土壤固碳管理研究

王汝梅，張俊閣，韓雷，張丹

（沈陽農業大學附屬實驗場，遼寧沈陽 110161）

土壤有機質儲量的長期下降始于人類耕種的第一步，現在估計已經以二氧化碳的形式向大氣貢獻了116 Pg的碳，同時也向海洋和淡水沉積物貢獻了少量的氧化碳[1]。目前，隨著耕地面積的增加，土壤有機質的流失還在繼續，尤其是在東北黑土。30年來，研究東北典型黑土地區有機碳密度與儲量下降的成果顯著，尤其是前20年，黑土有機碳的含量快速下降，近10年有所緩解[2]。土壤科學的相關研究一直致力于減少土壤有機質的持續損失，并減少溫室氣體排放到大氣中，但是多數的農業管理實踐過程中有許多產生了負效應。如保護性耕作，雖然可以減少農業機械的排放，但在增加土壤的碳儲量方面收效甚微[3]。玉米-大豆輪作土地上實行免耕措施可以減少約2%的二氧化碳排放，幾十年的農業改良減少了但沒有消除農業作為大氣二氧化碳來源的作用。土壤有機碳的碳固存潛力可以定位為在特定氣候、土壤類型下，土壤有機碳可以達到的最大增加量。由于其自身性質的不同，不同類型土壤根據氣候變化、成土母質等條件有不同的固碳潛力。韓冰等[4]用DNDC模型估算了中國農田土壤碳庫及變化量，分析了我國農田土壤碳庫的固碳潛力，發現我國南方熱帶亞熱帶地區的水稻土有機碳含量相對北方旱田有機碳含量更高，有更大的固碳能力。

1 農田管理方式對土壤固碳的影響

不同的施肥方式極大影響著土壤中有機碳的含量，研究發現，有機肥的施用可以顯著提升土壤有機碳的含量，實現固碳管理，尤其是在高量的有機肥混合施用化肥的處理上。陳錦盈等[5]研究了土地利用變化對土壤物理組分中有機碳分配的影響，結果表明天然林地變成農田，顆粒有機碳含量顯著降低，而退耕還林卻使顆粒有機碳含量增加，且不同土地利用方式土壤有機碳含量在土壤剖面也表現出一定的層次性。史奕等[6]對不同經營方式和施肥模式下黑土顆粒有機碳的變化情況進行研究，發現氮、磷肥和循環豬圈肥處理土壤顆粒有機碳含量最高，深松處理耕層顆粒有機碳含量最高。

對稻麥輪作區的砂壤土的研究發現，秸稈和糞肥的施用提高了土壤有機碳的濃度，尤其是在化肥配合施用的條件下。化肥的施用也對提高土壤固碳起到了一定的作用。例如施氮量高，預計生物量就高，返還土壤的部分也多，因此最終提高了土壤的有機質含量。大部分研究者認為秸稈還田可以增加土壤有機碳的固持，但是秸稈還田對有機碳含量增加的效果遠遠不如有機肥的施用來得直接，主要也是受到秸稈還田量以及秸稈的腐熟程度還有氣候溫度這些環境因素的影響。生物炭作為一種土壤改良劑在農藝和環境管理中的應用日益普及，低周轉率和高碳含量的生物炭及其對土壤理化性質和生物群落的潛在有益影響，引起了研究人員對其土地利用的興趣。生物炭可能成為構建土壤、提高水質和提高農業生產力的農業環境綜合戰略的關鍵組成部分，同時實現土壤碳的固定，緩解全球氣候變化[7]。

2 土壤不同組分固碳研究進展

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，是有機碳存在的主要場所。李海波等[8]研究發現草地＞2 000 μm團聚體的質量分數和平均重量直徑顯著高于裸地和一般農田，表明草地植物細根系的連接和絆纏作用對＞2 000 μm團聚體的穩定起到關鍵作用，因而提高了土壤的團聚化。土壤團聚體固定有機碳的穩定性高度依賴于土壤質地和添加有機碳源，秸稈碳的加入能有效提高旱地大團聚體有機碳的含量（＞250 μm），增強其穩定性和對土壤總有機碳的貢獻，尤其是對傳統耕作土壤的影響更大[9]。相關研究表明，耕作可以降低土壤有機質含量，增加有機質的周轉速率，耕作工具的定期擾動和土壤環境的干濕交替會導致團聚體中的物理保護的有機質暴露并分解。微團聚體包裹的有機碳，由于其內部氧氣通透性差，有機質被固定在微團聚體內部。耕作破壞了團聚體的結構，導致微團聚體有機碳被氧化，有機碳含量降低。土壤中的粘粉粒組分被認為是固定土壤有機碳的主要機制，該組分的結合碳能力或者說固碳容量是土壤固碳自然潛力的物理接觸，因此，免耕被認為是增加有機碳的主要農業管理措施。

3 土壤固碳研究展望

雖然各種形式的土壤碳固存的農業管理措施都有其積極作用，但如何在農業生產實踐過程大規模的實現土壤碳的固存仍然存在難度，甚至不太可能[10]。目前，還沒有一個連貫的經濟戰略能夠促使廣大農民在幾十年的時間跨度范圍采用和保持規定的做法，如何制定一個有效且合理的農業管理措施，以提高土壤有機碳含量，達到緩解氣候變化，保障糧食安全的目標，是未來研究的重點方向。