土壤有机碳储量的影响因素研究

杨慧敏

摘   要：通过对土壤有机碳储量及影响因素进行研究，以期找到维持和提高土壤有机碳库的有效措施，为我国土壤资源的可持续开发利用提供参考，最终达到土壤固碳和农业增产的目的。

关键词：土壤;有机碳;储量;影响因素

1   土壤有机碳储量

土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）作为土壤有机质的一种化学量度，在提高土壤肥力、改善土壤结构、促进植物生长等方面发挥着重要作用。SOC在全球碳总量（2 344 Pg）中占有巨大比重。据估算，土壤有机碳库储量为1 550 Pg，大于植被和大气碳的总和[1]。其中，农田生态系统的碳储量占陆地土壤碳储量的8%～10%（120～150 Pg）[2]，但是全球农业土壤的固碳潜力仅为20 Pg。以往研究有机碳时，注重其对农业生产的作用，而如今的研究更注重其对于生态环境的意义[3]。

2   影响因素

2.1   自然因素

2.1.1   环境因素

土壤有机碳是指土壤有机质（SOM）中的碳含量，是陆地生态系统碳氮循环的重要组成部分。有机碳释放和降解的速率主要取决于SOC本身的分子结构、化学性质和地表枯落物与死亡根系的数量与质量，其中土壤有机碳分子结构又是影响有机碳质量和功能的重要内在因素。研究发现，一些结构比较稳定的有机碳（如木质素）在土壤中分解转化的速率竟然比其他有机碳短[4-6]，而一些性质比较活跃的有机碳（如糖类）却可以稳定在土壤中长达10年之久[7]。这也许是因为不同种类细菌代谢方式不同，所以分解的机制也有一定区别[8]。SOC虽然是由微小的化学分子组成的，但是其持久性却不是由分子性质所决定的，而是取决于生态系统的属性，如生物群的空间异质性、环境条件等。所以，分子结构的抗性并非完全地控制有机碳在土壤中的长期持久性[9]。而有机碳在与环境的相互作用下却可以显著降低土壤有机碳被降解的可能性。

2.1.2   微生物因素

土壤中产生大量的CO2，是微生物对有机物进行分解所产生的结果。而微生物的生长活动又受土壤养分含量的高低、C和N的有效性以及土壤pH值的影响。当微生物所需的营养元素供应充足以及土壤pH值增加时，微生物活性和繁殖速度也随之提升，从而加强对有机碳的进一步分解，增加活性有机碳库的比例。土壤微生物不仅是进入土壤有机物质的“转化者”，也是土壤养分内部供应能量的“源”和“库”。微生物对有机碳的转化主要通过两种方式，一种是利用微生物的胞外酶，对土壤外源有机质和土壤原有有机质进行降解，重组或改变其分子结构，这会使植物来源的碳发生沉积。在这个过程中，是将难分解的有机碳转化为微生物容易利用的碳，最终导致土壤总微生物生物量碳升高。二是利用微生物的生理过程，对胞外酶转化后的有机物进行进一步加工，残留的物质贡献于土壤中，使微生物来源碳发生沉积，因此进一步分解后的物质属于微生物合成代谢的产物。这两种转化是生态系统所特有的，在有利于生态系统持续发展的同时带动了营养元素的循环和能量流动，使微生物能够更好地参与土壤碳循环。在全球范围内，土壤有机碳对气候的变化十分敏感，主要表现在温度升高、微生物活性增加且代谢明显增强，土壤活性有机碳含量呈现回升趋势[10]。反之温度降低，土壤活性有机碳含量明显下降，但在温度过高或过低的地区，有机碳对温度变化表现得并不明显。

2.2   人为因素

2.2.1   土地利用方式

土壤质地、微生物生活环境都会受不同土地利用方式的影响，从而使有机碳的稳定性发生变化、数量缩减。自然植被中，草地开垦为耕地后SOC下降30%～50%，温带地区的草地损失20%～40%的有机碳[11]。除草地转变为耕地会使有机碳含量下降外，过度放牧也是导致草地初级生产固定碳素能力降低的原因，这导致了土壤养分转化能力的明显下降，植被和土壤双重退化[12]。林地转向耕地、泥炭与湿地转向耕地均会使SOC的净固存率下降，其中林地转向耕地损失20%～50%的有机碳，而湿地恢复、耕地转回林草却能使 SOC 净固存率增加。其中转为灌木林地或天然草地，比转化为人工林更有利于SOC 的固存。但在短时间内，农田向林地转变也可能使 SOC 降低。

2.2.2   农田管理措施

有研究表明，良好的农田管理措施可显著提高农田土壤碳吸收速率，其固定的土壤有机碳所带来的CO2减排占整个农业减排潜力的89%。農田土壤的固碳趋势表现得越来越明显，这可能由于农田管理与培育技术的进步和推广、肥料施用量合理配比等因素影响下促进了作物高产，同时带动了作物地下根系生物量及地上凋落物归还土壤，农田土壤中溶解性腐殖质的不断增加，农田土壤溶解性有机质大于森林土壤溶解性有机质，有机碳含量呈上升趋势。如免耕能够保护土壤结构，降低土壤团聚体内部有机碳的分解、改变土壤有机碳的分布和微生物的生存环境与活性，使呼吸作用减弱，从而减少对有机质的消耗。研究者在已免耕9年的农田中进行试验，连续3年在播种前对表土（0～15 cm）进行翻耕，结果其土壤有机碳含量下降了5.6%。而重复进行免耕耕作，对表层碳的存量有了明显改善[13，14]。这是由于免耕能显著提高土壤微生物量活性及代谢程度，增加微生物种类，减少由于矿化引起的损失[15]。但随着土层深度的增加，土壤有机碳含量呈现递减的趋势[16]。

3   结论与讨论

有机碳的影响因素包括微生物和气候等自然因素、土地利用方式/农田管理措施等人为因素，近些年对表层土壤有机碳稳定性的研究取得了一些成果，而对于深层有机碳碳源的供应需多加探讨。微生物作为有机碳的驱动因素，在其生境发生改变的同时，微生物群落的结构、组成如何变化的研究也较少。此外，土壤有机碳占全球的比重巨大，并处于不断变化之中，但对土壤有机碳库的估算还存在很大不确定性。今后的研究重点应放在如何通过土壤的无机环境来协调好有机碳长期稳定与生物之间的关系，加强土壤有机碳的固碳能力，响应全球号召。

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（收稿日期：2019-03-26）