土壤培肥技術提供理論基礎。

［1］ 林而達，吳紹洪，戴曉蘇，等.氣候變化影響的最新認識.氣候變化研究進展，2007，3（3）：125～131

［2］ Anderson，J.M. Soil and climate change. Advances in Ecological Research，1992，（22）：188～210

［3］ IPCC. Climate change 2007：synthesis report.Cambridge，UK：Cambridge University Press，2007

［4］ 任國玉，郭 軍，徐銘志，等. 近 50 年中國地面氣候變化基本特征.氣象學報，1994，20（12）：19～26

［5］ kosinski，L.A. ed. Issues in global change research：problems，data and programs. HDP Report，1996（6）：7～21

［6］ kpomblekoua K，Tabatabai M A. Effect of organic～acids on release of phosphorus from phosphate rocks .Soil Science，1994，158（6）；442～453

［7］ Trumbore S. Carbon respired by terrestrial ecosystem～recent program and challenges . Global Change Biology.2006，（12）：141～153

［8］ hyvonen R，Agren G l，Dalias P. Analyzing temperature response of decomposition of organic matter .Global Change Biology，2005，（11）：770～778

［9］ Briones M J I，Poskitt J，Ostle N（2004）. Influence of warming and enchytraeid activities on soil CO2 and CH4 fluxes. Soil Biology and Biochemistry，36，1 851～1 859

［10］ kirschbaum MUF.1995. The temperature dependence of soil organic matter decomposition，and the effect of global warming on soil organic C storage. Soil Biol Biochem，27：753～760

［11］ Rustad L E，Norby R J，Mitchell M J，et al. A meta～analysis of the response of soil respiration，net nitrogen mineralization，and aboveground plant growth to experimental ecosystem warming. Oecologia，2001，126：543～562

［12］ Giardina C P，Ryan M G. 2000. Evidence that decomposition rates of organic carbon in mineral soil do not vary with temperature. Nature，404：858～860

［13］ 李玉強，趙哈林，趙學勇，等. 2006.土壤溫度和水分對不同類型沙丘土壤呼吸的影響.干旱區資源與環境，20（3）：154～158

［14］ 黃 耀，劉世梁，沈其榮，等. 環境因子對農業土壤有機碳分解的影響. 應用生態學報，2002，13（6）：709～714

［15］ 王彥輝，Perter Rademacher，Horst Folster.環境因子對挪威云杉林土壤有機質分解過程中重量和碳的氣態損失影響及模型.生態學報，1999，19（5）：641～646

［16］ 陳全勝，李凌浩，韓興國，等.水熱條件對錫林河流域典型草原退化群落土壤呼吸的影響.植物生態學報，2003，27（2）：202～209

［17］ kirschbaum M U F. Will changes in soil organic matter act as a positive or negative feedback on global warming Biogeochemistry，2000，48：21～51

［18］ Ponnamperuma F N. Straw as source of nutrients for wetland rice. In：Organic Matter and Rice. IRRI publication. 1984，117～136

［19］ Gulledge J and Schimel J P. Controls on soil carbon dioxide and methane fluxes in a variety of Taiga Forest stands in Interior Alaska. Ecosystems，2000，3：269～282

［20］ Isirimah N O，Keeney D R. Nitrogen transformations in aerobic and waterlogged Histosols. Soil Science. 1972，115（2）：123～129

［21］ Zhang J T. Effects of global climate change on C and N circulation in natural soils. Scientia Geographica Sinica，1998，18：463～471.

［22］ casals P，Romanya J，Cortina J，Fons J，Bode M，Vallejo VR. Nitrogen supply rate in Scots pine（Pinus sylvestris L.） forests of contrasting slope aspect. Plant Soil，1995，168/169：67～73

［23］ Zak D R，Holmes W E，Macdonald N W，et al. Soil temperature，matric potential and the kinetics of microbial respiration and nitrogen mineralization［J］. Soil Sci Soc. Am. J，1999，63：575～584

［24］ 劉紹輝，方精云.土壤呼吸的影響因素及全球尺度下溫度的影響.生態學報，1997，17（5）：469 ～476

［25］ Fang C and Moncrieff J B. The dependence of soil CO2 efflux on temperature［J］. Soil Biology &Biochemistry，2001，33：155 ～165

［26 mcDowell WH，Zsolnay A，Aitkenhead～Peterson JA，Gregorich EG，Jones DL，J?demann D，Kalbitz K，Marschner B，Schwesig D.A comparison of methods to determine the biodegradable dissolved organic carbon from different terrestrial sources. Soil Biol Biochem，2006，38：1933～1942

［27］ currie WS，Aber JD，McDowell WH，Boone RD，Magill A. H. Vertical transport of dissolved organic C and N under long～term N amendments in pine and hardwood forests. Biogeochemistry，1996，35：471～505

［28］ cortina J，Romanya J，Vallejo VR. Nitrogen and phosphorus leaching from the forest floor of a mature Pinus radiata stand. Geoderma，1995，66：321～330

［29］ Waldrop MP，McColl JG，Powers RF. Effects of Forest Postharvest Management Practices on Enzyme Activities in Decomposing Litter.Soil Sci Soc Am J，2003，67：1250～1256

［30］ Schwesig D.A comparison of methods to determine the biodegradabledissolved organic carbon from different terrestrial sources. Soil Biol Biochem，2006，38：1933～1942

［31］ kalbitz K，Schwesig D，Schmerwitz J，Kaiser K，Haumaier L，Glaser B，Ellerbrock R，Leinweber P. Changes in properties of soil～derived dissolved organic matter induced by biodegradation. Soil Biol Biochem，2003，35（8）：1129～1142

［32］ 楊玉盛，郭劍芬，陳光水，等. 森林生態系統 DOM 的來源/特性及流動［J］. 生態學報，2003，23（3）：547～558

［33］ Insam H，Parkinson D，and Domsch KH.1989.Influence of macroclimate on soil microbial biomass. Soil Biol Biochem，21（2）：211～221

［34］ 張海燕，肖延華，張旭東，等.土壤微生物量作為土壤肥力指標的探討［J］土壤通報，2006，37（3）：422～4251

［35］ Anderson DW and Paul EA.1984.Organo～mineral complexes and their study by radiocarbon dating. Soil Sci Soc AmJ，48：298～301

［36］ Logninow W，Wisniewski W，Strony W M，et al. Fractionation of organic carbon based on susceptibility to oxidation. Polish Journal of Soil Science，1987，20：47 ～52

［37］ Lefroy R D，Blair G J. Changes in soil organic matter with cropping as measured by organic carbon fractions and 13C natural isotope abundance. Plant and Soil，1993，155 /156：399～402

［38］ Janzen，H H，Campbell C A，Brandt S A，et al. Light fraction organic matter in soils from long～term crop rotations. Soil Science Society of American Journal.1992，56：1799～1806

［39］ 李玉武. 次生植被下土壤活性有機碳組分季節動態研究.中國科學院成都生態研究所.2006

［40］ michalzik B，Matzner E. Fluxes and dynamics of dissolved organic nitrogen and carbon in a spruce（Picea abies Karst.）forest ecosystem. Eur J Soil Sci，1999，50：579～590

［41］ cronan CS. Patterns of organic acid transport from forested watersheds to aquatic ecosystems. In：Perdue EM，Gjessing ET eds. Organic Acids in Aquatic Ecosystems. Life Sciences Research Report 48. Chichester：John Wiley & Sons，1990. 245～260

［42］ Tipping E，Woof C，Rigg E，Harrison AF，Inneson P，Taylor K，Benham D，Poskitt J，Rowland AP，Bol R，Harkness DD. Climatic influences on the leaching of dissolved organic matter from upland UK moorland soils，investigated by a field manipulation experiment. Environ Int，1999，25：83～95

［43］ mensah F K.2000.Conversion of annually cropped land to grassed：effect on soil carbon. M. Sc. thesis in the Department of Soil Science，University of Saskatchewan. 51 Campus Drive，Saskatoon，Saskatchewan，Canada，S7N 5A8.

［44］ 楊桂生，宋長春，王麗麗，等.水位梯度對小葉章濕地土壤微生物活性的影響.環境科學，2010，31（2）：444～449

［45］ hayakawa K. Seasonal variations and dynamics of dissolved carbohydrates in Lake Biwa［J］. Organic Geochemistry，2004，35：169～179

［46］ 沈宏，曹志洪，胡義正.土壤活性有機碳的表征及其生態效應.生態學雜志，1999，18（3）：32 ～38

［47］ 王清奎，汪思龍，馮宗煒，等.土壤活性有機質及其與土壤質量的關系.生態學報，2005，25（3）：513～519

［48］ Anderson TH，Domsch K H. Ratios of microbial biomass carbon to total organic carbon in arable soils. Soil boil Biochem，1989，21：471～479