大氣二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)升高對土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響

韓米雪，郁紅艷，劉潘洋，饒德安，滕 躍，鄒路易

（江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

自工業(yè)革命以來，人類大量使用化石燃料及改變土地利用方式等過程驅(qū)動大氣二氧化碳(CO2)不斷升高，導(dǎo)致大氣 CO2由 280 μmol·mol?1上升至目前 410 μmol·mol?1，漲幅約 46%。按照這一漲幅，預(yù)計21世紀(jì)末大氣CO2將超過700 μmol·mol?1[1]。大氣CO2等氣體的持續(xù)升高將會對各個生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，尤其是全球碳的轉(zhuǎn)化與平衡。陸地土壤碳庫是地球表面最大的碳儲存場所，比植被和大氣碳庫的總和還要多，其有機(jī)碳的儲存量約 1 200～1 600 Pg，全球 0～30 cm 土層的有機(jī)碳為 684～724 Pg，0～1 m 土層碳為1 462～1 548 Pg[2]。土壤有機(jī)碳(SOC)能夠提供植物生長需要的營養(yǎng)元素，有效改善土壤的質(zhì)量和提高土壤的蓄水保肥能力，因此，SOC是土壤質(zhì)量和農(nóng)藝可持續(xù)性的重要指標(biāo)。根據(jù)土壤有機(jī)碳庫的周轉(zhuǎn)速度及對外界因素的敏感程度，可將其分為惰性有機(jī)碳庫和活性有機(jī)碳庫，其中活性有機(jī)碳庫包括可溶性碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、輕組有機(jī)碳(LFOC)和可礦化碳(MC)等[3]。評價SOC的指標(biāo)包括碳含量、化學(xué)結(jié)構(gòu)組成、分解速率、SOC穩(wěn)定性等[4]，其中碳含量、化學(xué)組成結(jié)構(gòu)等目前已有精準(zhǔn)的檢測方法，分解速率的測定由于高空間異質(zhì)性、高背景水平、土壤采樣策略、采樣后處理和較短的實驗時間等原因，并不十分準(zhǔn)確。SOC穩(wěn)定性取決于SOC不同組分的構(gòu)成及其與環(huán)境的相互作用，不同土壤中的SOC組分和來源不盡相同且變數(shù)很大。目前，有關(guān)SOC穩(wěn)定性的研究逐漸增多，但大氣CO2升高對SOC穩(wěn)定性的影響及其機(jī)制研究相對較少。土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性指SOC的可礦化性[5]，是SOC結(jié)構(gòu)和特定環(huán)境的綜合反應(yīng)，是在當(dāng)前條件下抵抗干擾和恢復(fù)原有水平的能力。它是由土壤的理化生物性質(zhì)所決定的，是自然和人為因素共同作用的結(jié)果[6]。大氣中CO2與SOC間的轉(zhuǎn)化與平衡是相互影響的，CO2是植物光合作用的原料，大氣CO2升高，植物的光合作用會相應(yīng)地增強(qiáng)，改變植物的生長發(fā)育過程，植物地上地下部分的生物量增加，從而提高了土壤中光合有機(jī)碳的輸入，使土壤成為潛在的碳匯[7]。此外，植物地下部分增加分泌的生物量也會為微生物的生長提供能量，使微生物的活動更加活躍，呼吸作用增強(qiáng)，可能會導(dǎo)致SOC含量有所下降[8]。大氣CO2升高改變SOC含量的同時，還可能改變SOC的可礦化性，從而間接影響植物的生長。然而，目前的相關(guān)研究主要關(guān)注大氣CO2升高對SOC儲量、化學(xué)結(jié)構(gòu)組成、分解速率等的影響，較少涉及其對穩(wěn)定性的影響研究。因此，本研究基于現(xiàn)有的研究成果，利用多種有機(jī)碳穩(wěn)定性指標(biāo)來討論大氣CO2升高以及CO2和外源氮交互作用對SOC穩(wěn)定性的影響，探討大氣CO2升高對SOC穩(wěn)定性影響的主要機(jī)制及時間尺度效應(yīng)，以期對相關(guān)領(lǐng)域的研究起到一定的推動作用。

1 從穩(wěn)定性指標(biāo)角度評估大氣CO2升高對SOC的影響

1.1 生物指標(biāo)

生物指標(biāo)主要包括SOC礦化率、微生物熵、微生物代謝熵等，其數(shù)值越低，表明SOC穩(wěn)定性越高[5]。土壤有機(jī)碳礦化是SOC在微生物作用下被分解為簡單無機(jī)化合物并釋放CO2的過程，SOC礦化率是指單位有機(jī)碳下SOC累積礦化量的大小，可以反映SOC礦化潛力及其穩(wěn)定性[9]。MARHAN等[10]通過礦化實驗發(fā)現(xiàn)：大氣CO2持續(xù)升高3 a(580 μmol·mol?1)顯著提高了SOC礦化率，然而當(dāng)土壤中存在小麥Triticum aestivum殘渣時，殘渣的分解影響到了SOC的礦化效果，使SOC礦化率降低了18.6%。劉娟等[11]通過SOC礦化培育實驗發(fā)現(xiàn)：FACE處理(大氣CO2升高200 μmol·mol?1)后的SOC礦化率為65.83 mg·kg?1·d?1，顯著提高了 35%。陳棟等[12]在劉娟等[11]研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)以 FACE 平臺長期定位試驗水稻Oryza sativa土為研究對象。通過60 d土壤有機(jī)碳礦化培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)：14 a內(nèi)高CO2處理下的SOC含量增加了14.6%～18.6%，SOC的礦化速率提高了33.1%～34.0%，SOC穩(wěn)定性顯著下降。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，TANEVA 等[13]以 8 a內(nèi)大氣 CO2持續(xù)升高 200 μmol·mol?1的土壤為研究對象發(fā)現(xiàn)：土壤的呼吸速率顯著高于對照組，其中表層(0～5 cm)土壤的有機(jī)碳礦化速率顯著提高了31.7%～46.8%，深層(5～15 cm)土壤提高了7.0%～12.2%，SOC穩(wěn)定性大大減弱。

微生物熵是指單位有機(jī)碳下微生物量碳(MBC)的大小，微生物代謝熵是指單位MBC下土壤呼吸強(qiáng)度，表征了微生物呼吸消耗碳的比例大小[14]。微生物熵和微生物代謝熵均反映了微生物對有機(jī)碳的利用效率，其數(shù)值升高，則 SOC穩(wěn)定性降低[15]。龍鳳玲等[16]發(fā)現(xiàn)：大氣 CO2升高 [(700±20) μmol·mol?1]2 a后，森林土壤總有機(jī)碳含量顯著提高，土壤微生物熵大幅增加了51.05%～244.05%，表明SOC穩(wěn)定性顯著下降。趙光影等[17]發(fā)現(xiàn)：大氣 CO2升高 (700 μmol·mol?1)2 a后，濕地土壤微生物熵增加了2%～5%，土壤微生物活性略微增加，SOC穩(wěn)定性減弱不顯著。有研究表示：微生物對大氣CO2升高的反應(yīng)可能取決于土壤質(zhì)地[18]。BUTTERLY等[19]首次研究了大氣CO2升高對3種不同土壤類型中MBC的影響，發(fā)現(xiàn)MBC受土壤特異類型和深度的影響較大，在淺層(0～5 cm)土壤中，石灰質(zhì)土壤的微生物熵提高了10.91%，色溶膠土壤和改性土壤分別降低了40.00%和52.03%；在深層(5～15 cm)土壤中，石灰質(zhì)土壤和色溶膠土壤的微生物熵分別提高了282.2%和18.7%，改性土壤中降低了41.0%。CO2升高導(dǎo)致石灰質(zhì)土壤中的SOC穩(wěn)定性顯著下降，微生物在色溶膠土壤和改性土壤中并不活躍。XU等[20]也研究了大氣CO2升高對不同土壤質(zhì)地的SOC穩(wěn)定性的影響，結(jié)果與BUTTERLY等[19]的研究類似，SOC穩(wěn)定性的降低僅僅存在于石灰質(zhì)土壤中，其穩(wěn)定性從小到大依次為改性土壤、色溶膠土壤、石灰質(zhì)土壤。

1.2 化學(xué)指標(biāo)

化學(xué)指標(biāo)包括土壤活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比、碳氮比、烷基化程度、芳香度等，其中土壤活性有機(jī)碳包括溶解性有機(jī)碳(DOC)、易氧化有機(jī)碳(ROC)、大團(tuán)聚體結(jié)合碳和顆粒有機(jī)碳(POC)等。土壤活性有機(jī)碳/總有機(jī)碳比值越大，即SOC的活性越大，微生物越容易分解，SOC穩(wěn)定性也越低[5]。大部分研究表明：自然生態(tài)系統(tǒng)中隨著大氣CO2長期升高，SOC活性組分比率增加，SOC轉(zhuǎn)化速度加快，有機(jī)碳活性增大，因此有機(jī)碳穩(wěn)定性相應(yīng)下降[21?24]。趙光影等[17]發(fā)現(xiàn)：大氣 CO2持續(xù)升高 (350 μmol·mol?1)2 a后，濕地生態(tài)系統(tǒng)中植株根系分泌物增多，土壤微生物活躍，因此易分解有機(jī)碳的含量顯著增加，其中DOC和ROC分別增加了8.30%和4.50%，DOC/SOC和ROC/SOC分別增加0.03%～5.70%和0.20%～1.40%，其SOC穩(wěn)定性輕微減弱。PROCTER等[18]模擬3種草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)：大氣CO2持續(xù)升高4個生長期，SOC含量幾乎都沒有變化，卻加快了其更新循環(huán)過程，其中黑色黏土POC含量大幅增加(上升約4倍)，沙質(zhì)土中POC增加50%，不穩(wěn)定碳比例增加，SOC穩(wěn)定性相應(yīng)下降；在粉質(zhì)黏土中，最古老和最頑固的礦物結(jié)合碳含量在土層垂直梯度下降了23%。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究也發(fā)現(xiàn)：中短期大氣CO2升高(＜10 a)提高了表層土壤(0～5 cm)中DOC、ROC、POC、大團(tuán)聚體結(jié)合碳等易分解有機(jī)碳的比率，有機(jī)碳活性增大容易被土壤中的微生物分解，有機(jī)碳的穩(wěn)定性有所下降[12, 25]。關(guān)松等[26]發(fā)現(xiàn)：大氣 CO2持續(xù)升高 1 a(570 μmol·mol?1)，水稻土壤表層 (0～15 cm)及深層 (15～30 cm)有機(jī)碳含量均增加 9.90%左右，表層土壤中DOC增加了42.90%，DOC/SOC增加30.40%，即表層SOC穩(wěn)定性顯著下降，而深層SOC穩(wěn)定性幾乎沒有變化。種植不同品種農(nóng)作物的土壤對大氣CO2升高的響應(yīng)可能存在區(qū)別。HU等[27]利用運(yùn)行10 a的FACE平臺檢測了2個水稻品種土壤對CO2升高的響應(yīng)，結(jié)果表明：高響應(yīng)水稻品種分泌的根系生物量更大，土壤中的DOC增多，其DOC/SOC增加10.00%～67.00%，SOC穩(wěn)定性下降。也有部分研究表明：短期內(nèi)大氣CO2升高對SOC活性組分無顯著影響，如陳婧等[28]研究發(fā)現(xiàn)：在干旱農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，1 a內(nèi)大氣 CO2持續(xù)升高 (275.0±6.6) μmol·mol?1后，正常和升高溫度下土壤中的 SOC和DOC含量均無顯著差異。

土壤烷基化程度(即烷基碳/烷氧碳)和芳香度[即芳香碳/(烷基碳+烷氧碳+芳香碳)]可以反映SOC的降解和穩(wěn)定程度[29?30]。烷基碳和芳香碳化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是SOC中比較穩(wěn)定的部分，比例越高則SOC穩(wěn)定性越好。目前，關(guān)于大氣CO2升高方面的研究較少。陳棟[31]利用FACE平臺研究了中長期(14 a)尺度下的農(nóng)田土壤烷基化程度和芳香度的變化，發(fā)現(xiàn)大氣CO2升高對各年代土壤均無顯著影響，從時間尺度整體來看，不考慮CO2處理的影響，2004?2015年SOC芳香度顯著降低了19.05%～22.73%，烷基化程度無顯著差異。總的來說，SOC中穩(wěn)定性組分減少，降低了SOC穩(wěn)定性。

1.3 其他指標(biāo)

同位素標(biāo)記法被用來定量SOC的轉(zhuǎn)化率，可以直接反映SOC穩(wěn)定性。基于15N在有機(jī)質(zhì)分解、碳氮比逐漸降低過程中的分餾作用，和有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)物與礦質(zhì)顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定的SOC穩(wěn)定機(jī)制。CONEN等[32]建立了自然生態(tài)系統(tǒng)中適用的SOC穩(wěn)定性定量評價方法，該方法靈敏可靠，所測定結(jié)果被稱為SOC的相對穩(wěn)定性。CLERCQ等[33]證實該方法同樣適用于農(nóng)田SOC穩(wěn)定性的定量評價。陳棟[31]基于新型有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化概念模型[顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)轉(zhuǎn)化成礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)(mOM)]計算SOC相對穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中長期大氣CO2升高條件下，SOC相對穩(wěn)定性顯著降低了34.74%～67.11%，而在短期尺度下，SOC穩(wěn)定性卻有所增加(2.43～3.74倍)。

熱指標(biāo)主要包括SOC熱重比，即單位有機(jī)碳下SOC礦化前后熱重量差值的大小，是1種新興土壤有機(jī)物穩(wěn)定性評估指標(biāo)，目前還未在大氣CO2升高領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[5]。顯然，大部分中長期模擬試驗表明：大氣CO2升高提高了農(nóng)田、自然濕地和森林等生態(tài)系統(tǒng)SOC穩(wěn)定性間接指標(biāo)(SOC礦化率、微生物熵、DOC/SOC、POC/SOC等)[21, 34?35]，降低了SOC穩(wěn)定性，即不管SOC含量升高與否，中短期尺度下大氣CO2升高會降低穩(wěn)定老碳的比率，導(dǎo)致不同程度的激發(fā)效應(yīng)，降低了SOC穩(wěn)定性。長期CO2濃度升高降低了SOC的可分解性，可能使活性碳提高引起的激發(fā)效應(yīng)削弱，即長期CO2升高降低SOC穩(wěn)定性的趨勢將逐漸減緩[4]。

2 大氣CO2升高與外源氮對SOC穩(wěn)定性的交互作用

大氣CO2的持續(xù)升高間接影響植物-土壤-微生物系統(tǒng)的氮循環(huán)過程，改變土壤氮的供應(yīng)能力，可能造成土壤氮限制[36]。長期CO2升高通過作用于硝化和反硝化過程，可能會促進(jìn)、降低或不改變土壤氮凈轉(zhuǎn)化速率[37?39]。同時，氮源的增加也會引起生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，加快土壤酸化等問題，影響SOC穩(wěn)定性[40]。目前，有關(guān)大氣CO2升高與外源氮對SOC穩(wěn)定性影響的文獻(xiàn)主要涉及2個方面：①施加氮肥，主要研究農(nóng)田和草原生態(tài)系統(tǒng)；②大氣中的氮沉降，主要研究森林生態(tài)系統(tǒng)。

2.1 氮肥

氮轉(zhuǎn)化改變的方向和程度主要取決于土壤中氮的水平和類型。在氮限制土壤中，長期CO2升高降低了土壤中的有效態(tài)氮，即提高土壤有機(jī)質(zhì)的碳氮比，氮的相對缺乏導(dǎo)致激發(fā)效應(yīng)加劇，加速土壤中穩(wěn)定碳的分解，從而將有機(jī)氮轉(zhuǎn)化釋放供植物吸收利用[20, 41]，也就是說，在氮限制的條件下，長期CO2升高將會導(dǎo)致SOC穩(wěn)定性的降低。因此，通過添加氮肥來改善CO2升高引起的土壤有效氮限制，從而抑制土壤中穩(wěn)定碳的分解，減少總有機(jī)碳的損失，使SOC能夠保持其穩(wěn)定性[42]。然而，當(dāng)土壤中含有充足氮源的時候，施氮將會促進(jìn)作物、植物根系生物量和分泌物的增多，促使土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，進(jìn)而保護(hù)SOC組分不被分解，甚至有可能增強(qiáng)SOC穩(wěn)定性[25]。

PATERSON等[43]以自然生長的黑麥草Lolium perenne為研究對象，發(fā)現(xiàn)高濃度CO2和氮肥添加單獨(dú)處理時，SOC礦化速率均顯著增加，兩者共同處理時SOC礦化率更高，SOC穩(wěn)定性也隨之降低。大量研究表明：施肥和CO2升高會促進(jìn)植物的光合作用，提高植物產(chǎn)量和根系分泌物，導(dǎo)致土壤中不穩(wěn)定有機(jī)碳增多[44]。寇太記等[45]研究了大氣CO2升高和不同氮肥水平對水稻—小麥輪作制中SOC更新的影響，發(fā)現(xiàn)高CO2促進(jìn)了作物向土壤中輸送更多的碳，高CO2高氮處理比高CO2低氮處理的SOC更新率高2%左右，SOC含量增加。但是也有研究表明：施肥和CO2升高顯著降低了土壤中DOC等不穩(wěn)定有機(jī)碳成分，這是由于不穩(wěn)定碳是土壤微生物的主要能量來源，根系分泌物的增多使微生物活躍起來，土壤微生物尤其是根際微生物的大量活動會導(dǎo)致土壤不穩(wěn)定有機(jī)碳大量損失[46]。肖列等[47]發(fā)現(xiàn)：對于種植多年生C4草本植物白羊草Bothrioch loaischaemum的草地來說，CO2、施氮水平及兩者交互作用對根際和非根際土壤DOC含量和DOC/TOC均無顯著影響。近期農(nóng)田13C-CO2連續(xù)標(biāo)記實驗發(fā)現(xiàn)：大氣CO2升高條件下，促進(jìn)了光合同化碳向地下的輸入，促進(jìn)了SOC的更新與循環(huán)，然而氮肥的施用僅僅促進(jìn)了植物地上部分的生長，但并不能促進(jìn)13C在土壤中的積累，反而降低了光合13C在土壤中的分配比例[48]。

2.2 氮沉降

世界范圍內(nèi)的化石燃料燃燒、工業(yè)發(fā)展、含氮化肥使用等，導(dǎo)致全球的氮循環(huán)加速，生態(tài)系統(tǒng)中的氮沉降也顯著增加。在沒有氮肥輸入的自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)中，氮沉降加速殘落物和根的分解，減緩了大氣CO2升高引起的氮限制，從而抑制土壤中穩(wěn)定碳的分解，減少總有機(jī)碳的損失[49]。然而，當(dāng)系統(tǒng)中的氮超過植物及土壤微生物對氮的蓄積能力時，生態(tài)系統(tǒng)將出現(xiàn)氮飽和的情況，導(dǎo)致土壤硝酸鹽淋溶、土壤酸化等問題，進(jìn)一步影響到陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)過程[50]。

CHEN等[21]和ZHANG等[23]利用開頂箱(OTC)發(fā)現(xiàn)：CO2升高和氮沉降顯著提高了森林生態(tài)系統(tǒng)土壤中的ROC和POC，ROC/SOC顯著增加了7.8%～44.6%，POC/SOC增加了0.3%～12.6%，活性有機(jī)碳比例增多，SOC穩(wěn)定性下降。張繼舟等[51]在模擬氮沉降和大氣CO2增加對三江平原小葉章Deyenxia angustifolia群落土壤總有機(jī)碳的影響時發(fā)現(xiàn)：短期內(nèi)大氣CO2升高和氮沉降并不會影響到土壤總有機(jī)碳含量，且一定量的大氣CO2升高會增加土壤中氮素的含量，過量的大氣CO2反而減少土壤氮素。有研究認(rèn)為：植物根系生物量的增加會引起碳輸入的增多，但同時也會使土壤微生物的活動變得活躍，導(dǎo)致SOC加速分解，輸入與分解達(dá)到平衡時，SOC含量看似并未發(fā)生變化，若是土壤中穩(wěn)定碳被分解則其穩(wěn)定性減弱[52]。龍鳳玲等[16]在模擬大氣CO2上升和氮添加對南亞熱帶模擬森林生態(tài)系統(tǒng)的影響時發(fā)現(xiàn)：高CO2高氮處理下，微生物熵顯著增加了11.49%～29.97%，SOC穩(wěn)定性降低。SAIYA-CORK等[53]研究表明：氮沉降使凋落物和土壤酶活性大部分增加，加速了生態(tài)系統(tǒng)中凋落物的分解，卻抑制了土壤有機(jī)物的分解，因此可能使SOC含量增加，然而穩(wěn)定性降低。

大氣CO2升高和外源氮對生態(tài)系統(tǒng)的影響并不是單一孤立的，兩者共同影響著不同生態(tài)系統(tǒng)中SOC的穩(wěn)定性，其影響因素是多樣的，如土壤理化性質(zhì)、土壤微生物、凋落物成分、植物根系生長等[38, 54?56]。目前，碳氮交互作用對SOC穩(wěn)定性影響的研究有限，存在很大的不確定性，還需要今后不斷地深入研究。

3 大氣CO2升高對SOC穩(wěn)定性影響的主要機(jī)制及時間尺度效應(yīng)

3.1 主要機(jī)制

有機(jī)碳在土壤中是否穩(wěn)定主要取決于土壤環(huán)境因子(如土壤微生物、活性礦物表面、團(tuán)聚體、養(yǎng)分、濕度、溫度等)對有機(jī)碳的作用，是一個很復(fù)雜的過程，各種環(huán)境因子間相互影響[57]。大氣CO2升高時，對環(huán)境因子產(chǎn)生影響進(jìn)而改變了SOC的含量及穩(wěn)定性。目前，研究中的觀點(diǎn)有：①大氣CO2升高可以提高部分植物的光合速率和凈初級生產(chǎn)量，增加植物根系分泌物、根生物量和其他根際沉積物向土壤的碳輸入，這可能會直接刺激土壤中微生物的生長和活性，從而加強(qiáng)土壤的呼吸作用，增加了SOC的礦化速率[58?59]，甚至改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，最終可能促進(jìn)土壤中穩(wěn)定碳的分解，甚至產(chǎn)生顯著的激發(fā)效應(yīng)，改變SOC的含量和組成。②大氣CO2升高改變植物體內(nèi)有機(jī)物的化學(xué)成分[60]，例如植株氮含量降低、碳氮比升高等[25, 27]，從而改變輸入土壤有機(jī)物的化學(xué)組成，可能導(dǎo)致土壤微生物可利用能源減弱，降低微生物碳的利用效率，影響SOC的分解速率[61?62]，甚至增強(qiáng)激發(fā)效應(yīng)[63?65]。③大氣CO2升高促進(jìn)了全球的碳循環(huán)，增加了土壤的碳通量和碳氮比，進(jìn)而導(dǎo)致土壤微生物缺乏分解、合成等活動所需要的氮源，抑制了微生物的呼吸作用，土壤中的碳得到了積累。然而，當(dāng)土壤中出現(xiàn)極端氮限制時，也會引起土壤碳的激發(fā)效應(yīng)，促進(jìn)SOC分解[66]。④大氣CO2升高帶來的綜合影響可能會改變土壤的原有質(zhì)地，而部分研究認(rèn)為：土壤質(zhì)地對SOC的存儲起著重要作用[67]，進(jìn)而影響SOC穩(wěn)定性，例如土壤團(tuán)聚體越大，其內(nèi)部土壤有機(jī)質(zhì)越多，同時大顆粒團(tuán)聚體避免了有機(jī)質(zhì)的可接觸性，有利于SOC的保存[68]。此外，土壤垂直深度也會影響SOC的穩(wěn)定性，深層缺氧環(huán)境下的SOC轉(zhuǎn)化速率慢，相應(yīng)的也更穩(wěn)定[69]。

總體而言，大氣CO2升高對提高多種生態(tài)系統(tǒng)中SOC能力是有限的[70?71]，但是會逐漸改變SOC結(jié)構(gòu)組成，甚至改變分解有機(jī)碳的微生物群落結(jié)構(gòu)，從而影響SOC穩(wěn)定性[4, 72]。

3.2 時間尺度效應(yīng)

綜上所述，在中長期尺度下，大氣CO2升高能夠改變土壤中有機(jī)碳總量及其穩(wěn)定性。目前，已有的SOC穩(wěn)定性間接性指標(biāo)很多(生物指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)等)，總結(jié)歸納出不同時間尺度下不同SOC穩(wěn)定性指標(biāo)的年變化率，將其作為SOC穩(wěn)定性變化程度。如圖1所示：以處理時間為自變量，SOC穩(wěn)定性變化程度為因變量，可觀察不同時間尺度對SOC穩(wěn)定性的影響程度。

土壤中活性有機(jī)碳組分增多，則SOC穩(wěn)定性下降。從圖1可以看出：在大部分情況下，大氣CO2升高導(dǎo)致了SOC穩(wěn)定性變差，然而，隨著處理時間的延長，SOC穩(wěn)定性的變化逐漸變小。由此可見，土壤本身是具有適應(yīng)能力的，適應(yīng)了CO2升高的條件，SOC穩(wěn)定性逐漸回歸。也有部分?jǐn)?shù)據(jù)表示：SOC穩(wěn)定性是增加的，或許與土壤本質(zhì)及種植的植物類型有關(guān)[62, 70]。據(jù)近年來的報告顯示：大氣CO2逐年上升且漲幅也在逐年增加[1]，因此，長期大氣CO2升高如何改變SOC穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步研究。

圖1 大氣 CO2升高對 SOC 穩(wěn)定性影響的時間尺度效應(yīng)Figure 1 Time scale effect of elevated atmospheric CO2 on SOC stability

4 總結(jié)展望

土壤有機(jī)碳庫是地球上最大且最具活動性的生態(tài)系統(tǒng)碳庫之一，其微小變化將直接影響到其他的生態(tài)系統(tǒng)碳庫。大氣CO2升高促進(jìn)了植物的光合作用，增加了植物向土壤中的光合碳輸送，然而這并不意味著SOC含量是增加的，光合碳的過多輸入也會刺激植物根部的生長，根部生物量的增加促進(jìn)了

微生物活性，進(jìn)而提高了SOC的周轉(zhuǎn)速率。大氣CO2升高還可能改變植物體內(nèi)有機(jī)物成分，改變土壤中碳氮交互作用，改變土壤質(zhì)地，同樣影響SOC的分解和轉(zhuǎn)化，最終改變SOC穩(wěn)定性。目前，有關(guān)大氣CO2升高對SOC穩(wěn)定性的研究大部分是基于自然生態(tài)系統(tǒng)的研究，CO2升高能帶來土壤有機(jī)碳庫的快速積累，但這種積累是短暫的，而且并不穩(wěn)定。從中長期尺度來看，CO2升高改變了SOC穩(wěn)定性，由于土壤的自我調(diào)節(jié)適應(yīng)性，SOC穩(wěn)定性降低的速率逐漸減緩。當(dāng)大氣CO2升高與氮耦合時，SOC穩(wěn)定性下降，而氮素充足時則對SOC影響不顯著。

SOC穩(wěn)定性的改變通過影響土壤物質(zhì)循環(huán)間接反饋到植物的生理生長，然而目前這方面的研究很少，從而潛在低估了生態(tài)系統(tǒng)水平上大氣CO2升高帶來的影響[4]。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)提出“減氮增效”措施，但從穩(wěn)定性的角度來看，減氮可能會使未來高CO2條件下的SOC穩(wěn)定性降低加劇，意味著土壤的可持續(xù)能力可能受到挑戰(zhàn)。如何采取有效措施保持SOC的穩(wěn)定性，還需在今后的研究中去探索。