土壤有機碳儲量的影響因素研究

楊慧敏

摘 ? 要：通過對土壤有機碳儲量及影響因素進行研究，以期找到維持和提高土壤有機碳庫的有效措施，為我國土壤資源的可持續開發利用提供參考，最終達到土壤固碳和農業增產的目的。

關鍵詞：土壤;有機碳;儲量;影響因素

1 ? 土壤有機碳儲量

土壤有機碳（Soil Organic Carbon，SOC）作為土壤有機質的一種化學量度，在提高土壤肥力、改善土壤結構、促進植物生長等方面發揮著重要作用。SOC在全球碳總量（2 344 Pg）中占有巨大比重。據估算，土壤有機碳庫儲量為1 550 Pg，大于植被和大氣碳的總和[1]。其中，農田生態系統的碳儲量占陸地土壤碳儲量的8%～10%（120～150 Pg）[2]，但是全球農業土壤的固碳潛力僅為20 Pg。以往研究有機碳時，注重其對農業生產的作用，而如今的研究更注重其對于生態環境的意義[3]。

2 ? 影響因素

2.1 ? 自然因素

2.1.1 ? 環境因素

土壤有機碳是指土壤有機質（SOM）中的碳含量，是陸地生態系統碳氮循環的重要組成部分。有機碳釋放和降解的速率主要取決于SOC本身的分子結構、化學性質和地表枯落物與死亡根系的數量與質量，其中土壤有機碳分子結構又是影響有機碳質量和功能的重要內在因素。研究發現，一些結構比較穩定的有機碳（如木質素）在土壤中分解轉化的速率竟然比其他有機碳短[4-6]，而一些性質比較活躍的有機碳（如糖類）卻可以穩定在土壤中長達10年之久[7]。這也許是因為不同種類細菌代謝方式不同，所以分解的機制也有一定區別[8]。SOC雖然是由微小的化學分子組成的，但是其持久性卻不是由分子性質所決定的，而是取決于生態系統的屬性，如生物群的空間異質性、環境條件等。所以，分子結構的抗性并非完全地控制有機碳在土壤中的長期持久性[9]。而有機碳在與環境的相互作用下卻可以顯著降低土壤有機碳被降解的可能性。

2.1.2 ? 微生物因素

土壤中產生大量的CO2，是微生物對有機物進行分解所產生的結果。而微生物的生長活動又受土壤養分含量的高低、C和N的有效性以及土壤pH值的影響。當微生物所需的營養元素供應充足以及土壤pH值增加時，微生物活性和繁殖速度也隨之提升，從而加強對有機碳的進一步分解，增加活性有機碳庫的比例。土壤微生物不僅是進入土壤有機物質的“轉化者”，也是土壤養分內部供應能量的“源”和“庫”。微生物對有機碳的轉化主要通過兩種方式，一種是利用微生物的胞外酶，對土壤外源有機質和土壤原有有機質進行降解，重組或改變其分子結構，這會使植物來源的碳發生沉積。在這個過程中，是將難分解的有機碳轉化為微生物容易利用的碳，最終導致土壤總微生物生物量碳升高。二是利用微生物的生理過程，對胞外酶轉化后的有機物進行進一步加工，殘留的物質貢獻于土壤中，使微生物來源碳發生沉積，因此進一步分解后的物質屬于微生物合成代謝的產物。這兩種轉化是生態系統所特有的，在有利于生態系統持續發展的同時帶動了營養元素的循環和能量流動，使微生物能夠更好地參與土壤碳循環。在全球范圍內，土壤有機碳對氣候的變化十分敏感，主要表現在溫度升高、微生物活性增加且代謝明顯增強，土壤活性有機碳含量呈現回升趨勢[10]。反之溫度降低，土壤活性有機碳含量明顯下降，但在溫度過高或過低的地區，有機碳對溫度變化表現得并不明顯。

2.2 ? 人為因素

2.2.1 ? 土地利用方式

土壤質地、微生物生活環境都會受不同土地利用方式的影響，從而使有機碳的穩定性發生變化、數量縮減。自然植被中，草地開墾為耕地后SOC下降30%～50%，溫帶地區的草地損失20%～40%的有機碳[11]。除草地轉變為耕地會使有機碳含量下降外，過度放牧也是導致草地初級生產固定碳素能力降低的原因，這導致了土壤養分轉化能力的明顯下降，植被和土壤雙重退化[12]。林地轉向耕地、泥炭與濕地轉向耕地均會使SOC的凈固存率下降，其中林地轉向耕地損失20%～50%的有機碳，而濕地恢復、耕地轉回林草卻能使 SOC 凈固存率增加。其中轉為灌木林地或天然草地，比轉化為人工林更有利于SOC 的固存。但在短時間內，農田向林地轉變也可能使 SOC 降低。

2.2.2 ? 農田管理措施

有研究表明，良好的農田管理措施可顯著提高農田土壤碳吸收速率，其固定的土壤有機碳所帶來的CO2減排占整個農業減排潛力的89%。農田土壤的固碳趨勢表現得越來越明顯，這可能由于農田管理與培育技術的進步和推廣、肥料施用量合理配比等因素影響下促進了作物高產，同時帶動了作物地下根系生物量及地上凋落物歸還土壤，農田土壤中溶解性腐殖質的不斷增加，農田土壤溶解性有機質大于森林土壤溶解性有機質，有機碳含量呈上升趨勢。如免耕能夠保護土壤結構，降低土壤團聚體內部有機碳的分解、改變土壤有機碳的分布和微生物的生存環境與活性，使呼吸作用減弱，從而減少對有機質的消耗。研究者在已免耕9年的農田中進行試驗，連續3年在播種前對表土（0～15 cm）進行翻耕，結果其土壤有機碳含量下降了5.6%。而重復進行免耕耕作，對表層碳的存量有了明顯改善[13，14]。這是由于免耕能顯著提高土壤微生物量活性及代謝程度，增加微生物種類，減少由于礦化引起的損失[15]。但隨著土層深度的增加，土壤有機碳含量呈現遞減的趨勢[16]。

3 ? 結論與討論

有機碳的影響因素包括微生物和氣候等自然因素、土地利用方式/農田管理措施等人為因素，近些年對表層土壤有機碳穩定性的研究取得了一些成果，而對于深層有機碳碳源的供應需多加探討。微生物作為有機碳的驅動因素，在其生境發生改變的同時，微生物群落的結構、組成如何變化的研究也較少。此外，土壤有機碳占全球的比重巨大，并處于不斷變化之中，但對土壤有機碳庫的估算還存在很大不確定性。今后的研究重點應放在如何通過土壤的無機環境來協調好有機碳長期穩定與生物之間的關系，加強土壤有機碳的固碳能力，響應全球號召。

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（收稿日期：2019-03-26）