影响土壤有机碳动态变化的因素研究进展

齐边斌，赵鑫勇，吕德国

（1 沈阳农业大学园艺学院，沈阳110866；2 大兴安岭地区农业林业科学研究院，黑龙江加格达奇165000；3 沈阳市北方果树栽培与生理生态重点实验室，沈阳110866）

土壤有机碳（SOC）包括非腐殖质和腐殖质部分有机碳。 非腐殖质有机碳包括碳水化合物和含氮化合物，腐殖质有机碳包括胡敏酸、富里酸和胡敏素[1]。土壤有机碳循环是地球表层系统中碳库主要流通途径，影响土壤碳库与大气碳库之间的交流，制约着全球碳循环[2]。 研究表明， 全球1 m 深度土壤中有机碳量约为1500 Gt、2～3 m 深度土层中含量约842 Gt[3]。 每年全球土壤呼吸作用的碳量为68～100 Pg，土壤有机碳每年分解释放到大气的CO2量达0.1～5.4 Pg，土壤有机碳库10%的变化将导致大气圈CO2浓度1 mg/L 的变化[4]。土壤有机碳循环不仅直接影响土壤结构与土壤团聚体的形成和稳定，导致土壤肥力和作物产量的改变，而且在缓解和调节土壤退化和土壤生产力上起着重要作用。 因此，土壤中有机碳循环已经成为全球研究的焦点， 同时土壤有机碳的动态是当前气候变化研究的热点问题[5]。 目前，国内外研究者就土壤有机碳的输入、输出、贮量、组分和残留等方面进行了大量研究[6～11]。在此，笔者主要归纳总结关于土壤有机碳循环的影响因素。

事实上，影响土壤有机碳循环的因素很多，包括生物因素和非生物因素两大部分。 生物因素主要是植物根系和土壤微生物，非生物因素主要有温度、湿度和土壤通气状况等。

1 土壤有机碳的组成和来源

土壤有机碳是一个复杂的有机复合体， 主要包括动植物、微生物残体及其排泄物、分泌物、部分分解产物和土壤腐殖质。 它的动态变化主要取决于碳源物质的输入量和输出量的相对大小， 尤其与碳源物质在土壤中的分解、转化有密切关系[12]。 土壤碳源的输入主要是依靠大气中CO2转化进入土壤、 动植物和微生物残体及土壤腐殖质等[12，13]。 森林生态系统中植物残体是土壤有机碳的重要来源[14]。 另外，外源有机质的输入是土壤有机碳的主要来源， 主要有人为施加有机肥 （如堆肥、圈肥、粪肥、绿肥、鱼粕肥）等。 王新建等[15]试验结果表明， 有机物质的输入对于土壤有机碳的累积更具有重要性。 研究发现，长期大量施用有机肥料的果园，果树根系分布较深、功能强，枝条生长适度，叶片发育完善，叶色稍淡而有光泽，叶片柔韧性好，果实风味好、耐贮藏。 李梦雅等[16]研究发现，施用化肥或有机肥均可提高红壤有机碳矿化量和微生物的数量， 影响微生物群落结构，且施用有机肥的效果显著高于化肥。

2 影响土壤有机碳动态变化的

2.1 土壤微生物

土壤微生物是生态系统的重要组成部分。 土壤微生物虽然只占总有机碳的1%～3%，但这一部分有机碳却影响着所有进入土壤有机质的转化， 是土壤有机碳变化和周转的驱动力[17]。 张于光等[18]在其研究中发现，大多数（大于60%）的土壤微生物都直接参与土壤有机碳的降解，包括腐殖质、胺类、木质素、葡聚糖、木聚糖、几丁质等有机碳的降解，Azoarcus evansii 类微生物可能是土壤中有机碳降解的重要活动者。

微生物的活性与土壤有机碳的关系非常密切[19]。一方面， 土壤有机碳的分解进程与土壤微生物量碳的动态变化趋势相似， 因此， 可以把土壤中有机碳分解的快慢看作是土壤微生物活动强弱的外在表现[20]；另一方面， 土壤微生物量的多少反映了土壤同化和矿化能力的大小，是土壤活性大小的标志。 微生物对有机碳的利用率是一项反映土壤质量的重要特性。 吴金水[21]认为，在同一土壤中， 微生物量碳变化与土壤有机碳含量变化密切相关， 因而土壤微生物量碳变化可敏感地指示土壤有机碳含量变化。朱志建等[22]研究了四类森林植被下土壤微生物量碳与土壤总有机碳含量的关系， 结果表明， 常绿阔叶林和马尾松林土壤微生物量碳与土壤总有机碳含量相关性均达到极显著水平。 此外，土壤微生物量碳与土壤有机碳的比值也是衡量一个生态系统土壤有机碳积累或损失的一个重要指标[23]。张秀玲等[24]对速生杨人工林土壤碳氮含量及微生物生物量的影响的试验结果表明， 土壤有机碳与土壤微生物生物量碳间存在极显著的相关性， 但是微生物生物量碳的变化趋势与土壤有机碳变化趋势和幅度并不完全一致，土壤微生物生物量间的差异更大。李君剑等[25]在其研究中发现， 东北地区三种典型次生林土壤剖面表层土壤中土壤有机碳和土壤微生物碳均占集中优势， 这一点也可以表明土壤微生物活性与土壤有机碳之间存在紧密的联系。

还有重要的一点， 微生物量碳虽然只占土壤有机碳的一小部分，但却是土壤中最活跃的有机碳组分。 土壤微生物生物量碳是指土壤中体积＜5 000 μm3活的和死的微生物体内碳的总和。 土壤微生物生物量碳在土壤碳库中所占比例很小， 一般只占土壤有机碳全量的1%～4%[26]，但对土壤有效养分而言，却是一个很大的给源和库存[27]。目前国内外已经把土壤微生物生物量碳视为土壤肥力变化的重要指标之一[28～30]。

2.2 非生物环境因素

土壤有机碳（SOC）分解是土壤碳循环动态的重要过程[31～33]，而分解的快慢取决于SOC 的生物化学性质、存在状态及水分、温度、pH 值、质地等影响微生物活性的环境因素[34，35]。 光照、温度和湿度是影响土壤有机碳动态的重要的非生物因素， 主要影响土壤有机碳的输入和输出两方面。 在输入过程中，气候制约植被类型和植被生产力，决定有机碳输入量；在输出过程中，土壤水分、温度及土壤与大气的气体交换，制约微生物对有机碳的分解和转化[36，37]；光照可引起植物光合作用强弱变化，影响植物固碳能力；温度则会影响土壤中微生物的活跃程度，调控土壤有机碳输出；降雨量则通过影响土壤水分含量来影响土壤有机碳含量变化。 研究表明，亚热带地区土壤有机碳分解速率比温带地区快[38]。

土壤理化性质、 粘土矿物类物质以及土壤质地等也影响土壤有机碳含量，其中，研究最多的是局部范围内土壤质地与碳含量的相互关系[39]。 一般认为，不同粘土矿物对有机质保护作用不同； 不同质地土壤因持水性能和所含粘粒比例不同也会影响土壤有机碳分布。土壤有机碳含量与粘粒含量呈正相关， 但也有研究表明两者无相关性[40]，说明土壤质地对土壤有机碳的影响在不同地区有明显差异。 这也体现了当前研究的不足。Andre Bationo 等[41]研究表明，在沙壤中土壤有机碳平均年损失高达4.7%；而在沙质粘土中损失较低，为2.0%。

2.3 人为因素

土地利用方式、耕作措施、轮作制度、施肥方式和水分管理等人为因素也会影响土壤环境， 从而间接影响有机碳的分解[41～45]，即影响土壤有机碳的动态变化。Jobbagy 等[46]研究表明， 灌木、 草原和森林土壤表层20 cm 有机碳占1 m 深度土层中有机碳百分比分别为33%、42%和50%，与植被类型显著相关。EstherGoidts[47]等认为，在农田耕层中每半年有21.9 t 碳的损失，而在草地(1～30 cm)中，每半年却有61.2 t 碳增加[47]。 植被类型的不同导致植被光合作用强度和有机物进入土壤的方式不同，影响有机碳输入量，使土壤有机碳分布也存在差异。 森林植被下，土壤有机碳主要来源是地表凋落物，例如叶片、枯枝等，一般在地表进行分解；而草原土壤有机碳来源主要靠草甸残根，分布于较深土层，分解速率较小，土壤碳密度比森林土壤高；对于耕作土壤而言，由于收获时作物秸秆移出，土壤碳密度较森林和草原土壤都低[48]。

耕作常常被认为是引起土壤有机碳含量下降的主要原因。 耕作的机械作用使土壤物理破碎、 分散和混合，直接或间接造成土壤有机碳含量下降。 采用秸秆还田，既能够调节土壤物理形状，促进微生物代谢活动，又利于养分分解，减少环境污染。 用秸秆处理农田，土壤生物量随季节波动，变化幅度明显小于无秸秆处理，土壤微生物量在10～20 cm 土层内明显增大。 这主要是由于秸秆还田给微生物提供了生活基质， 特别是在寒冷的冬天，根层土壤中秸秆腐蚀释放热量，提高地温，从而增加土壤微生物量。 秸秆还田后，土壤质量与土壤有机碳库的稳定性及土壤空气向土壤输送碳的比率相关，与腐殖化系数密切相关[49]。

时间也是影响土壤有机碳动态的一个关键因素，许多关于土壤碳的研究都来自于长期定位试验[50～52]，因为土壤的形成就是一个极其漫长的过程。

3 展望

尽管现在的研究在影响因子方面有较多的认识，但是，我们对它的综合分析还不够深入，特别是土壤有机碳在土壤内部以及与外界环境的相互转换机理上还不是十分清楚， 对土壤有机碳动态循环中各个环节的碳收支平衡问题的研究更少； 土壤中碳循环与大气中碳的交换对全球气候究竟有怎样的具体影响， 怎样增加陆地生态系统对碳的截存作用， 以及采取什么措施减少土壤圈中碳排放量等，都是有待解决的问题。 值得一提的是，13C 自然丰度方法是用于土壤有机碳动态研究的一种新方法，并且正在得到越来越广泛的应用。 近年来国内已采用13C 技术研究长期田间条件下土壤有机碳的周转。 尹云锋等（2007）利用δ13C 方法研究添加玉米秸秆下红壤总有机碳和重组有机碳的分解速率，证明了短期培养条件利用δ13C 方法研究红壤有机碳分解速率是可行的。

目前关于土壤有机碳动态尤其是土壤有机碳循环的研究主要集中于森林生态系统、 草原生态系和农田生态系统[53，54]，而对人类活动参与较多但是有不同于农田生态系统的果园生态系统的研究则比较少， 希望今后人们能够对果园土壤有机碳动态多做研究， 以便于提高果园土壤有机质含量，提高果园土壤肥力，生产出高产优质的水果。