砒砂巖與沙復配土體中碳庫組分的研究方向

郭 振

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；2.陜西省土地工程建設集團有限責任公司，陜西 西安 710075；3.國土資源部退化及未利用土地整治重點實驗室，陜西 西安710075；4.陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安710075)

1 引言

毛烏素沙地被稱為“沙漠之城”，位于鄂爾多斯高原東南部和陜西省榆林市長城一線以北，是我國沙漠化嚴重地區之一。在為毛烏素沙地尋找優質膠體資源的過程中，科學家們發現，在陜、晉、蒙地區，分布著被當地人稱為“砂巖”的松散巖層，給毛烏素沙地治理帶來了新的希望[1]。砒砂巖，具體指古生代二疊紀、中生代三疊紀、侏羅紀和白堊紀的厚層砂巖、砂頁巖和泥質砂巖組成的沉積巖石互層。它的主要礦物組成包括石英、鈣蒙脫石、長石和方解石，以及無機氧化物礦物。從物理組成上說，粘粒和細粉粒含量較高，而粘粒和細粉粒正是土壤中膠體物質的重要組成部分[2]。從化學成分上看，砒砂巖的化學成分主要為穩定的二氧化硅、氧化鋁和氧化鐵，它們的質量分數超過了89%。但此外，還含有不穩定的氧化鈉、氧化鉀和氧化鈣，這些成分雖含量低，但是他們異常活潑，極易破壞巖體結構，使巖體抗侵蝕的能力極大減弱[3]。砒砂巖作為一種利用率低的資源，因為其容易風化、結構強度比較低且成巖程度比較低，膠體含量的不足使其具有顆粒易分散的特點，雖然這么多的不利因素導致了其利用率低，但是持水能力強和保水能力好卻是其一大特色，若巖層的貯水量多，則能充分為植物的生長提供水分。風沙土則具有質地均一的顆粒組成性狀，其結構較砒砂巖而言比較疏松，且水分在土層空間內的分布也變得比較均勻，如此一旦風沙土中的水分供應不足，伴隨著較大的蒸發量，土體就會出現整體性的缺水。根據砒砂巖與沙兩者的自身特點，充分利用其互補的特性，將砒砂巖與風沙土按照一定的比例進行混合成土，既可以減少水分在沙地中的滲漏，又可削弱砒砂巖堅硬板結的現象，達到改良土壤物理特性，進而達到治理沙地的目的。

2 砒砂巖與沙復配土體研究的新方向

近年來，研究團隊以“改土”為主要方向，將砒砂巖和沙這兩種資源進行復配整治，成功開辟了沙地資源化利用的新前景，以高標準農田建設為目標，形成了一套毛烏素沙地高效節水灌溉與現代農業技術為一體的新模式，為土地綜合整治領域做出了重要貢獻。盡管砒砂巖與沙復配成土技術研究取得了很多研究成果，但研究主要局限于物化機理方面[4]，目前砒砂巖與沙復配土仍處于培肥固碳階段，通過碳庫活性組分的礦化來研究其復配土的穩定性和碳固存機制還尚未開展。在成土過程當中，土壤伊始并非就具有肥力特性，也并不是可以直接供綠色植物的生長，而是和其他生物的發育過程一樣，也有一系列從發育到成熟的過程，其中土壤所含有機質含量的多少(有機碳含量)是權衡土壤肥力水平的一個重要指標，它和礦物質緊密地結合在一起[5]。在有機碳的積累過程中，微生物通過分解作物的根系殘渣、凋落物和施入土壤中的有機無機物料，使其腐敗分解釋放出養分元素供植物吸收利用，并且形成腐殖物質，其量越大，則生物體內的含碳量越多，土壤也越肥沃[6]。目前在全球變暖的環境下，對砒砂巖與沙復配土體中的碳庫分布與轉化、碳庫固持與損失以及碳庫管理指數等內容進行重點分析，對于明確碳庫組分影響因素和碳庫礦化的生態學效應有重要意義，為合理使用有限的土壤資源和有效緩解土壤溫室氣體的排放提供理論依據，以期為復配土質量提升和土地合理規劃提供現實依據。

3 碳庫礦化

土壤有機碳礦化作為土壤中微生物主導的一個生物化學過程，與養分元素的釋放與維持、土壤質量的可持續利用與發展以及全球氣溫升高的變化趨勢密切相關[7]，土壤有機碳經微生物分解釋放出CO2是溫室氣體的一個重要來源，因為陸地生態系統碳庫約為植物碳庫的2～3倍，另一方面，土壤有機碳的固定則對溫室氣體起到了碳匯的功效，所以，全方位的了解土壤有機碳礦化的動態變化規律和主導環境因子則對土壤養分的科學管理和減緩氣候變暖具有重要意義。針對砒砂巖與沙不同復配比土體中的碳庫組分穩定性及礦化機制方面的研究尚輕，尤其在用活性有機碳的動態變化來評價土壤碳庫活度方面屬于空白，而碳庫活度又能反映碳庫管理指數的高低，因此借用碳庫管理指數可以表征不同復配土的肥力特征。有研究表明，借鑒傳統方法，可以用SPMC(土壤潛在礦化碳)和SMBC(土壤微生物量碳)之和來表征碳庫活度中反映的土壤活性有機碳含量[8]，固然SPMC和SMBC兩種組分在土壤有機碳中所占比例很小，但是其在土壤中擁有極不穩定、轉移速度快、容易發生氧化和礦化等特點，因而有機碳可以敏感的對環境條件的改變做出響應，能夠作為在不同管理措施下反映土壤質量變化的重要指示性指標[9]。雖然SPMC和SMBC組分不同，但又密切相關，SPMC能夠廣泛地評價土壤微生物的活躍程度，SMBC能夠標志性的反映生物體內含碳量，因此，一直以來它已被用作土壤微生物的總活度指標或作為土壤肥力的衡量指標[10]，因此，針對砒砂巖與沙不同比例的復配土，分析碳庫總量及其組分的變化特征，探討土壤有機碳及其活性組分對砒砂巖與沙不同復配比的響應及其敏感性特征，為實現農業可持續發展和土壤碳庫固定提供依據。

農田中合理的耕作管理措施不僅可以增加土壤碳的庫存，減少CO2等溫室氣體的排放，而且還能夠改善土壤質量并且增加作物產量，此外由于陸地生態系統碳庫儲量較大，近年來對其碳循環過程的研究普遍得到重視。碳循環過程研究的主要指標有土壤總碳和有機碳、SPMC和SMBC等，其中對土壤碳儲量的測定是研究土壤質量好壞和生產力高低的緊要組成部分[11]。雖然有機碳含量在土壤中占有相當大比重，但隨著長期耕種管理措施和時間的推移，有機碳含量年際變化緩慢，單獨依靠有機碳指標往往不能夠快速地反映出土壤養分變化狀況。而SPMC和SMBC作為土壤有機碳中的生物活性組分，隨時間的變化會產生明顯的變異，對它們的測定可以充分地反映土壤質量和生產力的變化。SPMC又被稱作生物降解碳[12]，主要利用微生物活性來對有機物質進行分解，通過測定碳損失量并通過擬合來求得可礦化碳的含量，對SPMC的測定可以反映土壤有機碳的礦化速率和累積礦化率，并且也能夠對土壤養分的供應和土壤微生物的活性狀況進項判斷。SMBC則是指土壤中活的生物細胞包括細菌、真菌和土壤動物等體內所含的碳，其數目因土壤條件的變化而有所差異，反之土壤性質的變化及養分分解又會受土壤微生物的作用而有所區別，因此，通過對SMBC的動態進行定期監測，可以預測出土壤總有機碳的變化趨勢[13]。通過對SPMC和SMBC的測定可以評價耕作措施、管理體系和氮肥施用等所引起的土壤有機質變化。

4 結語

通過土壤碳庫指標和碳庫活度指標的結合來計算土壤碳庫管理指數，既能反映出土壤有機碳變化對外界監管環境的響應，也可以反映出土壤有機碳組分的變化情況。土壤碳庫管理指數上升表明土壤肥力上升，反之則表明土壤肥力下降[14]。目前，在土壤有機碳的累積固定和礦化方面，國內外已經開展了大批研究，這些成果為深入了解土壤有機碳庫的活動規律奠定了科學基礎。針對砒砂巖與沙復配土，基于微生物量碳和礦化的動態變化來研究不同比例復配土的潛在可礦化碳的分布特征，可以揭示砒砂巖與沙復配成土后，不同復配比土壤從碳源到碳匯的生態差異，初步從微生物尺度來反映不同時期土壤碳庫管理指數的變化，為提高復配土質量和增強農業固碳減排潛力提供理論依據。