不同土地利用方式对土壤有机无机碳比例的影响

李 雄，张旭博，孙 楠，张崇玉，徐明岗，冯 龙

（1 贵州大学农学院，贵阳 550025；2 中国科学院地理科学与资源研究所/生态网络观测与模拟重点实验室，北京100101；3 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；4 贵州工程职业学院，德江 565200）

土壤碳库是陆地生态系统中最大且周转周期最慢的碳库，主要由土壤有机碳 (Soil organic carbon，SOC) 和无机碳 (soil inorganic carbon，SIC) 两部分组成，是继海洋碳库和地质碳库之后的第三大碳库[1]。全球0—100 cm土壤剖面SOC的储量约为1220～1576 Pg，SIC的储量约为700～1700 Pg[2]。SOC和SIC的巨大库容决定了二者在碳循环和减缓气候变化方面具有重大作用[3]。

有学者对我国SOC和SIC储量的研究发现，0—100 cm土壤剖面SOC储量为83.8 Pg，SIC储量为77.9 Pg，且该研究结果表明我国的SOC储量高于美国的SOC储量 (65.5 Pg)[4]。Wu等[5]对我国SIC储量的估计值为55.3 Pg，且该研究发现SIC主要分布在我国的华北、西北地区，土地利用方式对SIC的储量影响显著。Wang等[6]在新疆地区的研究发现，农田土壤中SOC和SIC的含量高于撂荒地。也有学者通过在甘肃河西走廊、宁夏云雾山等地区的研究发现，农田土壤中SIC的含量高于草地[7–8]。这些研究结果均表明，在干旱半干旱地区将土地转化为农田有利于SIC的积累。

陆地生态系统中存在着“SOC—CO2—SIC”的微碳循环系统，SOC以CO2为媒介转化为SIC[9]，当前对SOC和SIC相互关系的研究极其缺乏，且研究结果不一。潘根兴等[10]研究发现，在干旱地区，由石灰性母质发育的均腐土、淋溶土、干旱土和雏形土的SOC和SIC呈现负相关关系。然而，在我国新疆焉耆盆地，SOC和SIC呈现显著的正相关关系[11]。同时有学者在加拿大以及美国部分地区的研究结果也表明SOC和SIC为显著的正相关关系[12–13]。因此，急需系统量化不同条件下SOC和SIC之间的相互关系，进一步明确碳在土壤中的转化过程。

本研究旨在总结现有关于SOC和SIC研究的结果，通过数据的收集、整理、分析，量化SOC和SIC之间的相互转化关系，以期为更好地理解碳循环、更准确地模拟碳在土壤中的转化过程、更精准地估计碳储量奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 文献搜集

为了系统地揭示SOC和SIC的相互关系，本研究从Web of Science、中国知网和百度学术等文献库对1990—2018年期间发表的文献进行检索。选取土壤碳库 (soil carbon pool，soil carbon stock)，土壤有机碳 (soil organic carbon) 和土壤无机碳 (soil inorganic carbon) 等关键词进行文献搜集。筛选文献采用以下标准：1) 文献中数据至少含有均值、标准差SD (或标准误差SE) 和重复数 3个要素，其中重复数至少为3次；2) 文献中必须包含SOC和SIC含量或其中一个数据以及总碳 (soil total carbon, STC) 含量 (STC =SOC + SIC)；3) 文献中包含明确的土地利用方式 (草地、林地、农田等)。同时，还获取了每个独立试验站点的基本信息，包括气候类型、地理位置 (经度、纬度和海拔)、土壤类型、年降雨量、年蒸发量和年均温等。

1.2 数据分析

本研究选用GetData Graph Digitizer 2.24软件进行数据提取，Excel2007统计整理数据，SPSS进行数据分析及Origin9.2进行作图，采用LSD法进行多重比较分析 (显著性水平P = 0.05)。

为了进一步探讨不同气候区、不同土地利用方式及不同土壤类型SOC和SIC的比例 (相互关系)，对搜集整理后的数据按照气候区、土地利用方式、土壤类型进行分类。按照各试验站点的降雨量大小，将气候区划分为温带大陆性气候区和温带季风性气候区，青海、新疆、内蒙、陕西、甘肃气候区属于温带大陆性气候区，吉林、山东、河北、宁夏为温带季风性气候区；土地利用方式包括草地、林地和农田；土壤类型包括棕壤、荒漠土和黑垆土。按照数据在土壤剖面的分布，将所得数据分为0—20 cm和20—100 cm两个土壤剖面层次。提取文献基本信息如表1所示。

2 结果与分析

2.1 不同气候区SOC和SIC含量变化

温带大陆性气候区，0—20 cm土层草地、林地和农田三种土地利用方式下，SOC含量无显著差异(P ＞ 0.05)，20—100 cm 土层 SOC 含量草地 ＞ 农田 ＞林地，且差异显著 (P ＜ 0.05)；0—20 cm、20—100 cm土层 SIC 含量草地 ＞ 农田 ＞ 林地，且差异显著 (P ＜0.05)。温带季风性气候区0—20 cm土层土壤中SOC含量农田显著高于其他两种土地利用方式 (P ＜0.05)，林地土壤中SOC含量最低；20—100 cm土层SOC含量无显著差异，草地和林地土壤中SIC含量无显著差异，但都显著高于农田土壤的SIC含量(P ＜ 0.05, 表 2)。

2.2 不同气候区SOC和SIC比例分布

温带大陆性气候区，0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC均值 (标准差) 分别为0.70 (0.34)、0.50(0.24)(图1a和图1c)。温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC值分别为1.06 ± 0.05、0.31 ± 0.08 (图1b和图1d)。且两个气候区SOC/SIC 符合正态分布 (P ＜ 0.05)。

2.3 不同土地利用方式下SOC和SIC比例特征

温带大陆性气候区0—20 cm土层，草地、林地和农田土壤中SOC/SIC值变化范围 (均值) 分别为0.10～1.54 (0.53)、0.15～1.95 (0.90)、0.32～1.46(0.80)，林地和农田土壤中SOC/SIC值无明显差异，但都显著高于草地 (P ＜ 0.05)。20—100 cm土层，SOC/SIC值变化范围 (均值)0.10～0.86 (0.38)、0.12～1.07 (0.68)、0.13～1.04 (0.49)，林地土壤中SOC/SIC值显著高于草地 (P ＜ 0.05)，农田和其他两种土地利用方式无显著差异 (P ＞ 0.05)。相同土地利用方式下，林地、农田土壤0—20 cm土层中SOC/SIC值显著高于20—100 cm土层 (P ＜ 0.05，图2a)。

温带季风性气候区0—20 cm土层，草地、林地和农田三种土地利用方式下SOC/SIC值变化范围 (均值) 分别为 0.18～2.23 (0.82)、0.22～0.36 (0.29)、0.55～1.4 (1.05)，农田土壤中SOC/SIC值显著高于其他两种土地利用方式，且草地显著高于林地 (P ＜0.05)。20—100 cm土层SOC/SIC值变化范围 (均值)分别为 0.14～0.46 (0.27)、0.13～0.44 (0.18)、0.17～0.59 (0.31)，三种土地利用方式下SOC/SIC值无显著差异 (P ＞ 0.05)。同一土地利用方式下，草地和农田土壤0—20 cm土层显著高于 20—100 cm土层 (P ＜ 0.05，图 2b)。

2.4 不同土地利用方式下SOC和SIC的相互关系

温带大陆性气候区，草地、林地和农田三种土地利用方式下总的SOC和SIC在0—20 cm、20—100 cm两个土层呈极显著正相关关系 (图3a)。温带季风性气候区，0—20 cm土层二者呈显著负相关关系，20—100 cm土层则呈显著正相关关系 (图3b)。

温带大陆性气候区，草地、林地和农田0—20 cm土层中SOC和SIC均呈现极显著正相关关系 (图3c)；林地和农田20—100 cm土层中，SOC和SIC呈极显著正相关关系。然而，草地土壤20—100 cm土层二者则呈现显著负相关关系 (图3e)。温带季风性气候区，林地和农田0—20 cm、20—100 cm土层中SOC和SIC均为显著的正相关关系，而在草地中则为显著的负相关关系 (图3d和图3f)。

表1 文献信息Table 1 Information of literature

表2 不同气候区SOC和SIC含量Table 2 SOC and SIC contents in different climate zones

2.5 土壤类型对SOC和SIC比例特征的影响

农田土地利用方式下，0—20 cm土层，棕壤土、荒漠土和黑垆土三种土壤类型中SOC/SIC值变化范围 (均值) 分别为 0.84～1.27 (1.10)、0.33～1.96(1.00)、0.17～0.72 (0.45)，棕壤土和荒漠土SOC/SIC无显著差异 (P ＞ 0.05)，但均显著高于黑垆土 (P ＜0.05)。20—100 cm土层，三种土壤类型二者比例(均值) 分别为 0.18～0.53 (0.35)、0.19～1.15 (0.58)，0.13～0.59 (0.28)，荒漠土显著高于其他两种土壤 (P ＜0.05)，其他两种土壤类型间无显著差异 (P ＞ 0.05)。同一土壤类型，0—20 cm土层SOC/SIC值均显著高于 20—100 cm 土层 (P ＜ 0.05，图 4)。

三种土壤类型中SOC和SIC在0—20 cm、20—100 cm土层均呈现正相关关系，且棕壤土和荒漠土中二者极显著正相关 (P ＜ 0.01，图5)。

3 讨论

3.1 不同气候区SOC和SIC含量变化

温带大陆性气候区，0—20 cm土层草地、林地、农田土壤中SOC含量无显著差异。其原因可能是本研究搜集的数据中，草地和林地部分的数据为人工管理措施下的植被恢复，植被地上、地下生物量较丰富，作物碳回归量大，SOC含量无显著差异[47–48]。SIC 含量为草地 ＞ 农田 ＞ 林地，草地土壤中植物根系较浅，根系分泌物对SIC的影响较小，而林地土壤中植物根系发达，根呼吸、根系分泌物会形成酸性环境，易造成SIC的溶解[49]。因此，在林地土壤中SIC含量最低 (表2)。

温带季风性气候区，0—20 cm土层农田土壤中SOC含量最高，其原因可能是施肥、灌溉等农田管理措施促进了作物的生长，作物碳归还量较高，且秸秆还田、有机无机配施等管理措施进一步提高了SOC的含量[50–51]。草地、林地土壤中SIC含量显著高于农田土壤中SIC含量。该气候区降雨量丰富，土壤水分含量较高，不利于SIC的形成，农田土壤中集中式的灌溉措施会引起SIC的溶解，易淋失至更深层土壤[52–53]，导致SIC含量低于其他两种土地利用方式 (表 2)。

3.2 不同土地利用方式对SOC/SIC的影响

温带大陆性气候区，SOC/SIC为林地 ＞ 农田 ＞草地。一方面，林地土壤中植物根系发达，分泌物较多，土壤腐殖层较厚，腐殖质含量高，且微生物活动旺盛，促进了有机质的分解，提高了SOC的累积[54–57]。农田土壤中施肥和灌溉等农田管理措施促进了作物的生长，作物根系发达，有益于SOC的累积，但对土壤的翻耕等会加速SOC的矿化，且作物成熟后被收割，减少了碳素向土壤的输入，一定程度上降低了SOC的含量[58–59]。该气候区草地多为荒漠草原，地上生物量相对少，投入土壤中的碳素较少，所以草地SOC相对最低[60–61]。另一方面，SOC分解会释放更多的CO2，与土壤水作用后形成酸性环境，而且根系分泌物产生有机酸，导致土壤pH降低，促进了SIC的溶解[60,62]，因此，根系相对发达的林地土壤中SIC含量较低，SOC/SIC值较大(图 2a)。

图1 温带大陆性气候区、温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm SOC/SIC频率分布Fig. 1 Distribution frequency of SOC/SIC in the 0−20 and 20−100 cm soil layers of the temperate continental climate zone and the temperate monsoon climate zone

图2 不同气候区三种土地利用方式下0—20 cm、20—100 cm土层SOC/SIC值Fig. 2 SOC/SIC value in the 0−20 cm and 20−100 cm soil layers of grassland, forest and cropland in different climate zones

图3 不同气候区、土地利用方式及土层SOC和SIC相互关系Fig. 3 Relationship between SOC and SIC affected by climatic regions, land use and soil layers

相同土地利用方式，草地土壤不同土层中SOC/SIC无显著差异，因为该气候区草地土壤中SOC含量较低，导致在两个土层其比例较低。林地和农田土壤中0—20 cm土层SOC和SIC比例显著高于20—100 cm (图2a)。这与SOC、SIC含量随土壤深度的变化有关：SOC含量随土壤深度的增加而降低，SIC含量则随土壤深度的增加而增加[6,63]，因此，SOC/SIC值随之降低。

温带季风性气候区0—20 cm土层中，SOC/SIC表现为草地 ＞ 农田 ＞ 林地 (图 2b)。该气候区草地土壤中常伴生灌木，植物种类复杂多样，回归土壤枯枝落叶量大，微生物活动频繁，促进了SOC的累积[64–65]；农田管理措施促进了作物的生长，作物根系发达，分泌物增多，但作物成熟后地上部分被移除，降低了SOC含量[58]。本研究搜集的文献中林地大多为乔木林，群落结构较简单，且植物自身消耗也多，土壤碳归还较少，导致SOC含量低，SOC/SIC值较低。

3.3 SOC和SIC相互关系及其影响因素

SIC主要为碳酸盐类，包括岩生性碳酸盐、发生性碳酸盐。岩生性碳酸盐主要由母岩发育形成，在较短时期内不会发生改变。发生性碳酸盐在风化成土过程中形成，以碳酸钙为例，其形成过程包括以下两个化学过程[41,54,66]：

图4 棕壤土、荒漠土、黑垆土农田0—20 cm、20—100cm土层SOC/SIC值Fig. 4 SOC/SIC value in 0−20 cm and 20−100 cm of brown loamy soil, desert soil and dark loessial soil in cropland

通常情况下，SOC含量增加能提高土壤中CO2的浓度，此时，反应 (1) 向右移动，和 H+含量提高，在土壤中形成酸性环境，易造成碳酸钙的溶解，即SIC的含量下降，SOC、SIC呈现负相关关系[67–68]。当土壤中钙镁离子含量较高时，高的则使反应 (2) 向右移动，利于碳酸钙的形成，即SIC含量增加，二者呈现正相关关系[11,69]。

本研究结果表明在温带大陆性气候区，林地和农田0—20 cm、20—100 cm土层SOC和SIC皆为正相关关系，和前人研究结果一致[2,70]。该气候区土壤类型大多为碱性土，土壤pH ＞ 7.5，具备一定的酸碱缓冲能力，而额外的钙镁离子则促进了碳酸盐类物质的形成，SOC含量越高，分解产生的CO2越多，更有利于碳酸盐的形成。因此，SOC、SIC呈现正相关关系 (图3a，图3c和图3e)。然而，草地0—20 cm土层中二者呈正相关关系，20—200 cm土层呈负相关关系 (图3c和图3e)，0—20 cm土层，植物枯枝落叶较多，SOC含量较高，分解产生CO2，有利于SIC的形成，20—100 cm土层SIC含量明显增加，而SOC含量由于受到作物碳归还的限制，其含量急剧减少[54,66]，二者呈负相关关系。

图5 棕壤土、荒漠土、黑垆土农田0—20 cm、20—100 cm SOC和SIC的相互关系Fig. 5 Relationship between SOC and SIC in the 0−20 cm and 20−100 cm of brown loamy soil, desert soil and dark loessial soil in cropland

温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm土层草地中SOC和SIC呈现负相关关系，与Li等[60]和Zhao等[71]研究结果一致。该气候区气候湿润，植被覆盖较好，植被根系和凋落物丰富，产生了大量的有机酸，降低了土壤pH[63,71]，且SOC分解产生CO2，土壤中CO2分压增强，促使反应 (1) 向右移动，产生更多的H+，易造成碳酸盐的溶解。因此，SOC和SIC呈显著的负相关关系。农田土壤中施肥、灌溉等农田管理措施促进了作物生长，提高了生物量的投入，增加了作物碳的归还，SOC含量提高[72–73]，同时施肥、灌溉等农田管理措施向土壤提供额外的钙镁离子，促使反应 (2) 向右移动，促进SIC的形成[74–75]，田土壤中二者为正相关关系。林地土壤中二者相互关系与Zhao等[71]的研究结果不一致，其机制需要进一步探究明确 (图3b、图3d和图3f)。

3.4 不同土壤类型对SOC/SIC的影响

农田土地利用方式下，20—100 cm土层荒漠土SOC/SIC高于棕壤土和黑垆土 (P ＜ 0.05，图4)。荒漠土未开垦为农田时，植物类型大多为荒漠草原，有机质和养分含量极低，且植物残渣年归还量低，SOC含量低。开垦为农田后，灌溉和施肥等增加了有机胶结物质的输入，持续的农业利用提高了作物地上、地下部生物量，增加了土壤碳的输入，SOC含量提高[72]。因此，荒漠土开垦为农田提高了SOC含量，SOC和SIC比例随之提高。同时农田管理措施还提供了额外的钙镁离子[74]，所以在提高SOC含量的同时，存在SOC向SIC的转化，三种土壤类型中SOC和SIC均呈现正相关关系 (图5)。

4 结论

不同土地利用方式、不同土壤剖面深度对SOC和SIC比例影响显著，SOC和SIC在温带大陆性气候区0—20 cm土层为显著的正相关关系，20—100土层林地和农田中SOC、SIC呈正相关关系，但草地呈负相关关系。温带季风性气候区0—20 cm、20—100 cm土层林地和农田中SOC、SIC呈正相关关系，但在草地中呈负相关关系。这表明碳在土壤中存在着显著的转化循环，SOC可能最终转化为SIC储存，也可能溶解SIC，导致土壤碳的流失，这种相关性与土地利用方式密切相关。就目前的研究现状来看，我国对土壤碳库的大部分研究只关注SOC，忽略了对SIC的研究，对土壤碳储量估计值偏低，未来的研究应该侧重于不同气候条件、不同土地利用类型、不同土壤类型及农田管理措施下SOC和SIC的相互关系，明确土壤碳的循环积累机制，精确地估算土壤碳储量。