植烟土壤有机碳库修复的研究进展

代晓燕，张 芊，刘国顺，王建安

（河南农业大学烟草学院，郑州 450002）

烟草是我国重要的经济作物，烟叶品质与生态、品种、栽培等条件密切相关，其中土壤肥力条件是直接影响到烟叶产量和质量的重要生态因子。土壤有机质表征土壤肥力的变化，其含量高低影响到土壤的物理、化学以及生物学特性，是土壤质量优劣的重要反映指标[1]。土壤有机质中的碳即为有机碳（SOC），它的变化与烟叶产量和质量风格特色密切相关。对皖南4种主要植烟土壤类型的微生物量碳含量与烟叶风格特色关系研究表明，皖南焦甜香气风格表现较好的烤烟比较集中地产自微生物生物量碳在350～380 mg/kg的土壤中[2]。因此，研究土壤有机碳含量的变化对烟叶的生产具有重要的意义。

受气候条件、农业管理和土地利用不合理等因素的影响，土壤有机质和养分的贫瘠化现象相当普遍，而土壤有机碳的数量和质量在很大程度上与维持和提高土壤肥力密切相关。因此，土壤有机碳库水平已成为我国众多植烟区土壤生产力的限制性因子。本文综述了植烟土壤碳库组成、储量以及固定与平衡，分析了造成植烟土壤有机碳损失的主要因素，并指出了植烟土壤有机碳库修复与改良的措施，以期为优化管理我国植烟区土壤有机碳库、提高土壤生产力和保持烟叶生产的可持续发展提供科学依据。

1 植烟土壤碳库的组成

作为陆地生态系统中储量最大的碳库，土壤碳库总量约为大气碳库的 3.3倍[3]，主要是由有机碳库和无机碳库两部分组成。其中土壤有机碳以固体形态、生物形态和溶解态存在于土壤中，包括动植物残体、腐殖质、微生物及各级代谢产物等含碳化合物，无机碳库则包括土壤溶液中HCO3-、土壤空气中CO2及土壤中淀积的CaCO3，后者多以结核状、菌丝状存在于土壤剖面。据研究，全球 0～100 cm深度土壤碳库储量约为2400 Pg，其中土壤有机碳库储量约为1500 Pg，无机碳库储量约为835 Pg[4]。因此，土壤有机碳库在土壤总碳库中占有重要的地位，也是陆地生态系统最活跃的碳库。

1.1 土壤有机碳的组成

按有机碳在土壤结构中的分布和功能划分，可将土壤有机碳分为游离态和闭蓄态颗粒有机碳、矿物结合态有机碳及可溶性有机碳。通常情况下，将土壤有机碳库根据其具有的物理、化学及生物学特性进行划分，又分为轻组有机碳、重组有机碳、可溶性有机碳、微生物量碳及颗粒状有机碳。其中各有机碳组分在土壤总有机碳中所占比例明显不同，如可溶性有机碳只占0.2%～2.5%，微生物生物量碳约占2%～5%，而轻组有机碳占5%～35%，微粒态有机碳则可占到15%～45%[5]。因分解转化速率快，而且对外界环境条件和土地利用管理措施等反应较为敏感，又把可溶性有机碳、微生物量碳和轻组有机碳组分作为有机碳库的活性组分[6]。通常自然土壤有机碳库的背景值较高，难以观测出短期内的轻微变化，活性有机碳组分含量的变化常常被用来指示有机碳库的变化[7-9]。

植烟土壤有机碳库的组成与农田土壤有机碳库的组成相似[10]，但有其自身特点，特别是烟草长期连作后根系分泌物质对土壤有机碳库的循环有重要的影响作用。研究表明，烟田长期连作后根系分泌物质增加，如有机酸类的苯甲酸、酚酸、对羟基苯甲酸等，它们多属化感自毒物质，这些化感物质除对烤烟幼苗有较强的抑制作用外，在植烟根际土壤中大量存在还会增加斯氏小小梨形菌、普氏立克次氏体、多形链球菌等病原菌的数量，而减少与碳元素循环相关的 Braphyrobacter tepidarius、Blastomonas natatoria等细菌的数量，从而影响植烟土壤的有机碳含量[11-12]。

1.2 土壤有机碳的储量

土壤有机碳的储量与外来有机物料的输入量、当季作物残茬量和土壤有机碳分解速度密切相关。国外对土壤有机碳储量的估算较早，因土壤有机碳主要分布在土壤上层1 m深度以内，其估算结果大都是根据1 m深度以内有机碳含量得出的[13]。最早是根据美国的9个土壤剖面的碳含量，推算出全球土壤有机碳库的储量约为710 Gt[3]（其中1 Gt =109 t = 1015 g = 1 Pg）。随着统计方法和3S技术在土壤有机碳库储量估算中的逐渐应用，1982年重新估计全球SOC库储量为2200 Gt和1500 Gt（土层深度为1 m），按经纬度划分世界土壤图后，通过基本的网格单元计算出来的全球1 m深土层的有机碳储量约为1462～1548 Gt[14-15]。目前，普遍认可和引用的全球土壤有机碳储量为1400～1500 Gt。

因研究手段的差异性，对我国土壤有机碳储量的估算结果并不相同。其中潘根兴[17]根据第二次土壤普查数据及中国土种资料估算认为：我国土壤总有机碳库是加拿大土壤碳库的27%，相当于全球碳库的1/40～1/30，约为50 Pg。而第236次香山会议专家把我国土壤总有机碳储量默认为90 Pg[18]。我国土壤有机碳库存在地区分布差异性，其中高值地区主要分布在我国东北和西北，土壤总面积约占全国面积的41%，土壤有机碳总量约占全国土壤有机碳总量的61%，低值地区主要分布在华东地区，总量仅为2.8 Pg[4]。西南地区因特殊地形地貌情况有机碳含量较低，其单位土壤面积有机碳库含量约占总量的15%[4]。因此，我国国土面积中有50%以上是处于土壤有机碳密度缺乏状态，其中包括很多植烟地区，也是低土壤有机碳密度国家[19]。从耕地土壤有机碳储量上看，我国耕地土壤有机碳含量水平也普遍较低，其平均值约比欧洲等国低30%以上。

1.3 土壤有机碳的平衡

外界有机物料不断进入土壤，同时土壤微生物也在分解植物残体，此过程是一个连续的动态平衡过程，其平衡结果直接决定着土壤有机碳的储量。在自然植被覆盖条件下，土壤可以积累大量有机碳，土壤碳固定量不断增加，是一个富集过程；然而，在耕作等人为干扰条件下，土壤固碳能力下降甚至消失，原有有机碳被分解，并向大气中排放CO2，动态平衡被打破，导致土壤有机碳含量下降。

有机碳的固定是土壤碳循环的关键部分，也是土壤碳库的决定因素。土壤可通过物理、化学及生物学机制固定有机碳[20]。首先，土壤的矿质结构可以固持大量有机碳，如通过胶结剂吸附有机碳颗粒，或通过有机无机复合体形成团聚体，属于有机碳固定的物理保护性机制[21-23]；其次，土壤胶体及表面电荷可以吸附含碳颗粒，形成有机-无机复合体等，属于化学固定机制[21]；再次，土壤中存在各种微生物，微生物可以促进土壤有机碳的循环利用，积累有机碳，同时自身死亡后也可以形成难降解的木质素、几丁质等难降解产物，属于土壤有机碳固定的生物学机制。

土壤有机碳也可通过迁移、流失、分解矿化损失掉[24]，其造成不同土壤有机碳损失途径的因素有很多，主要有气候因素、耕作制度、土地利用方式改变等。对于农田土壤，如农作物收获移出、降雨淋失等均会造成土壤有机碳密度的降低。因此，土壤有机碳的固定和分解是处在不断的转化平衡中。

2 植烟土壤有机碳库损失的主要影响因素

2.1 气候因素

气候因素是影响土壤有机碳积累转化的重要生态因子，其微小变化直接影响着有机碳的输入量和输出量。气候变化可通过影响植物的呼吸速率影响土壤有机碳库的输入，也可通过影响土壤有机质的分解速率进而影响土壤有机碳含量，其中温度和水分又是气候因素调控中重要的因子。

温度影响着土壤微生物的活性，土壤微生物活性变化控制着土壤有机质的分解速率，温度高，微生物种群数量大，土壤有机碳分解速度快。研究表明，平均温度在5 ℃时，温度每升高1 ℃，会导致全球10%的土壤有机质分解损失，每升高10 ℃，会导致土壤有机质的分解损失速度加快2倍[25]。据专家预测，到 2050年，我国亚热带和黄土高原地区因温度升高造成的农田土壤有机碳积累损失量将会达到3.6%～10.9%[26]。

水分也是影响土壤有机碳积累转化的一个重要气候因子。干旱胁迫会改变土壤微生物的群落结构和区系组成，进而改变土壤有机质的积累转化速率。适宜的降雨可促进作物生物量的增加，有利于土壤有机碳的累积，但也会改变土壤微生物的活性，引起土壤呼吸速率增强，造成土壤有机碳的损失[27]。如植烟土壤有机碳密度与土壤持水量呈显著正相关[28]，土壤微生物量碳含量也表现在烟草移栽后快速增加，至现蕾期最高，之后下降，成熟期最低[29]。此外，干湿交替条件下，随着土壤团聚体的土崩瓦解，团粒内受保护的有机碳易矿化，从而引起激发损失。

2.2 土壤因素及植被条件

土壤环境因素也可影响有机碳稳定性，如土壤粘粒含量、pH、土壤三相比、土壤温度、水分含量等。例如，土壤中的有机碳量随粉粒和粘粒含量的增加而增加[30]。研究表明，植烟土壤有机碳密度与土壤粘粒含量呈极显著正相关关系[28]。土壤呼吸会消耗土壤中的有机碳储量，加速土壤有机碳的周转速率，是土壤有机碳损失的主要表现形式。土壤环境因子可通过影响土壤微生物的活性和土壤根系的呼吸代谢进而调控土壤呼吸速率。土壤微生物活性增强，土壤有机质分解快，CO2释放量增大，土壤中有机碳损失加剧。不同植被覆盖情况下，因作物光合作用的产物分配模式不同也会造成土壤有机碳含量的差异。

2.3 农田管理措施

在农田生态系统中，土壤耕作、施肥等农业措施因改变了土壤环境条件，直接影响到土壤有机碳的固定和转化，尤其象耕作和施肥等是造成植烟土壤有机碳库损失的主要影响因素。

2.3.1 耕作 长期耕作情况下土壤的有机碳含量降低，原因主要是一耕作破坏了土壤中的大团聚体结构，使土壤结构稳定性变差，导致土壤易遭受水风等的侵蚀从而引起土壤有机碳的损失；二是耕作可改善土壤的通气性状，使土壤的微生物活性增强，有机质分解速率增强，导致土壤有机碳降解加速。长期定位观测试验研究表明，长期耕作可使土壤表层有机碳储量减少 40%～60%，而免耕则使旱地土壤每年固定碳量增加233 kg/hm2，少耕可使每年固碳量增加25 kg/hm2[31-32]。

长期连作也可显著影响到土壤有机碳含量。如何川等[33]研究表明，随着烤烟连作年限的延长，土壤有机碳含量总体趋势表现为先升高后降低，在连作2～3年时，土壤有机碳高于连作1年，但在连作3年以上时，有机碳含量则表现下降趋势，且明显低于连作1年，说明长期连作可造成植烟土壤有机碳的损失。连作7年可显著降低植烟土壤微生物量碳含量[34-35]，进一步分析研究表明，不同的种植模式影响到植烟土壤酶类活性和微生物群落结构[36]，进而影响到有机碳的分解转化。

水旱轮作也是导致我国植烟地区土壤有机碳累积量降低的一个重要因素，特别是南方烟区。土壤在淹水状态下，有机碳分解较慢，而旱作时土壤频繁地发生干湿交替作用，良好的通气条件促进了有机碳的矿化，导致土壤有机碳的损失。

休闲和撩荒也是改变土壤有机碳固定和分解的一种重要方式。但夏季土地休闲，高温天气反而导致土壤微生物的活性增强，造成有机碳含量的降解加速。同样，撂荒前遭受严重破坏的开垦地土壤有机碳的恢复能力也是非常有限的。有研究结果显示[37]，轮作后撩荒 45年的土壤，碳储量的恢复需要230年才能达到开垦前状态的95%水平。

此外，其他的烟田耕作措施也会影响到植烟土壤有机碳的积累，如烟田起垄。起垄是优质烟叶生产的重要栽培措施，可起到提高地温、防涝防旱、减少烟田病害、便于覆盖地膜、利用控制密度等作用，但暴露在空气中的垄体由于所感受温度差异以及水风侵蚀，从而影响到土壤有机碳的矿化。

深翻耕也可改变植烟土壤微生物数量和微生物量碳含量[34]。

2.3.2 施肥 施肥可改变土壤中的有机碳总量及有机碳的组分含量，但与肥料种类、用量、配比等密切相关。长期单施无机肥，会造成土壤的碳氮比值下降，而土壤微生物活性提高，导致土壤原有碳和新鲜的有机碳的分解矿化加快，土壤总有机碳量下降，而施用有机肥和配施无机肥可明显提高土壤总有机碳库和活性有机碳库的有效率[38-40]。长期过量施用磷钾肥也会导致植烟土壤有机碳的损失。如我国部分烟区常年根据土壤氮素条件配施磷钾肥，而烟草收获后降雨通常较少，导致大量磷钾元素在土壤中富集，微生物群落结构发生改变，而与碳循环相关的细菌群落减少，影响有机碳的积累。对植烟土壤施用有机肥料如饼肥、生物碳肥可显著改变土壤的有机碳含量[29,41]。对云南省几种主要植烟红壤的有机无机复合体颗粒大小进行分组研究表明，植烟红壤有机无机复合体颗粒大小呈现以粉粒级为主的特征，土壤有机碳主要结合在粉粒级复合体中，而不同的粒径复合体量的差异与耕作施肥相关，其中长期主施化肥和单施化肥的植烟红壤复合体解散度较高，有机碳的累积量少[42]。对不同肥料施用下土壤有机碳盈亏分布研究表明[43]，有机肥与化肥配施，土壤有机碳呈盈余平衡，仅施化肥时土壤有机碳亏缺主要来自稳结态和紧结态的腐殖质，不施肥时农田土壤有机碳亏缺主要来自松结态有机无机复合体及缩合程度较低的腐殖质，在一定数量的化肥下配施稻革或土粪，可促进土壤有机质的周转改善土壤供肥性能。

2.4 土地利用方式

土地利用方式的变化主要影响土壤有机碳的矿化率，而矿化率的改变又与土壤有机质的稳定性有关。研究表明，即土壤有机碳矿化速率与土壤有机质含量和土壤微生物碳含量呈正相关关系，且随有机质稳定性增加而减少[44]。这可能是土壤生物群落组成、植被凋落物性质及土壤温湿度等物理和化学性质发生改变造成的。

3 提高植烟土壤有机碳的主要措施

对整个地球生态系统而言，土壤有机碳库的变化对全球气候生态变化及土壤生产力的保持都有重要的调控作用。而从农业经营的角度来考虑，保持农业的可持续发展，提高农田土壤的碳截获潜力，增加土壤有机碳含量，也是提高土地生产力和减排温室气体缓解气候变暖的一项双赢措施。据国际植物保护公约（即IPPC）估计，合理的调控措施每年可增加碳0.4～0.9 Pg，50年世界碳库量可累积增加24～43 Pg，而已损失的60%～70%土壤有机碳均可通过合理的措施而得以恢复[45]。根据我国两次土壤普查结果，对中国部分省市地区农田土壤耕层20 cm有机碳含量变化数据进行分析表明[46]，中国农田土壤有机碳自60年代以来已有60%农田耕层土壤有机碳含量出现下降趋势，而在 1980—2000年期间，由于保护性耕作等措施的实现，农田耕层土壤有机碳含量逐渐增加。因此，我们可以通过合理的管理措施来提高我国土壤有机碳含量。

通过对不同农田管理方式下土壤有机碳汇估算，表明土壤有机碳可以再较短时间尺度上加以调节[47]。对于植烟土壤有机碳而言，通过合理的农田管理措施调节土壤碳库也是增加土壤有机碳库储量的重要措施，如生物黑炭技术、免耕、休耕等保护性耕作措施、重视有机肥的施用、秸秆还田、合理轮作和合理施肥等。

3.1 生物黑炭技术

随着国际上对将农田废弃物如秸秆等制成生物黑炭施用于土壤作为农业增汇减排的一种关键途径的呼声越来越高，生物黑炭技术在用于农业增产和提高碳汇上越来越受到重视。生物黑炭源于巴西亚马逊流域分布的一种深厚富碳的肥沃土壤，是古代人在热带酸性土上经过农业创造出的人为土壤。生物黑炭来源的土壤有机质碳含量可高达35%，更新周期至少为1000年，具有高度的稳定性，在很多现代土壤中均有发现，因此被科学的认为可以使用在提高土壤固有的有机碳储量上。现在所指的生物黑炭通常是指化石燃料或生物体不完全燃烧产生的一种非纯净碳的混合物，它含有60%以上的碳，生物黑炭因碳组分的高度芳香化而具有生物化学和热稳定性[48]。当前用于固碳减排的生物黑炭是指各种作物秸秆在无氧条件下高温热解后的固态产物的统称，主要为纤维素、羰基、酸及酸的衍生物、呋喃、吡喃以及脱水糖、苯酚、烷属烃及烯属烃类的衍生物等成分复杂有机碳的混合物。

研究表明，生物黑炭施用于土壤可快速提升土壤稳定性碳库。据专家估算[49-50]，如果把产量10.5 t/hm2的稻田所产秸秆就地转化为生物黑炭[以秸秆中w(C)=40%，C转化率按20%计]，则每年可增加土壤有机碳储量0.84 t/hm2，全国稻田（2900万hm2）可增加土壤20 tg以上碳汇量；如果将全国农田秸秆均通过生物黑炭技术还田，可增加土壤碳汇56tg。

烟叶采收后的烟秆、烟根等废弃物也可进行高温发酵制成生物炭材料，残余物也是一种很好的烟草有机肥料，且可改善烟叶品质[51-52]。

生物黑炭也可明显改善土壤质量、提升作物生产力，因此生物黑炭在改善土壤质量和作物增产上也发挥着重要重要作用。目前国外对于生物黑炭农业应用技术，主要是针对旱地作物的作物秸秆，但对生物黑炭在国内作物秸秆就地还田的养分配比、施用量等方面还需进一步的研究。

3.2 保护性耕作

保护性耕作措施，如免耕、休耕等是减少农业土壤碳损失的重要措施。国外如美国、巴西、澳大利亚等国家保护性耕作农田面积占总耕地面积的70%以上。免耕可减缓土壤有机物质的矿化率，增加土壤易氧化有机碳的含量，增强土壤颗粒的胶结作用，有利于土壤团聚体的形成。试验证明[53]，免耕可增加植物有机残体向土壤中的输入，使土壤生物量增加，生物体活动加剧，因而，土壤中大团聚体的周转速度降低，有利于有机碳的保护固定。免耕等保护性耕作所产生的有机碳总量和活性有机碳组分含量可比传统耕作高出33%～125%，对提高土壤有机碳含量作用明显[54]。此外，对植烟土壤进行翻耕和旋耕处理也可使有机碳含量增加[34]。

3.3 施用有机肥

施入有机肥也是植烟土壤有机碳输入的主要途径。研究表明[29]，施用芝麻饼肥可明显提高根际植烟土壤酶活性和土壤微生物量碳和氮含量，与单施化肥相比，芝麻饼肥和化肥配施可提高根际土壤微生物碳含量79.88%～97.14%。添加不同C/N有机物料可改变土壤的有机碳含量，同时可明显地影响烟叶的碳氮代谢平衡和协调烤烟叶的化学成分[41]。

草炭是一种具有众多优良特性的有机肥，也是改良土壤提高土壤有机碳的优良材料。国家烟草生理生化研究基地通过不同草炭用量对植烟土壤理化性状和烤烟品质影响研究表明[55-56]，土壤有机质和腐殖质随草炭用量的增多而增多，而且草炭用量和土壤有机质相关达到显著或极显著水平，而随着炭用量的增加，烤后烟叶物理、化学特性得到改善，中性致香物质组分显著增加，在一定程度上改善烟叶的品质。

3.4 秸秆还田

我国每年的秸秆产量达上亿吨，但大部分秸秆的利用率比较低，焚烧和废弃现象严重。除用现代的生物黑炭技术将秸秆还田转化土壤碳外，将秸秆直接还田或过腹还田也是增加土壤有机碳储量的重要方式。腐烂的秸秆融入土壤后，不仅可以促进土壤水稳定性团粒结构的形成，改善土壤的通透性等物理结构，也可减少因水土流失造成的土壤有机碳的损失，同时，又因秸秆本身含碳量高，还田后形成的有机碳储量也会增加。研究表明[57]，秸秆还田后表层土壤的轻组有机碳含量显著增加，如再结合持续免耕，则土壤的有机碳含量可增加14%～31%。Chen等[10]研究表明，植烟土壤中添加腐熟秸秆后土壤总有机碳和微生物量碳含量显著增加，特别是在烤烟移栽后75 d时土壤微生物量碳含量可增加81%～111%。在连作5年的烟田上进行玉米秸秆还田试验结果也表明[58]，秸秆还田不仅能提高土壤有机碳含量，而且能改善有机碳质量，但秸秆的施用量应考虑到有效氮的成分适量施用。

3.5 合理轮作

轮作是避免连作障碍的一项重要农业措施，它不仅能改变作物残茬种类，有效防治杂草和病虫害发生，同时与保护性耕作技术结合，还能改善土壤物理化学特性，减少土壤径流和风蚀，因此也是提高土壤肥力增加土壤碳库的重要措施。烟草本身又是一种忌连作作物，因此，除合理的水旱轮作外，可通过选种一些生物量高的绿肥作物或碳氮比高的农作物，如毛叶苕子、黑麦草、燕麦、油菜等与烟草进行轮作，增加有机植物残体向土壤中的输入量，有利于土壤有机碳的固定。通过3年田间定位试验，研究发现春烟种植前连年轮作翻压绿肥能够显著提高土壤微生物量碳和总有机碳含量，并且这种提高趋势随着翻压年限的增加而增加[59]。对云南红壤植烟区不同轮作模式下土壤有机碳和活性有机碳含量研究也表明[60]，绿-烟和豆-烟复种模式下，植烟生长期内根区微生物量活性有机碳含量及总有机碳含量均高于麦-烟、菜-烟复种及冬闲地，并且差异达显著或极显著水平，因此，可以将微生物量活性有机碳含量及总有机碳含量作为轮作模式影响烟地红壤质量变化的生物学评价指标。

3.6 合理施肥

施肥是农田管理中的一项重要固碳措施，施肥能补充土壤中的 N、P、K等营养元素含量，但应注意用地养地相结合合理施用的原则，注意肥料施用的类型、比例和数量。重视农家肥的施用和有机无机肥的配施，可改善土壤结构，避免表层土壤有机碳的流失。如厩肥与化肥配合施用后土壤活性有机碳组分和土壤微生物生物量碳增加就非常明显，约97%的土壤有机碳较稳定[61]。

此外，在土壤中施用一些高分子聚合物质也可起到减少土壤流蚀，稳定土壤结构，修复土壤有机碳库的效果[62]。

4 小 结

土壤有机碳库是地球生态系统中最活跃的生态系统碳库之一，对土壤肥力有着重要的意义。我国很多烟区土壤肥力下降、土壤结构恶劣与植烟土壤有机碳含量的变化直接相关，因此，植烟区土壤有机碳储量的提高应引起烟叶生产部门的广泛关注。通过采取合理施肥等农田管理措施对土壤有机碳库进行修复与改良，从而优化我国植烟地区土壤结构，保证我国烟叶生产的可持续发展。

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