農田生態系統土壤碳固持效應研究

蔡苗

摘要：指出了農田生態系統在陸地碳循環中具有重要地位且受人為活動影響較大，通過實施合理科學的土地管理措施，穩定和提高農田土壤碳庫貯量，對于保證全球糧食安全與緩解氣候變化趨勢具有雙重的積極意義。詳細論述了全球及我國土壤有機碳庫和無機碳庫的固持總量以及農田土壤固碳的潛力，分析了農田管理中的土地利用方式、種植制度、施肥措施、灌溉條件等分別對土壤有機碳庫和無機碳庫的影響，以期為提升土壤碳庫總量、提高農業生產力、緩解氣候變化等提供參考。

關鍵詞：土壤有機碳貯量；土壤無機碳貯量；農田管理；殘體分解

中圖分類號：S153.6

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）18000104

1引言

自20世紀80年代以來，減少溫室氣體排放和增加陸地生態系統碳匯成為全球變化研究的熱點＼[1＼]。土壤有機碳庫是地球表層系統中最大且最具有活動性的生態系統碳庫之一，而土壤發生性碳酸鹽在形成過程中可以固存大氣CO2，其形成與周轉對干旱區碳循環具有重要影響，在全球碳循環過程中的貢獻日益顯著＼[2＼]。

農田生態系統在陸地碳循環中具有重要地位且受人為活動影響較大，通過合理科學的土地管理措施，穩定和提高農田土壤碳庫貯量，對于保證全球糧食安全與緩解氣候變化趨勢具有雙重的積極意義＼[3＼]。作物殘體分解是土壤有機質的重要來源＼[4＼]，施用化肥在提高作物地上產量的同時也增加了地下根系殘體的數量。研究肥料施用對根茬養分組成及其分解特性的影響，對于揭示根系分解在土壤碳循環過程中的作用，以及科學栽培、合理施用化肥，促進農業可持續發展和增加土壤固碳等方面具有重要的理論及實踐意義。

2土壤碳庫固持總量研究

土壤碳固持是指將大氣中的CO2轉化為土壤碳組分的過程，該過程主要通過：①植物的光合作用，通過土壤中的作物殘體和其他生物固體的腐殖化過程將碳以土壤有機碳的形式貯存下來；②在干旱、半干旱氣候條件下，土壤碳固持通過將土壤氣體中的CO2轉化為無機形式，生成次生碳酸鹽，或者通過碳酸氫鹽向地下水的淋溶過程中捕獲CO2氣體＼[5＼]。

陸地生態系統碳庫總量接近3170 Pg，其中，大約80%碳庫（2500 Pg）貯存在土壤中。土壤碳庫包括有機碳庫（1550 Pg）和無機碳庫（950 Pg），是大氣碳庫（760 Pg）的3.3倍，生物碳庫（560 Pg）的4.5倍。作為陸地生態系統中最大的碳庫，土壤碳庫與大氣碳庫聯系非常緊密，土壤每增加1 Pg碳貯量，將能夠相應地降低大氣CO2濃度0.47×10-6，反之亦然＼[6＼]。

2.1土壤有機碳貯量

有機碳是土壤的重要組成部分，在土壤肥力、環境保護與農業可持續發展方面具有重要意義＼[7＼]。在濕潤、半濕潤地區，土壤碳庫以有機碳形式貯存為主。國際上用多種模型估算出的全球土壤總有機碳庫為1288～1939 Pg，在1 m土層深度的有機碳貯量范圍為1200～1600 Pg＼[8～10＼]，而上層土壤（30 cm）有機碳庫約為684～724 Pg＼[11＼]。Lal＼[12＼]近年來采用1500 Pg作為全球土壤總有機碳庫的估計值。Jobbágy和Jackson＼[13＼]估算得到，在3 m土層內，全球土壤的有機碳庫貯量為2344 Pg，56%（1502 Pg）以上分布在1 m深土層。

王紹強等＼[14＼]運用我國第一次土壤普查資料結合中國土壤分布圖，估算得到中國土壤總有機碳庫為100 Pg，運用第二次全國土壤普查資料的計算結果為92 Pg。潘根興＼[15＼]按照《中國土種志》中全部約2500個土種的有機碳含量資料的計算結果為50 Pg，這與我國國土面積相近的加拿大的180 Pg相比甚低，且表層土壤有機碳貯量占全球的4.4%，說明我國土壤有機碳的表聚性比較突出。方精云和陳安平＼[16＼]估算提出中國土壤總有機碳庫高達185 Pg，其所運用的方法是土壤都均一化為1 m厚度。

2.2土壤無機碳貯量

不同研究者對全球0～1 m土層的土壤無機碳貯量估算范圍變化較大，從695～748 Pg＼[10＼]到1738 Pg＼[17＼]。土壤無機碳包括原生（母質）碳酸鹽和次生碳酸鹽（主要是方解石），造成對土壤無機碳庫貯量估算值差異較大的主要原因之一就是難以區分原生、次生碳酸鹽。對全球土壤無機碳庫貯量的最新估算數據為1 m深度947 Pg，接近全球土壤總碳庫量的38%＼[18＼]。

基于我國第二次土壤普查（1979～1992年）數據，中國無機碳貯量為55.3 Pg，約占全球1 m土層無機碳庫總量的5.8%＼[19＼]，其中西北地區土壤無機碳含量（13.6 kg C/m2）和貯量（30.1 Pg）最高。我國黃土高原地區1 m深度的土壤無機碳庫量為10.2 Pg，接近全國無機碳總貯量的18.4%，其中黃土高原南部的關中塿土（土墊旱耕人為土）無機碳貯量為0.25 Pg＼[2＼]。

3農田土壤固碳意義及潛力

在全球陸地生態系統碳庫中，只有農田土壤碳庫是強烈人為干擾，而又可以在較短的時間尺度上進行調節的碳庫＼[20＼]。Lal和Bruce＼[21＼]預測指出，通過秸稈還田處理，全球農田土壤的固碳潛力為200 Tg/yr；在合理施用化肥后，農田土壤固碳能力能夠達到100 Tg/yr。此外，次生碳酸鹽形成也是緩解氣候變化、提高土壤無機碳貯量的重要方式。土壤次生碳酸鹽的生成速率約為10～15 kg C/（hm2·yr），通過合理的農田灌溉，土壤無機碳的固碳潛力可以達到0.25～1.0 Mg C/（hm2·yr）＼[5＼]。在我國農業耕作現狀和發展基礎上，韓冰等＼[22＼]估算得到我國主要農業措施的固碳現狀和潛力分別為101.4 Tg/yr和182.1 Tg/yr。

4農田管理與土壤固碳endprint

4.1對有機碳庫的影響

土壤有機碳是進入土壤中的各種動植物殘體、微生物殘體及其分解、合成的有機物質中的碳。目前農田土壤固碳的研究主要集中在土壤有機碳，提高農田土壤有機碳固持的途徑主要有兩個：①通過增加進入土壤中的有機物料來提高有機碳貯量；②通過減少對農田土壤的人為擾動，降低有機碳的分解速率來提高土壤有機碳固持的能力和潛力。

4.1.1土地利用方式

土地休閑主要是依靠自然植被的演替來恢復土壤的肥力水平，同時在干旱、半干旱地區，土壤休閑也常用于增加土壤水分貯量，保障和提高下季作物的產量。但是，在夏季高溫高濕的氣候環境下，土壤微生物活性較高，夏季休閑可能會加速土壤有機質礦化分解，不利于土壤肥力提高，同時休閑也降低了土壤中植物有機殘體的歸還量。此外，由于地表植被覆蓋減少，夏季休閑期間土壤流失和風蝕也是造成農田土壤有機碳損失的原因，損失量甚至比耕地更大。因此，避免裸地休閑也是降低農田土壤有機碳損失的重要途徑＼[23＼]。

土地利用方式及其程度、變化是影響土壤有機碳庫數量、組成和轉化速率的重要因素，耕作通常是被認為對土壤有機碳影響最大的人為因素。耕作的機械作用使土壤團聚體破裂、分散，導致土壤有機質物理保護破壞，暴露于微生物的分解之下，造成土壤有機質含量下降＼[24＼]。此外，機械擾動還可能導致土壤呼吸作用加強。農田土壤有機碳損失主要發生在0～30 cm土層中，尤其是0～10 cm深度。在長期耕作土壤中，表層和亞表層的土壤有機碳比自然植被下的土壤低40%～60%＼[25＼]。對傳統耕作農田實行免耕，在開始階段會導致土壤碳庫降低，而長期免耕則有利于增加土壤碳庫＼[26＼]。農田土壤有機質動態變化與其初始水平及干擾歷史有關，雖然保護性耕作可以增加土壤有機質含量，但它只能部分恢復前期碳損失，如果在耕種初期土壤有機質含量較高，那么試圖通過農田管理來恢復到耕種前的水平，并使之保持相對穩定是非常困難的。長期耕作管理也能夠顯著改變土壤有機碳組分的物理和化學性質。在耕種方式長期不變的情況下，開墾土壤的有機質含量最終會維持在較低的水平上，其形成速率將與分解速率相等，但是微生物碳與總有機碳的比率基本一致＼[27＼]。同時，也有研究指出，耕作能夠影響土壤理化及生物學特性，提高土壤透氣性和微生物活性，增加土壤中有效養分的含量。

4.1.2種植制度

由于輪作改變了作物殘體或根系的數量、種類，從而影響土壤有機碳的固定、礦化以及數量。作物根系以及微生物殘體主要影響土壤水溶性有機碳和微生物碳的變化＼[28＼]，輪作能夠改變進入土壤的作物殘茬，有利于控制雜草和病蟲害防治，與保護性耕作技術結合，還能夠改善土壤物理特性，減少土壤侵蝕。一般研究認為，在輪作中增加多年生物種可以加速土壤有機質的匯集。豆科—禾本科植物輪作能較快地增加土壤有機碳的貯存，選擇一些具有高生物量或高C/N比的植物與作物輪作，可增加進入土壤的根茬或殘體數量，減少土壤水分的地表蒸發，使土壤的持水和保水能力增強，從而增加土壤有機碳固定，對保持和提高農業生態系統的可持續發展能力非常重要。但是，也有研究發現無論在免耕或傳統耕作條件下，作物輪作或休閑不能提高土壤有機質的含量。在不同氣候和土壤條件下，輪作對土壤有機碳累積作用的影響不同＼[29＼]。

4.1.3有機殘體分解

土壤有機碳含量由有機碳輸入和輸出之間的平衡決定，有機殘體還田是農田土壤有機物料輸入的主要途徑。秸稈可以作為土壤的改良物質并具有作物所需N、P、K以及所有必需微量養分元素。中國1億hm2耕作土壤大約產生0.6 Pg/yr的秸稈＼[30＼]，秸稈還田的固碳潛力巨大，如能確保有更多激勵政策的制定和執行，中國耕地土壤固碳將會提高2倍。保留殘茬也能通過降低雨滴的擊濺來加強土壤水的入滲，從而減少含有較高有機碳的表層土壤流失。秸稈和作物殘體覆蓋地表可反射太陽光線，使土壤溫度變化緩和、蒸發速率降低，在春夏季節通常會偏低，而在秋冬季節又偏高。秸稈還田能顯著增加土壤表層輕組有機碳的含量，卻對與土壤礦質顆粒緊密結合的多糖類重組有機碳含量沒有影響。此外，在我國干旱、半干旱地區，地膜覆蓋技術得到廣泛應用，已成為一項重要的農業增產技術手段。地膜覆蓋增產的機制首先在于改善了土壤生態環境，即水熱狀況，進而活化了土壤養分，使其有效性和利用效率提高。然而地膜覆蓋的增產作用在一定程度上是以消耗土壤養分為代價的。因此，在旱地農田土壤地膜覆蓋的基礎上，采用作物殘體秸稈還田覆蓋，能夠在保障糧食產量的同時維持土壤有機質平衡，促進農業可持續發展。

4.1.4施肥措施

施肥主要通過兩條途徑影響土壤有機質含量及動態：一是提高農作物生物產量，增加土壤中殘茬和根的輸入；二是影響土壤微生物的數量和活性，進而影響土壤有機質的生物降解過程。施用有機肥可以迅速提高土壤有機碳含量，而且這種影響是持久的。長期施用有機肥能顯著提高土壤活躍有機碳含量，而施用化肥則提高了惰性有機碳的含量，提高了土壤有機碳的氧化穩定性。也有研究認為化肥對土壤有機碳的固定并不產生直接作用，而只是通過增加作物秸稈的歸還量而對土壤有機碳的貯存產生影響＼[31＼]。國內很多研究者對不同土壤類型、氣候條件和利用方式下的施肥方式進行了研究，結果大都表明有機肥或有機肥和化肥配合施用能夠增加土壤表層碳儲量和提高土壤固碳，而單獨施用化學肥料所得出的結果則不盡相同＼[30＼]。在植物生長必需的營養元素中，氮素是影響作物產量最重要的元素之一。氮肥施用對土壤有機碳庫的影響已有大量研究報道，然而氮肥施用對土壤有機碳庫貯量影響的研究結果也因土壤類型、肥料種類、施用時間尺度的不同而存在差異。農業生產中應協調氮肥用量，保障作物產量的同時，減少氮肥過量施用帶來的環境風險及對土壤碳庫的負面影響。

4.2對無機碳庫的影響

土壤無機碳由原生和次生碳酸鹽組成，而次生碳酸鹽的形成和變化過程即為固存碳的過程，它通過原生碳酸鹽碳的降解和溶解，或碳酸鹽沉積礦物和風化物的再沉淀，以及通過大氣中CO2與鈣鎂離子及其他鹽分在土壤中的沉淀作用形成＼[32＼]。土壤無機碳是陸地生態系統中的第二大碳庫，積累速率比有機碳高，且生成的碳酸鹽具有很好的穩定性。近年來，土壤無機碳庫在全球碳循環研究中的重要性成為人們關注的重點。endprint

4.2.1土地利用方式

土地利用方式及農田土壤管理措施變化會對土壤無機碳庫的累積與轉化產生影響。Mikhailova和Post＼[33＼]對法國黑鈣土的研究發現在2 m土層中，天然草地、持續耕作農田、50年連續休閑的土壤無機碳貯量分別為107、242、196 Mg/hm2，表明土壤耕作能夠促進無機碳貯量的增加。對我國農田土壤利用對無機碳貯量影響的研究表明，我國約51%的耕作土壤（包括灌溉農田，旱地和水稻田）存在無機碳貯量降低，損失較嚴重的地區為華北東部，無機碳減少接近0.5～4.0 kg·C/m2。在這些地區中，土壤無機碳庫損失的主要原因是灌溉措施引起的碳酸鹽在土壤剖面中的淋溶，特別是當氮、硫肥施用量增加后導致的土壤酸化條件下。而另一方面，我國約10%的耕地土壤出現了無機碳庫累積的現象，無機碳密度增加量達到0.5～5.0 kg·C/m2。土壤無機碳庫增加的地區主要為我國西北地區有灌溉措施的石灰性粉質土壤、荒漠土、灰鈣土以及東北黑土。利用黃土高原23年的定位試驗表明，與休閑相比，不同作物長期連作或輪作顯著提高了0～40 cm土層土壤無機碳20%～26%＼[34＼]。可見，農田耕作措施能夠促進土壤無機碳庫增加。

4.2.2灌溉措施

在石灰性土壤中，普遍存在著SOC-CO2-SIC的微碳循環系統。土壤有機質分解、根系和微生物呼吸等分解釋放的CO2，與土壤水作用形成碳酸溶液，溶解了一部分重碳酸鈣；而后隨著土壤水分的蒸發散失，重碳酸鈣又沉淀成碳酸鈣，即通過反應SOC-CO2（g）-CO2（aq）-HCO3-（aq）-CaCO3（s）參與了部分次生碳酸鹽的重新淀積結晶，增加了次生碳酸鹽和土壤碳酸鹽的總量。在干旱條件下，通過大氣-植被-土壤-水-沉淀作用的碳轉移系統構成了干旱區碳循環的主要機理和途徑＼[32＼]。因此，次生碳酸鹽在形成和周轉過程中不但可固存大氣CO2，還可固存土壤有機碳分解產生的CO2，對大氣CO2調節以及全球干旱區域碳循環具有重要的影響。科學管理與農業合理種植會刺激植物生長，提高微生物活性和水分滲透性，促進次生碳酸鹽的形成，從而大大增加干旱土壤中無機碳儲存量。

除作物耕作外，在干旱、半干旱地區，農田土壤灌溉也能夠促進無機碳庫固持。灌溉可以通過刺激微生物、植被及其根部的活性來促進干旱耕地中碳酸鈣的形成。由于灌溉水質量、灌溉方式的不同，不僅會引起碳酸鈣的溶解，并將其淋濾到地下水中，也會引起碳酸鈣的沉淀＼[35＼]。土壤中的次生碳酸鹽通過化學反應：Ca2++2HCO-3→CaCO3+H2O+CO2形成，土壤灌溉能夠促進該反應進行。在碳酸鹽溶解時，Ca2+和HCO-3離子的來源是決定次生碳酸鹽形成過程是CO2“匯”亦或是“源”的關鍵。當該反應中的HCO-3來源于生物呼吸（根呼吸或微生物分解土壤有機質）時，則碳酸鹽沉淀過程即是大氣CO2匯；而當HCO-3離子主要來源于灌溉水時，則次生碳酸鹽的形成過程就成為了CO2源。

4.2.3施肥措施

在農田土壤中，不同的施肥措施也能夠對土壤無機碳貯量產生影響，不同種類的肥料對土壤碳庫的影響也不相同。與不施肥相比，農肥和綠肥處理的土壤無機碳含量分別降低了7.4%和5.3%，而秸稈還田和氮肥處理與不施肥無顯著差異＼[36＼]。利用20年肥料定位試驗表明，耕層土壤的碳酸鈣含量隨氮、磷肥水平的增加而降低＼[37＼]。此外，硝酸鹽淋溶、豆科作物氮固持以及銨態氮肥施用可能引起土壤酸化，加速土壤無機碳溶解。

2017年9月綠色科技第18期

5結語

我國陸地面積廣大，生態系統類型豐富，明確我國土壤碳庫貯量對全球碳循環和氣候變化研究十分重要。通過免（少）耕、濕地恢復、有機殘體覆蓋、養分管理、有機肥施用等合理的土地利用和推薦的農業措施，可有效穩定和提高農田土壤碳庫貯量，對于改善土壤性質、提高農業生產力、降低土壤侵蝕威脅以及緩解全球氣候變化等方面都具有積極的意義。

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Abstract： The farmland ecosystem greatly influenced by the human activitieshas important status in the terrestrial carbon cycle. It is necessary to stabilize and improve farm soil carbon sequestration by reasonable scientific land management methods， which has positive effects on the global food security and the mitigation of climatechange. This paper discussed the total amount and the potential storage of soil organic carbon and inorganic carbon in China and all over the world. It analyzed the influences of land utilization type， cropping system， fertilization measures and irrigation condition in farmland management on the soil organic carbon and inorganic carbon storage. The purpose was to provide a reference to improve soil carbon sequestration， agricultural productivityas well as climate change mitigation.

Key words： soil organic carbon storage； soil inorganic carbon storage； farmland management； residues decompositionendprint