农业土壤碳库研究进展

那维宝,赵 诣,张震斌,王晓涵,吴佳美,郑博文,潘洪锋

农业土壤碳库研究进展

那维宝,赵 诣,张震斌,王晓涵,吴佳美,郑博文,潘洪锋

（辽宁工业大学 化学与环境工程学院辽宁 锦州 121001）

降低CO2排放对于生态环境与经济发展具有重要意义。农业土壤固碳具有较大的成本效益是缓解温室效应的主要途径。在“碳达峰、碳中和”战略背景下加强农业土壤碳库研究，重视土壤碳固存与碳排放，对于实现“双碳”目标亦有重要意义。主要从土壤碳库的存在形式、不同管理措施对农田土壤碳库的影响以及稳定碳同位素技术在农业土壤碳库研究中的应用三个方面对国内外的研究进行综述，旨在为进一步探究农业土壤固碳减排的有效措施提供重要的线索和依据。

土壤有机碳；CO2排放；土壤无机碳；13C

CO2是最重要的温室气体，其在大气中含量一旦超过标准就会导致温室效应，促使全球变暖。目前我国温室气体排放形势紧迫，降低CO2排放对于生态环境与经济发展具有重要意义。土壤碳库是地球表层系统中最大的碳库，其微小的变化都会对大气CO2浓度产生极大影响，进而影响全球气候[1]，每年由于土壤呼吸向大气中排放的碳可达60 Pg[2]。同时，土壤固碳具有较大的成本效益，是缓解温室效应的主要途径，鉴于农业土壤可通过人类管理进行调控，越来越多的学者期望通过提高农业土壤碳库含量来减缓气候变化[3]。在“双碳”背景下实现陆地碳汇、增加农业土壤固碳也是近年来环境领域的研究热点。

本文主要从土壤碳库的存在形式、不同管理措施对农田土壤碳库的影响以及稳定碳同位素技术在农业土壤碳库研究中的应用3个方面对国内外的研究进行综述，为本领域的进一步研究提供重要的线索和依据。

1 土壤碳库主要存在形式和重要性

土壤碳库是继海洋、岩石碳库之后的第3大碳库，也是地球表层系统中最大的碳库，总储量约为2 500 Pg，包括土壤有机碳库(1 550 Pg)与土壤无机碳库(950 Pg)[2]。

1.1 土壤有机碳库

土壤有机碳(SOC)是陆地生态系统中最为活跃的碳库[4]。SOC含量的多少严重影响着土壤的生产力及其稳定性[5]。SOC在涵养土壤水分、保证土壤肥力、维持作物高产、为植物和微生物提供养分和碳源、促进土壤团聚体形成，维持农业生态系统可持续发展等方面都起着至关重要的作用[6]。SOC分解损失不仅会引起大气CO2浓度的升高造成气候变化，同时也会降低土壤肥力，改变土壤通透性，降低土壤缓冲能力，进而对粮食生产安全等产生负面影响。影响SOC分解速率的因素很多，主要包括微生物种类与数量[7]，土壤结构与酸碱性[8]，以及温度、湿度等气候因素[9]。

根据SOC分解的难易程度及转化时间一般将其分为3个库[10]：(1)活性碳库，主要以微生物量碳、可矿化碳和溶解有机质为主，此碳库的有机碳与外源养分输入量紧密相关，具有分解速率快、周转期短等特点，但这一部分有机碳不能被土壤真正固定[11]；(2)慢性碳库(稳定有机碳库)，主要指颗粒有机物、碳水化合物、脂类等，这一部分有机碳被认为是土壤固定有机碳的主要碳库，其周转速率和分解速率都显著低于活性碳库[11]；(3)惰性碳库(极稳定有机碳库)主要为植物的木质素，多酚及被保护的多糖等。相比前两种碳库，惰性碳库中的有机碳分解速率和转化周期较长[12]。

根据土壤团聚体周转模型，SOC存在3种稳定机制：与微团聚体结合的物理保护型、与粉粘颗粒结合的化学稳定型以及与有机质本身化学成分有关的生化稳定型。基于这3种稳定机制，亦可将土壤有机碳库分为：非保护碳库、物理保护碳库、物理化学保护碳库和化学保护碳库等[13]。

1.2 土壤无机碳库

土壤无机碳(SIC)主要指土壤风化成土过程中形成的发生性碳酸盐矿物态碳，多分布在干旱区和半干旱区占地总面积约为4.9×107km2 [14]，其主要以碳酸钙(CaCO3)和碳酸镁(MgCO3)形式存在。相较SOC，SIC更为稳定，2000年前全球范围内SIC的研究较少，特别是对SIC动态变化知之甚少。然而，随着对土壤研究区域的扩大及所研究土壤类型的增加，一些学者发现SIC库对在全球碳固存中起着非常重要的作用[15]。SIC分解释放或固定CO2主要通过以下3个化学反应(1)、(2)和(3)，为简单起见，此处仅显示CaCO3：

SIC可分为来源于成土母质，未经过风化作用的原生碳酸盐(LIC)，以及由原生碳酸盐通过溶解作用或风化产物溶解再沉淀形成的次生碳酸盐(PIC)[16]。PIC形成机理较为复杂，但是有限深度中土壤水分运动和季节性土壤水分的高度蒸散是碳酸盐淀积形成的最基本原因，研究表明土壤水分和根系活力都较低时，碳酸盐沉积速率最大[17]。因此，PIC的形成过程通常包括3个阶段：土壤中形成富含碳酸盐溶液、碳酸盐溶液的移动、碳酸盐从溶液中沉淀[18]。研究表明，我国土壤次生碳酸盐碳库约为60 Pg，占全球无机碳碳库的1/20，每年截储CO2-C可达 1.5×106Mg[19]，对调节大气CO2具有重要意义。

2 不同管理措施对农田土壤碳库的影响

在农业生态系统中，人类可通过管理调控农田土壤质量、提高土壤肥力，从而实现蔬菜、粮食高产的目的。一般来说，良好的农田管理措施都会对土壤碳固存起到积极的作用，合理的农业管理措施每年可促进全球农业土壤碳库的储量提高0.4～0.9 Pg C[20]。然而不合理的施肥、灌溉方式不但会影响土壤质量、降低作物产量，同时也会引起土壤碳损失，造成大气CO2浓度升高等不良影响。

2.1 施肥对农田土壤碳库的影响

施肥是影响SOC固存的重要因素。在长期不施肥的农业生产条件下会导致土壤结构性变差、土壤碳含量下降，土壤供肥能力降低，作物产量下降[21]。不同施肥制度对不同土壤的影响各不相同，一些研究认为平衡施肥能够有效的增加SOC含量[22]，否则会造成SOC含量的降低；但也有研究指出在一些土壤上采用平衡施肥的方式会使SOC含量下降[23]。不同施肥方式对不同类型土壤的固碳作用影响不同。施加化肥会降低黑土的碳氮比，并加快有机碳的分解速率，不利于SOC固存[22]；但对于红壤、褐土的研究表明，长期施加化肥可明显提高SOC含量[24]。与施加化肥相比，单施有机肥或有机肥与化肥配施对于改善土壤质量、增加农田土壤碳固存、减少温室气体排放等方面有着积极的作用[25]。有机肥的施加能够增加SOC储量主要在于：(1)施肥不仅可以改变土壤的物理结构、改善土壤中速效养分状况[26]，还能够促进作物根系和植株的生长，促使更多的根系分泌物和作物残留物进入土壤[27]；(2)施加有机肥可以通过影响土壤微生物的数量和活性，从而对土壤有机质(SOM)的生物降解过程产生影响。合理施肥是保证SOC固存的重要因素，SOC含量并不会随着外源肥料的输入量的增加而呈现线性的增加。研究表明在土壤中有机碳含量较高时即使加倍施加外源肥料，SOC含量也不会有所增加甚至会出现下降趋势[28]。因此，合理施肥对SOC固存有积极作用，在给农民带来更大的经济利益的同时能够降低环境的污染风险，促进农业生态系统的可持续发展。

SIC对于不同肥料的响应也有所不同。研究表明，对于含有碳酸盐的土壤，SIC能有效地减缓施加N肥而导致的土壤酸化，N肥施入后碳酸性土壤所释放的CO2有一部分源于SOC的矿化分解，另一部分则来源于SIC的溶解[29]。施加大量的磷肥会抑制土壤碳酸钙的沉淀过程，但少量施加则不会对SIC产生显著影响[30]。对农田生态系统中施用氮、磷肥过程中SIC含量变化的研究表明，耕层土壤中碳酸盐的含量随着施肥量的增加而降低；而对于耕层以下的土壤，碳酸盐含量在不施肥的情况下最高，中等化肥施用水平下最低，大约减少了40%[31]。碱性土壤中施用有机物、石膏、硝酸钾等能够促进SIC含量增加[32]，酸性化肥(如氨、硫肥)的施用则容易引起SIC的减少。有机肥对SIC的影响表现在：(1)有机肥提供了微生物生长所需的碳源和氮源，促进了土壤中微生物的呼吸作用；(2)施加有机肥可以促进SOC与SIC之间的转化[29]；(3)有机肥含有较高的腐殖质，土壤中的粘粒组分更易与腐殖质结合形成土壤团聚体[2]，而土壤团聚体的增加将间接影响土壤水的运动、养分循环、根系渗透等，而这些因素均会影响SIC的溶解与淋溶。

2.2 灌溉对农田土壤碳库的影响

灌溉是重要农田管理措施之一，尤其在干旱、半干旱地区，灌溉是保证粮食、蔬菜产量稳定的重要手段。不同的灌溉方式下土壤的水分含量及其分布均显著不同，相应地对农田SOM分解，土壤的CO2排放、吸收强度等产生不同的影响[33]。灌溉通过降低土壤水分限制、影响微生物活动、影响土壤盐分的淋溶等因素进而影响SOC的储量变化及其空间分布。灌溉量及方式对SOC的影响取决于该地区的气候条件，例如在美国干旱、半干旱地区农田土壤经过55年的灌溉处理，10～25 cm 土层SOC含量约增加了133%[34]。然而，在湿润地区，SOC含量则随着灌溉量增加显著降低[35]。不同土壤类型对灌溉的响应也有所不同，比如在相同灌溉、耕作下，风沙土、潮土、灌淤土中SOC含量呈现不同程度的增加[36]，而在灰钙土、新积土中SOC含量的变化并不显著[36]。不同灌溉方式对土壤碳库的影响也有所不同，有研究表明在种植冬小麦的农田生态系统中，滴灌处理下SOC含量比漫灌高出15.4%，而碳排放量却比漫灌少3.9%，相较漫灌，滴灌处理更有利于土壤碳固存[37]。然而也有人提出滴灌可有效提高土壤中活性有机碳组分所占的比例，而沟灌则促进了土壤中稳定性有机碳比例的增加更有利于SOC的积累[38]。

灌溉对SIC的影响则主要体现在两方面，一方面灌溉水可以提供PIC形成所必须的Ca2+、Mg2+、HCO3-，因此，在一定条件下灌溉可以促进SIC的形成，有研究表明美国西部干旱地区的农田土壤，经过30年的灌溉处理后，0～100 cm土层中SIC含量显著增加[39]。另一方面，由于灌溉会直接影响地表水的移动，土壤水中所溶解的Ca2+、Mg2+、HCO3-也会随之移动从而导致碳酸盐在土壤剖面中的再次分布[40]。大量的灌溉会引起Ca2+、Mg2+、HCO3等离子的淋溶，导致SIC在土壤表层减少，下层累积[41]，而Ca2+、Mg2+淋溶严重时则会进入地下水，引起水污染。

2.3 耕作制度对土壤碳库的影响

耕作是农田生态系统的基础，不同的耕作措施通过对土壤的扰动以及作物残体的影响而对土壤结构、含水率、土壤肥力产生影响[42]。国内外大量的研究表明，相对于其他传统耕作措施，免耕显著地增加了SOC含量，对土壤碳固存有积极作用[43]。相较于翻耕和旋耕，免耕和休耕减少了土壤的扰动，降低了耕作过程中对土壤团聚体的破坏，从而促进土壤有机物的形成积累[44]。另一方面，翻耕和旋耕增加了土壤通透性，对土壤微生物活动起到一定的促进作用，土壤中被破坏的土壤团聚体中所包含的有机物质更容易被微生物分解，从而加速了SOC的分解和土壤CO2的排放量[45]。同样，浅耕比深耕更容易促进土壤碳的积累[42]。

秸秆还田与耕作方式配合实施是比较常见的耕作制度。大量研究表明，秸秆还田有利于增加土壤水分，保持土壤肥力[46]，增加土壤碳含量[47]。秸秆还田直接将作物所固定的碳返还于农田，既增加了农田土壤的生物碳输入又减少了秸秆燃烧所产生的大气污染[48]。秸秆还田有助于减少土壤侵蚀，保持团粒结构的稳定，促进SOC形成[49]。有研究表明，在其他因素相同的条件下对于有机碳含量相对较低的土壤，其SOC含量随着秸秆还田量的增加而呈现线性增长[50]。Lenka和Lal进行了为期15年的长期定位实验，他们的研究证明了当秸秆还田量由8 Mg ha-1y-1增加1倍时，表层SOC的含量会提高58%[51]。此外，相较于将秸秆粉碎后还田的方式，秸秆的整体还田方式下SOC增加量更为显著[52]。总体来说秸秆还田与免耕结合是增加土壤碳含量最有利的方式[53]。

3 稳定碳同位素技术在农业土壤碳库研究中的应用

稳定同位素技术是研究农业土壤碳库动态变化的有效方法，同时也是揭示有机物料中的碳向土壤碳库转化数量和过程的重要工具[54]。相较于放射性同位素14C，稳定同位素13C具有无放射性、安全、无污染等优点，在土壤学的研究中被广泛应用，是一种研究SOC周转较为可靠的技术手段。稳定同位素13C在土壤碳库中的研究主要集中在2个方面：

(1)土壤碳的来源与分解。自然界中因为光合作用的途径不同，分为C3植物、C4植物和CAM植物。植物光合作用类型影响稳定碳同位素分馏模式，从而导致不同类型植物的δ13C产生明显差异：C3植物、C4植物和CAM植物的δ13C值变化范围分别为：－32‰～－22‰(平均值为－27‰)、－17‰～－9‰(平均值为－12‰)和－23‰～－10‰(平均值为－17‰)[55]。此外，SOC与SIC的δ13C也有显著性差异，可以利用稳定同位素13C估算土壤中SIC含量。因此，稳定性同位素13C与其它方法相比的一个独特优势就是13C可根据不同来源的碳具有不同的δ13C，从而定量化分析土壤及其组分中不同来源有机碳的比例和数量，例如Kuzyakov和Bol根据C3和C4植物具有不同的δ13C，对土壤中所排放的CO2的3种来源进行了区分[56]；赵诣等则通过培养实验证明了，相较于C3植物，来源于C4植物的有机碳具有更快的分解速率[57]。

(2)研究有机物质分解过程及SOC的周转速率。运用碳稳定同位素示踪技术研究外源SOM的分解过程以及SOC的动态变化过程也是国内外学者常用的方法[58]。土壤团聚体是土壤结构的重要物质基础和肥力的重要载体，SOM和土壤团聚体结构之间的相互作用决定了土壤有机碳库的数量[59]。利用稳定同位素13C示踪技术研究土壤碳循环和土壤团聚体的固碳作用是近些年的热点问题[60]。

4 结论与展望

提高土壤肥力，服务于粮食、蔬菜安全生产的同时通过增加农业土壤的固碳效率以减缓气候变化，是环境领域研究热点也是国内外专家的共同目标。探究增加农业土壤固碳方式不仅需要对常规农田进行系列研究，未来也需要对不同生产体系进行综合分析比较，从而了解不同生产体系土壤的固碳效率及其分布规律。此外，为综合考虑不同管理措施下土壤的碳源、碳汇状态，在分析生态系统中有机碳固存的同时，土壤无机碳的溶解与形成也应给予同样的重视。

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Research Progress of Agricultural Soil Carbon Pool

NA Wei-bao, ZHAO Yi, ZHANG Zhen-bin, WANG Xiao-han, WU Jia-mei, ZHENG Bo-wen, PAN Hong-feng

（School of Chemistry and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

Reduction of CO2emission is of great significance to our ecological environment and economic development. Agricultural soil carbon sequestration has significant cost-effectiveness and is the main way to alleviate the greenhouse effect. It is also of great significance to strengthen the research on agricultural soil carbon pool, and to attach importance to soil carbon sequestration and emission for the realization of the goal of “carbon peak and carbon neutrality”. The existing form of soil carbon pool, the influence of different management measures on farmland soil carbon pool and the application of stable carbon isotope technology to the study of agricultural soil carbon pool were reviewed to provide important clues and basis for further research on effective measures of carbon sequestration and emission reduction in agricultural soil.

soil organic carbon; CO2emission; soil inorganic carbon;13C

10.15916/j.issn1674-3261.2023.05.008

S153.6

A

1674-3261(2023)05-0319-06

2023-02-27

辽宁省教育厅科学研究面上项目(LJKZ0616)；辽宁工业大学大学生创新创业训练计划项目(202110154009)

那维宝(2001-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，本科生。

赵 诣(1990-)，女，辽宁锦州人，讲师，博士。

责任编辑：孙 晶