土壤有机碳储量及其驱动因素研究综述

钱泽源

土壤有机碳储量及其驱动因素研究综述

钱泽源

（西北农林科技大学风景园林艺术学院陕西咸阳712000）

文章对土壤有机碳储量定义、作用及其计算方法进行了概述，从宏观和微观两方面，综合讨论了地形、坡度、温度、降水等地理因素，母质、土地利用及管理等物理化学因素，天然植被、土壤微生物、土壤动物等生物因素对土壤有机碳储量的贡献和影响，以期为土壤功能性评估提供一定的科学依据。

土壤有机碳储量；地理因素；物理化学因素；生物因素

土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，对于维持全球生态系统碳平衡具有重要意义[1]。近年来，随着全球气候逐渐变暖，土壤碳循环、碳源及碳汇的形成及其驱动机制在国内外受到了极大的关注，许多围绕气候变化、环境变化、物种多样性和生态系统稳定性等的研究对土壤固碳潜力及其可持续性尤为重视。

土壤是植物生长发育的基质，土壤功能的好坏影响着植物的生长状况，土壤有机碳作为植物的营养输送源，其储量多少直接关系着植物的营养情况。土壤有机碳并不是单一的化合物，其来源广泛，地表植被凋落物、植物根系分泌物、土壤腐殖质以及土壤动物、微生物和植物遗体等都会最终形成土壤有机碳。有研究表明，土壤有机碳含量变化受多种生态环境因子和土壤理化因子的影响[2]。除此以外，合理的土地利用和管理方式也能提高土壤固碳能力，进而减少大气中的二氧化碳。

土壤有机碳储量是评估大气碳强度的基础，也关系着植被分布、气候变化等。随着科学技术的发展，土壤碳储量在水平分布和垂直分布两个维度均有了不同尺度、不同层次的研究成果[2]。但是，国内外对陆地土壤碳库的研究普遍集中在土壤碳的积累、碳组分、转化过程以及陆地生态系统土壤固碳潜力及其稳定性方面[3]，而外界因素对土壤有机碳储量的影响机制研究缺乏系统性总结，导致土壤碳评估存在着较大的不确定性。基于此，本文对土壤有机碳储量定义、作用及其计算方法进行详细概述，并结合对土壤有机碳储量影响较大的地理、物理化学和生物三个方面的因素，对其影响和贡献进行综合阐述，以期为土壤功能性及碳源、碳汇评估提供一定的科学依据。

1 土壤有机碳储量概述

1.1 土壤有机碳储量的定义及作用

土壤有机碳储量是指在土壤碳库中与大气中的CO2频繁交换后储存在一定面积一定深度内的土壤有机碳[4]。土壤有机碳的储存过程是一个极其复杂的生物化学反应，首先植物通过光合作用将大气中的CO2固定下来以供自身生长发育，随后一部分通过地表植被凋落物、地下根系和其分泌物等转移到土壤中，而另一部分被土壤中的微生物分解转化为土壤有机碳。随着时间累积，越来越多的碳进入到土壤中逐步汇集，最终在土壤层中形成土壤有机碳的大量积累，我们称之为“土壤有机碳储量”。土壤有机碳储量至关重要，其一方面承担着植物光合、呼吸、有机物积累的营养源供应保障，对于植物生长至关重要；另一方面参与着全球碳循环，影响着大气碳库的变化，进而影响着气候变化[5]。

1.2 土壤有机碳储量的计算方法

1.2.1 精确计算

普遍认为较为精确的计算土壤有机碳储量的公式如下[6]：

式（1）中，为第层土壤有机碳储量（t/hm2），SOC为第层土壤有机碳含量（g/kg），BD为第层土壤密度（g/cm3），D为第层土层厚度（cm），0.1为单位转换系数。

由于土壤容重数据较为宽泛，且一般研究表层土壤，基本集中在0 cm～40 cm土层，而深层土壤采集难度大，通常利用土壤容重传递函数估算[7]。因此，该计算方法对于表层土壤适用性强。

1.2.2 估算

此外，土壤有机碳储量估算方法也较为常见，主要包括土壤类型法、植被类型法、生态系统类型法、生命带法、模型法[2-4]，详见表1。由于土壤是一个复杂的综合体，不同环境下的地理、物理、化学及生物因子有较大差异，因此土壤的空间变异性较高，这也造成了各种估算方法在具体研究中受到一定的限制，由此产生的研究结果的准确性也会在一定程度上产生不确定性[4]。

土壤类型法是在采集土壤剖面数据的基础上，利用多种分类层次进行数据整合，再根据空间尺度的需要在土壤图上确定相应面积得到土壤有机碳储量。土壤类型法数据需求单一、易获得，计算方法简便，且能够反映出土壤母质、土壤深度对有机碳的影响[2]，加上初期缺乏基础数据资料，故在土壤有机碳储量估算中应用较为广泛。但其也明显存在采样工作量大、周期长以及数据来源准确性差等问题。另外，对于较大区域来说，空间较大使得土壤类型的空间分布较为复杂，在不同地区的气候、植被和环境下表现出很高的土壤异质性，如土壤质地和生态系统碳输入等差异较大，因此降低了估算的精度[2]；加上土壤类型和土壤的多样性往往会被忽略，也会因此产生一定的误差。近年来，多种分类单元已作为分类估算依据被引入，这有利于提高土壤有机碳的估算精度。

生命带法是采用以纬度带、降雨量和潜在蒸发率三个指标为划分依据的生命带系统，对不同区域土壤有机碳储量进行估算和差异性评价。其优点在于能够综合气候、地形等影响因素体现土壤有机碳储量的区域差异，适用于跨度较大的研究区域，但对于小尺度的研究则不适用。同时，生命带法划分较为宏观，偏向于关注气候和地形因素，忽视了成土母质的基础作用，因此精确度不高，逐渐应用较少。植被类型法和生态系统类型法是根据植被、生态系统的不同类型，在其对应类型下计算土壤有机碳密度的分布面积。该方法的优点是能综合气候、地理、植被等因素，直观地呈现出不同植被类型、不同生态系统类型下的土壤有机碳储量。需要注意的是，植被类型法忽略了相同生态系统中不同土壤类型所造成的土壤有机碳含量的差异等；生命带法获得定量化数据有较大难度，无法解释土壤母质在区域尺度上的变化情况；生态系统法对土壤的空间异质性不作考虑。因此，上述三类方法仅适合在小范围内进行精确研究，而不适用于较大区域。此外，频繁的人类活动使地表覆被类型发生较大变化，导致估算的误差也变大。

模型法是基于大量的实测数据，以不同的模型性质为依据，以不同的环境因素、气候因素和土壤属性数据等变量为影响因子，有些关注基础经验数据，有的关注数据分布，通过建立相关的数学模型进行拟合、推算等来实现多因素有机碳储量估算，目前主要有机理模型、经验模型、混合模型和机器学习算法等。模型法的优点是综合考虑了影响土壤有机碳输入和分解转化的各类因子，因此准确度较高，适用于大尺度的研究[2]。此外，模型法还能根据大量的实测数据进行模拟推测，判断各种因子的贡献和影响，预测土壤碳储量动态变化趋势，探讨土壤有机碳储量和土壤的固碳潜力，分析气候变化对土壤碳储量的综合影响。但是，模型法所用到的实测值数据要求样本量大、连续性强，模型建立过程较为复杂，难度较大[4]。

表1土壤有机碳储量计算方法

计算方法优点缺点 公式法精确度高深层土壤采样难度大 土壤类型法数据需求单一、计算方法简单，适于分类分析数据来源不一、土壤样点需求量大、数据分析精确度低 植被类型法直观呈现不同植被、生态系统类型对土壤有机碳储量的影响忽略土壤空间异质性，不适用于大尺度研究 生态系统类型法 生命带法能体现区域差异性，有利于分析影响因素作用划分尺度大、忽视母质作用 模型法拟合度高、解释变异性强需长期监测数据作为研究支撑，研究门槛高、难度大

2 土壤有机碳储量驱动因素概述

土壤有机碳一部分来源于土壤母质，另一部分源自地上植被和土壤动物、微生物的分解转化以及人工外力的翻耕和水肥作用。土壤母质是土壤有机碳的先天来源，而地形因素如坡度、坡向、海拔、降水、温度等共同决定了母质条件。同时，地形因素通过参与有机碳的分解和转化进程影响着土壤有机碳的储量。物理因素如人为的土地利用管理，包括人工造林、土地翻耕、休耕、轮作、人工水肥等也影响着土壤有机碳的储存。化学因素涉及土壤母质的成土因素以及土壤有机碳的分解、转化和固定过程。生物因素包括土壤植物地上凋落物、腐殖质和土壤动物、土壤微生物的活动以及尸体分解等一系列行为，均关系着土壤有机碳的储量变化。这些地形、物理化学、生物因素相互作用，共同影响着土壤有机碳的储量。

2.1 地理因素

在地理因素中，气候是决定土壤有机碳储量水平的关键因素之一。一方面，气候条件通过影响植被类型及其生产力状况进而影响了土壤有机碳的输入水平；另一方面，分解和转化土壤有机碳的主要驱动力离不开土壤微生物的作用，而气候则通过影响土壤的水热条件影响着微生物的活性，进而影响着土壤有机碳的分解和转化进程[2]。在气候因素中，降水和温度对土壤有机碳的影响最为显著，且在不同地区的影响大小有所差异[4]。这主要是因为温度和降水对土壤有机碳的输入与分解过程至关重要。肖辉林等（1999）研究发现，土壤有机碳储量与降水量成正比，而与温度成反比[9]。张勇等（2008）的研究表明，温度对土壤有机碳密度的影响大于降水[10]。其中，温度对土壤有机碳的影响主要源于海拔，而降水的影响主要是由纬度变化引起的。高杨等（2014）在全球宏观尺度下对人工植被下的土壤有机碳固定储存的研究显示，土壤有机碳固定储存所需要的时间随着纬度升高逐渐增加[11]。这主要是因为温度和水分直接决定了植被特征，而植物残体的数量和性质正是决定土壤有机碳储量的主要因素之一。同时，温度和降水参与着有机物的分解进程。刘苗等（2014）的研究表明，温度对有机物分解影响更大，土壤呼吸与温度呈正相关，而且在5 ℃～35 ℃呼吸的增加呈加速形式[12]。水分的影响则相对较为复杂，通常是在有机物分解转化过程中通过提供潮湿环境来加速转化。

坡度、坡位、坡向对于土壤有机碳储量也十分关键。它们不仅通过影响温度、土壤含水量、蒸散发来直接参与有机碳固定过程，还会通过地下水热再分配影响地上植物的生长状况进而改变凋落物数量、土壤动物及土壤微生物活动来参与土壤有机碳分解转化过程。周鑫等（2016）的研究表明，下坡土壤有机碳储量显著高于上坡，阴坡则显著高于阳坡[13]。海拔则主要通过影响降水、温度来间接影响土壤有机碳转化储存。张彦军等（2020）在太白山的研究表明，海拔梯度对土壤有机碳储量影响显著，且在不同土层深度，土壤有机碳储量均随着海拔梯度的增加而增加，增加幅度高达10％～88％[14]。

2.2 物理化学因素

成土母质是土壤发生的前提，母质类型是土壤的本底信息，关系到土壤容重、孔隙度、土壤有机质含量等。有研究表明，来源于发育不同的土壤母质的土壤，其有机碳含量明显不同[15]。这主要是因为母质不同造成了土壤颗粒组成差别较大，土壤黏粒吸附有机碳的能力明显高于砂粒，加之不同母质的酸碱度环境不同，进而影响了土壤有机碳的转化速率[16]。周墨等（2013）的研究表明，成土母质对土壤的化学成分、矿物组成、土壤质地和物理化学性质都产生影响，尤其是土壤中的Ca2+、Mg2+对于碳储量稳定性具有积极作用[17]。目前普遍研究认为，成土母质显著影响表层土壤总有机碳和惰性有机碳的储量[10,17]。

土壤理化因子则主要在局部范围内对土壤有机碳的分布及储量产生影响。土壤含水率、质地、容重、孔隙度、pH值、化学元素等理化因子都会对有机碳在土壤中的分布和积累过程产生影响。有研究表明，容重主要是影响土壤的透气性和持水能力，它与土壤含水率和pH值一起，通过影响微生物活动强度来影响土壤有机碳的分解转化；土壤质地和土壤孔隙度则对土壤有机碳储量的垂直分布有显著影响；其余化学元素，如氮、磷、钾等主要是通过影响植物的生长状况及其地上生物量等方式来影响土壤有机碳的输入源头；土壤盐度也会对土壤有机碳含量产生影响，盐度小于15％的土壤，其有机碳含量高于盐度大于15％的土壤[2]。

人类活动也是影响土壤有机碳储量的因素之一，具体包括退耕还林、围湖造田、过度放牧、植被破坏、湿地围垦、开荒耕作、水肥作用等一系列改变土地利用方式或人为干扰手段等。土地利用方式的改变直接关系到地表覆被情况，干扰了原本生态系统正常的物质循环过程，改变土壤有机碳输入来源及分解速率，显著影响底层土壤活性、土壤有机碳蓄积速度和总有机碳的储量[17]。其中，以围湖造田、开荒耕作、草地开垦为代表的土地利用方式不仅会干扰原生植被的演替过程，引起大量土壤有机碳流失，还会改变土壤环境，加速土壤有机碳的矿化过程，致使有机碳储量短时间内快速下降，造成土壤退化[2]。这主要是因为上述土地利用方式使得地表裸露，地被覆盖减少，仅靠农作物收获后残留部分和地下根系等向土壤中输入的有机碳非常少，主要依赖人工施加化肥和有机肥来增加土壤有机碳[18]。因此，农地土壤有机碳集中在土壤表层。由于农作物根系较弱，向下延伸能力较差，因此垂直方向上的土壤有机碳很大一部分来源于翻耕等农业活动引起的表层有机碳向下层输送。

放牧是草原的主要利用方式之一。研究表明，通常放牧样地的土壤有机碳含量明显较低，且土壤有机碳对放牧强度也具有不同响应。其中，轻度放牧会显著降低0 cm～20 cm土层的土壤有机碳含量；中度放牧会显著降低0 cm～30 cm土层有机质，包括氮、磷等；随放牧强度的增加，0 cm～10 cm土层的有机碳含量严重降低。就土壤有机碳含量的空间异质性来看，具体表现为中度放牧最大，轻度放牧次之，重度放牧再次之；空间分布的破碎程度则表现为中度放牧最大，重度放牧大于轻度放牧。中度放牧下的土壤有机碳含量具有强烈的空间相关性且异质性斑块呈破碎化分布[19]。这主要是因为过度放牧会导致草地初级生产力下降，引起土壤退化，从而导致土壤碳流失。

退耕还林还草、封山育林等对土壤有机碳固存具有积极意义。尤其是在土壤浅层0 cm～40 cm范围的贡献值较大。这主要是因为一方面林地土壤有机碳的来源较草地和农田丰富，地表凋落物、植物根系分泌物、动物残体及代谢物明显较多，使得表层土壤有机碳得到有效输入；另一方面，林地植物根系发达，水平延伸能力和向下扎根能力强，因此垂直方向上的土壤有机碳水平也较高。随着退耕还林还草、封山育林等一系列举措的推进，土壤有机碳固存得到明显增加，尤其是人工植被的种植，使得深层土壤有机碳储量得到提升。应当引起重视的是，不同的植物种类对土壤有机碳固存能力的影响差别很大，如在人工林中，核桃和侧柏对土壤有机碳固定具有积极作用，而刺槐则具有亏缺效应[20]，尤其是随着时间的推移，其根系生长所需养分也增多，远远超过归还土壤的有机碳。

2.3 生物因素

生物因素如地被凋落物、地上腐殖质、植物根系及其分泌物、土壤动物及微生物是土壤有机碳的外来输入源，对于土壤有机碳储存十分重要。植被类型决定了土壤有机碳的垂直分布格局[2]。一般来说，植物物种多样性越高，地上腐殖质越丰富，土壤有机碳来源越充分，且有利于土壤有机碳积累[21]。任玉连等（2019）对南滚河国家级自然保护区典型植被类型下土壤有机碳储量的研究表明，中山湿性常绿阔叶林土壤有机碳储量最高，半常绿季雨林次之，沟谷雨林则最低[6]。史婷婷等（2011）在香溪河流域对不同类型土壤的有机碳密度和碳库进行了研究，结果发现植被覆盖度越高，越利于有机碳的存储[22]。植物物种丰富度也会影响土壤有机碳周转速率，从而影响土壤有机碳储量。这主要是因为不同植被类型下土壤的固碳能力具有较大差别。植被类型直接关系着土壤有机碳储量输入源的净初级生产力、生态系统生产力、总初级生产力、生物量和残留物等；同时，不同类型的植被光合作用效率、光合产物的分配模式也有所差别；此外，不同类型植被产生的凋落物在土壤中分解速率差异较大，如植物的木质素对有机碳分解起阻碍作用，木质素含量较高的植物其自身分解速度较慢，也减缓了有机碳分解速度[2,18]。

土壤动物如蚂蚁、蚯蚓等的活动一方面可以疏松土壤，提高土壤孔隙度，降低土壤容重，从而有利于植物根系生长，加快土壤呼吸；另一方面，土壤动物的死亡会生成新的有机质，直接或间接地影响土壤中有机碳来源、碳库分配过程以及有机碳库的稳定性等。通过改变土壤的微环境，土壤动物对土壤碳储量的格局构建起到了重要作用[23]。

土壤中的有机碳储量是进入土壤中的植物残体量以及在土壤微生物作用下分解损失量的平衡结果。土壤微生物群落十分庞大，包括真菌、细菌、放线菌等，其主要作为分解者参与土壤有机碳分解转化过程。它对枯枝落叶输入的响应也因气候类型、植被类型和土壤酸碱度而存在差异。就不同气候类型来看，土壤微生物对枯落物输入的响应程度表现为亚热带季风气候区＞温带季风性气候＞温带大陆气候区的趋势；就不同植被类型来看，土壤微生物对枯落物输入的响应程度呈现出阔叶林＞草地≈混交林＞针叶林的趋势[24]。土壤微生物对土壤酸碱度环境也有一定的要求，pH值过高或过低均会抑制大部分微生物活动[2]；通气不良时，也不利于土壤微生物活动，从而减缓土壤有机碳的分解作用。

3 结语

土壤有机碳储量影响着土壤结构，关系着植被生长，对于全球碳循环意义重大。地形因素、物理化学因素和生物因素共同耦合，通过影响母质、改变土壤微环境、参与土壤有机碳分解转化过程而共同影响土壤有机碳储量。在今后的土地利用过程中，应充分考虑地形因素产生的母质基础和地理气候条件，合理调整植被类型以加强固碳能力；最大限度减少人为破坏，尽量避免翻耕引起土壤碳流失，增强土壤碳汇；加强生物多样性保护，严禁生态脆弱区放牧、耕作等。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.09.11

S153.62

A

2095-1205(2022)09-35-04

钱泽源（2001- ），女，汉族，江苏南京人，本科在读，研究方向为风景园林。