中國西南地區土壤有機碳研究現狀與展望

王 星, 段建軍

(1.貴州大學農學院, 貴州 貴陽 550025；2.貴州大學煙草學院/貴州大學煙草品質研究重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

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■研究進展

中國西南地區土壤有機碳研究現狀與展望

王 星1, 段建軍2

(1.貴州大學農學院, 貴州 貴陽 550025；2.貴州大學煙草學院/貴州大學煙草品質研究重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

土壤有機碳是反映土壤肥力和評價土壤質量的重要指標，同時對環境的可持續發展發揮著重要作用。文章主要從土壤有機碳庫及碳儲量、西南地區喀斯特地區土壤有機碳研究、有機碳分組方法的應用等幾方面對我國西南地區土壤有機碳的研究現狀進行了分析總結，為提升西南地區農田土壤肥力、固碳潛力及農田的可持續利用提供指導及理論依據。

土壤有機碳；碳儲量；西南地區

土壤有機碳由動物、植物及微生物的生物殘體及其部分分解產物和土壤腐殖質組成，其中土壤和沉積物中形成的腐殖質是地球上最大的土壤有機碳庫(生物圈的四倍)。土壤有機碳不僅為微生物和植被生長及腐生動物生活提供碳源，也是重要的生態因子[1]，可以維持良好的土壤物理結構，保持土壤生物多樣性等。

近年來人們對土壤有機碳的關注度越來越高，對土壤有機碳的研究不僅關系到農業生產，還與水土保持、荒漠化治理有著密切的聯系。西南地區屬于亞熱帶季風氣候，全年雨量充沛，濕度較大。該地區的成土母質主要為砂頁巖、石灰巖、花崗巖，在此基礎發育的土壤結構疏松，持水性差。另外，該地區主要以山地為主，地形破碎，坡地易發生水土流失。其獨特的地形和地貌條件、水熱條件以及土壤的發育條件等為土壤有機碳的研究提供了理想場所。現就多年來國內對西南地區土壤有機碳的探索研究做總結分析，從而為西南地區土壤可持續利用和進一步穩定提高土壤有機碳庫儲量提供理論參考。

1 土壤有機碳研究意義

1.1 農田土壤有機碳庫動態研究的意義

土壤有機碳作為農田系統中土壤肥力的重要組成部分，是反映土壤肥力和評價土壤質量的重要指標，在調節土壤理化性質、改善作物養分、優化土壤結構、作物產量維持與質量保證、降低對環境的負面影響方面都起到重要作用。土壤有機碳的含量及其動態均衡也是導致土壤肥力和作物產量的高低的直接因素[2]。因此，農田土壤有機碳的動態研究既可為農田土壤固碳提供技術指導，對于減緩和整治農田土壤退化及土壤生產力有關的一系列問題提供理論支持。

1.2 土壤有機碳對生態系統的作用

土壤與大氣、陸地生物群落共同構成陸地生態系統中碳的主要儲蓄庫和交換庫。土壤有機碳的數量與質量變化的過程研究，對土地資源可持續利用以及對土壤碳循環與全球氣候變化的互相作用研究都有著重要意義。陸地碳循環影響系統生產力的形成，同時也關系到整個地球系統的能量均衡，是陸地生態系統結構和功能的整體體現。對化石燃料的開采使用、焚燒植物、濕地破壞、不合理土體開采等活動，對碳在地球各圈層，尤其是對大氣圈和土壤圈的動態關系產生了顯著的影響，造成大氣CO2濃度的連續升高，并可能影響到全球氣候的變化[3]。目前在全球變化的背景下，對土壤有機碳存儲量、布局、轉變、衰退機理進行研究，并展示其影響因素和生態效應，將有助于尋求如何科學地開發和保護有限的土壤資源，減少土壤中溫室氣體排放、提高土壤碳存儲、提升土壤質量，對已發生退化土地的修復及環境整治和保護等都有重要的意義。

2 西南地區土壤有機碳研究進展

2.1 有機碳儲量及影響因素

進入土壤的動植物殘體等有機物質與以土壤微生物分解作用為主的有機物質的虧損之間的平衡就是土壤有機碳的含量。全球土壤碳庫大約有1550 Pg有機碳和750 Pg無機碳(0-1m 土層)，其中大氣碳庫的占土壤碳庫的三分之一，生物碳庫占土壤碳庫的十九分之五，成為地球表層最大的有機碳庫[4]。對于我國陸地的土壤總有機碳儲量，2004年香山會議上，眾多土壤學家討論后提出將90 Pg作為中國土壤總有機碳庫的默許值[5]。

張勇等[6]利用798個土壤剖面及1：50萬土壤圖估算了云南省、貴州省和廣西壯族自治區的土壤有機碳儲量。結果表明，云南省、貴州省和廣西壯族自治區的表土層(0～0.2m)的土壤有機碳儲量分別為4.39 Pg、土壤剖面(0～1m)的土壤有機碳儲量為10.91 Pg；表土層的土壤有機碳密度為56.2Mg/hm2、剖面土的土壤有機碳密度為139.8 Mg/hm2，高于全國平均水平。主成分析結果表明環境因子為影響土壤有機碳密度的第一因子，并且在各環境因子中，降雨對土壤有機碳密度的影響小于氣溫，其中海拔和緯度的變化導致了氣溫和降雨的變化。除氣溫和降雨外，土壤有機碳密度的變化還與其它隨海拔或經緯度而變化的因子的變化有關，并且這種變化要大于降雨對土壤有機碳密度變化的影響。黃一敏等[7]從空間尺度對西南地區土壤碳儲量的空間變化及其與相應環境因素變化之間的關系進行了研究，結果表明西南地區喀斯特森林地區土壤有機碳含量為32. 3 g/kg，土壤有機碳含量主要受土壤容重、地形海拔和有機質 C/N的影響。劉楠等[8]研究發現，土壤有機碳的含量和密度隨隨土壤深度減少有增加的趨勢，常綠闊葉林、針闊混交林和灌木林土壤有機碳大都存儲于土壤的第一層，毛竹林土壤有機碳主要存儲于土壤的第一、第二層。

2.2 西南地區喀斯特地區土壤有機碳研究

中國西南部是喀斯特生態系統中心，因為受到亞熱帶季風氣候的影響和人類對大自然破壞的加劇，其喀斯特生態系統已出現不同程度的石漠化。土壤有機質在土壤侵蝕與退化過程中扮演了十分重要的角色。石漠化過程中礦質組分的有機碳低于土壤輕組和顆粒組分，其中的有機碳含量隨石漠化程度的降低而增加，與石漠化過程有一致性。樵采石漠化的顆粒組分主要是有機質與黏粉粒結合成的有機無機復合體，其中的有機質易被保護。開墾石漠化中的顆粒組分大部分都是有機質與砂粒的結合，其中有機質腐殖化程度低，易被分解。

廖洪凱[9]等研究表明，在不同植被類型下貴州西南部喀斯特山區土壤的固碳能力及有機碳穩定性較弱，土層淺薄易被人為干擾引發有機碳流失，土壤質量存在下降或退化風險。羅海波[7]等對貴州中部喀斯特地區森林生態系統的小生境進行了研究，結果表明植被類型是影響喀斯特土壤有機碳變化的主要原因。李菲[10]等研究發現，土壤有機碳的含量在不同植被類型下具有顯著性差異，且春秋兩季的有機碳含量高于夏冬兩季。魏媛等[11]分析了喀斯特地區植被與土壤有機碳的關系，隨著喀斯特植被的破壞，土壤微生物量降低，碳源平均利用率降低。李龍波等[12]以貴州喀斯特地區兩種土壤類型為研究對象,實驗結果表明，黃壤剖面相應層次有機碳含量低于石灰土剖面，且黃壤剖面土壤有機碳隨剖面深度變化的速率高于石灰土。

2.3 土壤有機碳分組方法的應用

土壤有機碳的分組技術主要包括：物理分組技術、化學分組技術、生物分組技術和物理-化學聯合分組技術。西南地區有機碳組分的研究主要采用了物理分組技術和物理-化學聯合分組技術。其中，物理-化學分組技術綜合考慮了土壤有機碳的多種穩定機制，能明顯地表現出各組分有機碳土壤對總有機碳的響應特征，在西南地區的應用將會是大勢所趨。

李鑒霖等[13]采用物理分組技術對我國西南地區縉云山的4種土地利用方式下土壤有機碳組分含量進行了研究，結果表明在林地和撂荒地中粗顆粒有機碳和細顆粒有機碳組成的活性碳庫分配比例最高；而在果園和坡耕地中<53 um的粉+黏顆粒有機碳組成的化學保護有機碳庫分配比例最大，表明坡耕地及果園土壤有機碳的活性遠遠低于林地和撂荒地。廖洪凱等[14]采用物理分組技術對貴州喀斯特地區不同植被類型下土壤中不同粒徑土壤顆粒有機碳的變化進行了探討，結果表明，顆粒有機碳占礦物結合態有機碳的比例均為：灌木林>喬木林>草叢>裸地，而且在植被演化過程中，土壤顆粒有機碳含量的增加以砂粒及粉砂粒有機碳為主，有機碳穩定性較弱且易受外界干擾而引發有機碳的流失。

張麗敏[15]等利用有機碳物理-化學聯合分組方法對貴州省農科院的黃壤性水稻土進行了研究，實驗表明施肥可以提高土壤的總有機碳含量，其中有機無機肥配施對提高黃壤性水稻土有機碳水平的貢獻率最大，并且物理保護有機碳增幅最大，強化了土壤有機碳的物理穩定機制。

2.4 提高土壤有機碳的農業措施

在不同農田管理方式下，有機碳組分的化學組成和儲量會產生分異，進而對土壤有機碳沉積速率產生不同的影響。與傳統耕作相比對與農田秸稈還田、免耕覆蓋處理，均可以增加土壤碳庫、改善土壤理化性質。國內外的相關研究表明長期進行秸稈還田、免耕覆蓋處理可以避免傳統耕作引起的土壤干濕交替，并且對土壤有機物的礦化速率、降解速率影響不大。但也有部分研究表明連續免耕會是土壤平均重量直徑降低，適時耕作有利于土壤結構的發育[20]。另外，施肥也可以增加土壤有機碳含量，改善土壤結構，提高土壤肥力。具體應與當地實際情況相結合制定合理措施。陳潔華等[16]對重慶市農田土壤有機碳庫現狀、變化趨勢及固碳潛力研究表明施用秸稈比施用其他有機肥更有利于累積。高巖紅等[17]研究發現，普定縣農田土壤有機碳密度的差異比較大，可以通過保護性耕作、合理輪作和套作、合理施肥和灌溉等措施對有機碳密度較低的農田土壤進行改進，增加有機碳的儲量。

3 展望

從2009年的哥本哈根氣候峰會到霧霾天氣席卷半個中國，北京將要成為下一個霧都的壓力下，節能減排、合理開發利用資源已經迫在眉睫。加之全球氣候變暖，引起了眾多學者的關注。建立資源友好型社會，不僅需要政府的引導，還需要各界人士的共同努力。土壤圈與大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈共同構成自然環境的五大圈，是與人類關系最密切的一種環境要素。整個陸地生態系統全部是發展于土壤圈。其具有的寬廣性使我們不易對其整體研究，從而分地區研究。因此，筆者針對我國西南地區土壤有機碳研究提出展望：

(1)西南地區作為我國為數不多的污染較小地區，如何合理開發利用以及保護土壤碳庫資源，盡量避免重復東部地區先開發后治理的發展模式，打造生態之城，已經是時候值得我們思考。

(2)在西南地區多為丘陵山地，每遇降水，土壤中的有機碳都會隨著流水被帶向低洼地帶，如水土流失一般。而高處的土壤卻只能得到養分較差的巖石風化產物，加之山頂植被較少土壤有機碳更加不易固定。因此，探尋如何增加山體固碳能力，不僅對提高山腰與河漫灘上農田的肥力有利，還可以提高植被覆蓋率，增加山體穩定性，改善生態環境。

(3)西南地區對土壤有機碳的研究比較多，不僅關注土壤總有機碳的數量，而且還關注其質量，及他們的組成或組分及其穩定性等，因此許多研究者從化學結構、溶解性、氧化性、比重等方面對土壤有機碳展開分組研究。但是物理分組本身也存在著一定的問題，物理分組很難呈現出有機質和礦質之間的相互作用的差異程度，并且很難保證穩定有機碳組分的回收率。目前應用比較多的Stewart土壤有機碳的物理-化學聯合分組方法，較好的分離了游離活性、物理保護和礦物結合態有機碳組分，但是該方法分組過程中并沒有考慮水溶性有機碳組分，而且其粗顆粒組分中也包含了穩定性團聚體破碎部分，需要進一步細分。因此，在今后的研究中，探尋更新更好的分組方法仍將是土壤有機碳研究的重要問題。

[1] 鄧少虹,林明月,李伏生,等. 施肥對喀斯特地區植草土壤碳庫管理指數及酶活性的影響[J]. 草業學報,2014(04):262-268.

[2] 羅海波,劉方,劉元生,等. 喀斯特石漠化地區不同植被群落的土壤有機碳變 化[J]. 林業科學,2009(09):24-28.

[3] 王蓮閣.溫度變化對土壤有機碳礦化及其動力學特征的影響[D].西南大學,2015

[4] Mohan K Wali.Fatih Evrendilek.Tristram Owatts.et al、Assessing terrestrial ecosystem sustainability:U sefulness of regional carbon and nitrogen models [J].Nature& Resources.1999(35):21-33．

[5] 趙生才.我國農田土壤碳庫演變機制及發展趨勢—第236次香山科學會議側記[J].地球科學進展,2005(20):587-590.

[6] 張勇，史學正，趙永存，等. 滇黔桂地區土壤有機碳儲量與影響因素研究.環境科學.2008(29):2314-2319

[7] 黃一敏,李心清,楊放,等. 中國西南喀斯特森林土壤有機碳空間變化及影響因素[J]. 地球與環境,2016,01:1-10.

[8] 劉楠,王玉杰,王毅力.重慶縉云山典型林分土壤有機碳密度特征生態環境學報[J].2009, 18(4): 1492-1496.

[9] 廖洪凱.喀斯特山區不同植被類型土壤有機碳的變化.2011(22):2253-2258

[10] 李菲,李娟,龍健,等.典型喀斯特山區植被類型對土壤有機碳、氮的影響[J].生態學.2015,34(12):3374-3381

[11] 魏媛,張金池,俞元春,等.退化喀斯特植被恢復對土壤微生物數量及群落功能多樣性的影響[J].土壤(Soils),2010,42(2):230-235

[12] 李龍波,劉濤澤,李曉東,等.貴州喀斯特地區典型土壤有機碳垂直分布特征及其同位素組成[J].生態學雜志,2012,31(2):241-247

[13] 李鑒霖,江長勝,郝慶菊. 縉云山不同土地利用方式土壤有機碳組分特征[J].生態學報,2015,35(11):3733-3742．

[14] 廖洪凱,龍健. 喀斯特山區不同植被類型土壤有機碳的變化[J]. 應用生態學報,2011,22(09):2253-2258.

[15] 張麗敏, 徐明崗, 婁翼來, 等. 長期施肥下黃壤性水稻土有機碳組分變化特征[J]. 中國農業科學, 2014, 47(19): 3817-3825

[16] 陳杰華. 重慶市農田土壤有機碳庫現狀、變化趨勢及固碳潛力研究[D].西南大學,2013.

[17] 高巖紅.普定縣農田土壤有機碳庫演變特征及影響因素研究[D].西南大學,2014.

The Status and Prospect of Soil Organic Carbon in Southwest China

WANG Xing1，DUAN Jian-jun2

(1.CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China; 2.CollegeofTobaccoScience,GuizhouKeyLaboratoryforTobaccoQuality,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)

Soil organic carbon is an important indicator of reflecting soil fertility and evaluating soil quality , meanwhile, it plays an important role to the sustainable development of the environment.This paper mainly from the soil organic carbon pool and carbon storage, soil organic carbon in Karst area in Southwest China, the present situation of the research on soil organic carbon in Southwest China, several aspects of the application of organic carbon fractionation methods were analyzed and summarized, in order to improve soil fertility in southwest area, to provide guidance and theoretical basis for the sustainable utilization of carbon sequestration potential farmland.

soil organic carbon; sarbon storage;the southwest

2016-10-11

國家自然科學基金(41361.64)

王星(1990-)，女，在讀碩士，主要從事土壤與環境方面的研究。

段建軍(1976-)，男，教授，從事土壤養分循環，技術農業應用等研究。