土壤活性有機(jī)碳的研究進(jìn)展1）

鄭 紅

（東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040）

陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)占全球碳收支的主導(dǎo)地位。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心，是連接大氣圈、水圈、生物圈以及巖石圈的紐帶，因此，了解土壤碳循環(huán)是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的必要前提。土壤碳庫根據(jù)功能的不同，即不同周轉(zhuǎn)時(shí)間、化學(xué)屬性和庫的大小對土壤有機(jī)碳庫進(jìn)行劃分，將土壤碳庫分為活性庫（active pool）、慢性庫（intermediate or slow pool）和惰性庫（passive or inertpool）[1]。土壤活性有機(jī)碳是指土壤中移動快、穩(wěn)定性差、易氧化、礦化，并對植物和土壤微生物活性較高的那部分有機(jī)態(tài)碳[2]，雖然它只占土壤有機(jī)碳總量的較小部分，但由于它可以在土壤全碳變化之前反映土壤微小的變化，又直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，同時(shí)，也是土壤微生物活動能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動力[3]。這已成為土壤、環(huán)境和生態(tài)科學(xué)領(lǐng)域?qū)ν寥捞己宛B(yǎng)分循環(huán)方面所關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)之一。

目前，土壤活性有機(jī)碳根據(jù)其測定方法和所指有機(jī)碳的組分不同而表述為水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、輕組有機(jī)碳和易氧化活性有機(jī)碳。它們都可以在不同程度上反映土壤有機(jī)碳的有效性和土壤質(zhì)量[4]。以及有機(jī)碳的組分和全碳的比值均是反映土壤碳庫的重要指標(biāo)，可以指示土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性、有效性和水溶性，對評價(jià)土壤有機(jī)質(zhì)和土壤質(zhì)量變化特征具有重要的意義。

1 活性有機(jī)碳組分

土壤有機(jī)碳不同組分對土地利用變化的響應(yīng)和敏感度不同，其中土壤活性有機(jī)碳最活躍、周轉(zhuǎn)最快、對土地利用變化最敏感，易被生物直接利用。這些組分是土壤有機(jī)質(zhì)中對物理或化學(xué)等干擾因素反應(yīng)最敏感的部分，也是養(yǎng)分循環(huán)中具有重要作用的部分[5]。在營養(yǎng)元素的地球生物化學(xué)過程、微生物的生長代謝過程、土壤有機(jī)質(zhì)分解過程等有著重要的作用。另外，這些組分在沒有被分解完之前，對土壤結(jié)構(gòu)臨時(shí)起穩(wěn)定作用。綜合國內(nèi)近年的文獻(xiàn)來看，較常用的表征土壤活性碳的指標(biāo)為水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、輕組有機(jī)碳和易氧化活性有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳。

土壤微生物量碳是土壤中體積＜5～105μm3活的細(xì)菌、真菌、藻類和土壤微動物體內(nèi)所含的碳，是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍和最易變化的部分。土壤微生物量碳對耕作、施肥和利用等措施對土壤質(zhì)量影響的反應(yīng)非常敏感而且綜合性強(qiáng)，還可反映土壤污染的程度。土壤微生物體碳所反映的土壤質(zhì)量被稱作土壤的生物學(xué)質(zhì)量。它們也是土壤微生物活動能源和土壤養(yǎng)分的驅(qū)動力，土壤微生物量碳以敏感指示土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化，對土壤碳氮磷等養(yǎng)分循環(huán)具有重要的意義。因此，它們是評價(jià)土壤碳庫平衡和土壤化學(xué)、生物化學(xué)肥力保持的重要指標(biāo)。

溶解性有機(jī)碳（DOC）是指可以通過0.45μm孔徑濾膜的大小和結(jié)構(gòu)不同有機(jī)分子連續(xù)的統(tǒng)一體[6]，主要指能夠溶于水、酸或堿溶液中的有機(jī)碳。溶解性有機(jī)碳是聯(lián)系陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)中的一種重要的、很活躍的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)。土壤中溶解性有機(jī)碳主要包括溶解在土壤溶液中不同種類的低分子量有機(jī)碳和以膠體狀懸浮于土壤溶液中的大分子量有機(jī)碳，它們對調(diào)節(jié)陽離子淋洗、金屬溶解、礦物風(fēng)化及酸性陰離子的吸附－解吸具有重要作用。主要存在于土壤腐殖質(zhì)酸性部分，其35%～47%存在于胡敏酸中。它既能影響環(huán)境的酸堿特性，也影響營養(yǎng)物質(zhì)的有效性、污染物質(zhì)的毒性及其遷移特性，對土壤中碳、氮、磷的生物地質(zhì)化學(xué)循環(huán)以及對成土過程都有重要作用。DOC的淋失是土壤有機(jī)碳損失的重要途徑，所以溶解性有機(jī)碳的分析測定對開展土壤養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化、土壤有機(jī)質(zhì)的生態(tài)化學(xué)過程和環(huán)境污染方面的研究都具有現(xiàn)實(shí)意義。

易氧化碳是能被333mmol／L的高錳酸鉀氧化的有機(jī)碳，它在種植作物時(shí)變化最大[7]。這部分碳素在一定的時(shí)空條件下，受植物、微生物影響強(qiáng)烈、具有一定溶解性，在土壤中移動較快、不穩(wěn)定、易被氧化分解[2]。對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)來說，土壤碳庫容量的變化主要發(fā)生在土壤易氧化有機(jī)碳庫中，所以認(rèn)為這一活性指標(biāo)對衡量土壤有機(jī)質(zhì)的敏感性要優(yōu)于其它農(nóng)業(yè)變量，可以指示土壤有機(jī)質(zhì)的初期變化。通過動力學(xué)研究指出，土壤有機(jī)質(zhì)的短暫波動主要發(fā)生在易氧化、分解部分，并選擇易氧化碳、可礦化的碳及微生物量碳作為土壤活性有機(jī)碳的指示因子。

輕組有機(jī)碳指土壤中相對密度小于2.0g／cm3的組分[8]。一般認(rèn)為，輕組是指土壤經(jīng)過一定程度的分散或甚至完全的分散之后在一定密度（常用密度為1.2～2.0g／cm3）液體中用浮選法分離得到的有機(jī)物質(zhì)，主要包括處于不同分解階段的植物殘?bào)w、小的動物和微生物，具有較高的周轉(zhuǎn)速率、相對高的C／N比和相對密度顯著低于土壤礦物。主要是游離態(tài)的有機(jī)質(zhì)，含有76%～96%的活性有機(jī)質(zhì)。輕組有機(jī)碳的變化可以指示土壤肥力的變化，與土壤呼吸速率、土壤礦化碳、微生物量氮等呈顯著正相關(guān)，潛在生物活性較高，能體現(xiàn)土壤碳的活性。輕組有機(jī)質(zhì)對土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)十分重要，是植物養(yǎng)分的短期儲存庫。輕組有機(jī)質(zhì)（LFOM）是按照密度法分離出來的，其大小和組成具有季節(jié)性波動，主要取決于有機(jī)物的輸入和分解速率，其分解碎屑對水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成具有重要作用。運(yùn)用該指標(biāo)從事土壤有機(jī)質(zhì)與肥力間的相關(guān)研究是很有意義的。

土壤中顆粒有機(jī)碳是指土壤中與砂粒結(jié)合的有機(jī)碳（粒徑53～2000μm），并進(jìn)一步可能結(jié)合在土壤大團(tuán)聚體與微團(tuán)聚體中，這類有機(jī)碳組分是動植物殘?bào)w向土壤腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的活性中間產(chǎn)物和一類腐殖化程度較低、但活性較高的有機(jī)碳庫、易解的碳庫，許多研究證明易分解土壤有機(jī)質(zhì)如果在分子或團(tuán)聚體水平上被結(jié)合在土壤團(tuán)聚體內(nèi)部則會分解受阻而變成非活性部分。其結(jié)構(gòu)和組成與輕組有機(jī)碳相同，性質(zhì)相似，與輕組有機(jī)碳間有很高的相關(guān)性，在土壤碳氮硫循環(huán)中有著重要的作用[9]。

2 土壤活性有機(jī)碳的主要影響因素

土壤中碳庫含碳量主要與土壤溫度、土壤水分、蒸發(fā)量以及它們的季節(jié)變化有關(guān)。這些因素直接影響著植被的生產(chǎn)力，即影響土壤系統(tǒng)碳的輸入量，也影響著土壤生物活動，從而影響碳的輸出量。如廣大的凍原地區(qū)，生物生產(chǎn)量雖然很低，但由于寒冷分解受到限制，其土壤含碳密度最高；其次是沼澤、濕地等生態(tài)系統(tǒng)，因水分過多限制了分解。在自然因素條件中，氣候因素是一個(gè)重要的因素，氣候影響著水熱條件。全球大氣溫度、降水及其地理分布情況的任何變化，都會對陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。氣候一方面制約著森林植被類型，影響植被的生產(chǎn)力，從而決定輸入土壤有機(jī)碳（SOC）的總量；另一方面，從土壤SOC的輸出過程來說，氣候條件的變化，影響微生物對土壤有機(jī)碳的分解和轉(zhuǎn)化。

2.1 水分和濕度

水溶性有機(jī)碳的淋失是土壤有機(jī)碳損失的重要途徑。對森林土壤來說，隨著淋溶過程次數(shù)的增多，土壤中淋洗出來的水溶性有機(jī)碳（WSOC）的總量增加；隨著溫度的升高，土壤中淋洗出的 WSOC的量也增加。凍融過程和淹水處理能增加土壤中WSOC的淋溶損失，淋溶物主要是低分子量的有機(jī)質(zhì)中，表明凍融過程和淹水處理都能夠增加土壤中的WSOC含量。降雨量特別少的年份采集的土壤樣品中，水溶性有機(jī)碳（WSOC）的含量比其它年份有顯著的增加（增加約33%），增加幅度的效果與每年施N 175kg／hm2的有機(jī)肥料相當(dāng)。干樣與濕樣相比，干樣中測得的土壤活性有機(jī)碳含量要低的多。但是風(fēng)干和烘干均可使土壤活性有機(jī)碳濃度增加，并且烘干的大于風(fēng)干的。因此，干濕交替土壤中WSOC的增加的來源，不僅僅是土壤微生物。土壤小孔隙中的有機(jī)碳也可能由于干濕交替而釋放。短期培養(yǎng)條件下CO2濃度升高及干旱脅迫下土壤有機(jī)碳的變化不大；相比較之下，不同土壤濕度，土壤活性有機(jī)碳含量發(fā)生變異的幅度因CO2濃度升高而降低[10]。

2.2 溫度和季節(jié)

在4℃下冷凍時(shí)，對活性有機(jī)碳濃度無影響，與新鮮樣品中濃度一致。低溫、水分過高和過低造成的缺氧都會限制微生物的活動，使土壤有機(jī)C、水溶性有機(jī)碳積累含量較高，土壤有機(jī)質(zhì)分解的最適溫度是25～55℃。土壤溶液中活性有機(jī)碳的季節(jié)變異十分強(qiáng)烈，無論是針葉林還是闊葉林；無論是根圈土還是非根圈土溶液中活性有機(jī)碳平均含量均高于25℃水溶性有機(jī)碳含量。含量呈遞增順序：夏季＜春季＜秋季＝冬季[11]。對常綠闊葉林、馬尾松林和杉木林三類森林在25℃和100℃進(jìn)行對比，順序：綠闊葉林＞杉木林＞馬尾松林最低，其中三類森林100℃水溶性有機(jī)碳含量均高于25℃水溶性有機(jī)碳含量。在小麥?zhǔn)斋@季節(jié)，小麥根圈土的水溶性有機(jī)碳下降，但其根圈土的碳水化合物和易氧化碳隨植物逐漸成熟而增加，微生物有機(jī)碳在開花期達(dá)到了最高峰，隨后逐漸下降的趨勢[12]。從森林生態(tài)系統(tǒng)土壤活性有機(jī)碳季節(jié)動態(tài)變化來看，不同類型的植被下，土壤易氧化有機(jī)碳（EOC）含量的季節(jié)變化在土層（0～10cm、10～20cm）均未達(dá)到顯著水平；而土壤微生物碳（SMBC）與水溶性碳（WSOC）都隨季節(jié)有明顯的增大趨勢[13]。

2.3 土地利用方式變化

不同土地利用類型、方式下的土壤有機(jī)碳是土壤及養(yǎng)分循環(huán)研究中的重點(diǎn)內(nèi)容之一。土壤活性有機(jī)碳含量比有機(jī)碳含量對土地經(jīng)營更敏感，土地利用方式的不同或利用方式的改變通常引起有機(jī)質(zhì)的輸入量及土壤中有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)速率變化，從而影響土壤中水溶性有機(jī)碳的含量。土壤活性有機(jī)碳、輕組有機(jī)碳和土壤團(tuán)聚體對土地利用變化的敏感性不同。

隨著常綠闊葉林被改造為其它土地利用類型后，土壤微生物量碳含量也隨著顯著降低。如土壤微生物量碳含量從高到低依次為：栲樹林＞木荷林＞灌叢＞茶園＞馬尾松林＞杉木林＞金錢松林＞毛竹林＞裸地。主要由于人類干擾極大，使碳源輸入極大減少，也對土壤質(zhì)地和土壤生物群落造成嚴(yán)重破壞，從而使裸地土壤微生物量碳含量比栲樹林、木荷林、灌叢和人工林都低[14]，研究原始冷杉林和由原始林轉(zhuǎn)化成的45年云杉人工林、25年云杉人工林和菜地等4種土地利用類型，土地利用變化明顯影響土壤活性有機(jī)碳組分的含量，其中微生物量碳和水溶性有機(jī)碳的變化趨勢為原始冷杉林＞45年云杉人工林＞25年云杉人工林＞菜地，易氧化有機(jī)碳的變化趨勢則為45年齡云杉人工林＞原始冷杉[22]，常綠闊葉林、馬尾松林和杉木林三類森林土壤從表層（0～20cm）到底層（60～80cm）水溶性有機(jī)碳含量總體上呈現(xiàn)下降趨勢，但20～40cm至40～60cm土層，下降量不大，甚至馬尾松林還有增加。三類林分根區(qū)土壤水溶性有機(jī)碳含量均極顯著高于非根區(qū)土壤。根區(qū)土壤水溶性有機(jī)碳含量：常綠闊葉林＞馬尾松林＞杉木林[15]。在落葉林生態(tài)系統(tǒng)中可溶性有機(jī)碳含量的增加，主要是源于上層的森林覆被層在不同土地利用類型土壤0～40cm活性有機(jī)碳含量，土壤微生物量碳、溶解性有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳的分配比例隨土層加深而下降，但溶解性有機(jī)碳的分配比例變化趨勢相反[16]。說明不同地區(qū)由于植被類型的復(fù)雜性，研究結(jié)果常不一致，這其中和地上森林植被的生物歸還能力有較大關(guān)系。由于森林土壤水溶性有機(jī)質(zhì)主要來源于枯枝落葉、根系分泌物和土壤有機(jī)質(zhì)，水溶性有機(jī)碳與土壤總有機(jī)質(zhì)碳常又處于動態(tài)平衡之中，可以在一定條件下相互轉(zhuǎn)化，因而土壤總有機(jī)碳高的土壤，水溶性有機(jī)碳含量也常常較高[17]。

當(dāng)森林生態(tài)系統(tǒng)改為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（玉米）后，隨著玉米種植年限的增加，表層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢，而土壤水溶性有機(jī)碳（DOC）含量卻反而增加。森林全伐后種植玉米的土壤DOC含量及性質(zhì)變化[12]。種植初期，由于有機(jī)質(zhì)的礦化作用加強(qiáng)，土壤DOC含量增加了2.5倍，然而當(dāng)土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定后，土壤DOC含量則隨著耕作時(shí)間的延續(xù)而呈下降趨勢。森林采伐后林下土壤溶解性有機(jī)碳含量有所上升，也有相反的結(jié)果：兩者輪作（每作2～5年）時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)含量幾乎不變，但土壤DOC含量牧草期高于玉米期[18]。六盤山林區(qū)天然次生林、農(nóng)田、草地和人工林土壤活性有機(jī)碳含量和分配比例隨天然次生林變成農(nóng)田或草地而降低，隨農(nóng)田或草地中造林而增加，且土壤活性有機(jī)碳含量的變化幅度比分配比例大[19]。亞熱帶山地紅壤內(nèi)林地開墾為農(nóng)業(yè)用地會導(dǎo)致富含碳的土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量大幅度下降，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也隨之下降[20]。由于不同土地利用方式的土壤大團(tuán)聚體呈現(xiàn)粒徑越大，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量越高的趨勢，林地不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量都顯著高于農(nóng)業(yè)用地。土壤總有機(jī)碳增加主要受到大團(tuán)聚體有機(jī)碳增加的影響。為保護(hù)天然常綠闊葉林、選擇適宜的更新樹種和天然常綠闊葉林人工更新后林地土壤的管理提供科學(xué)依據(jù)，也為退耕還林中樹種的選擇提供參考[21]。

集約經(jīng)營竹林，土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率0～20cm、20～40cm土層均顯著低于粗放經(jīng)營竹林，集約經(jīng)營后毛竹林不僅減少了土壤水溶性有機(jī)碳數(shù)量，同時(shí)，水溶性有機(jī)物分子量也明顯變小。而毛竹集約經(jīng)營后土壤的礦化態(tài)碳顯著上升，數(shù)量與占總有機(jī)碳比例均顯著高于粗放經(jīng)營竹林土壤。這是由于長期耕作和施化肥可造成礦化態(tài)碳數(shù)量增加而穩(wěn)定態(tài)碳減少[22]。集約經(jīng)營5a、10a和20a的板栗林，表層土壤微生物量碳、土壤水溶性有機(jī)碳平均含量與灌木林相比都有顯著下降，板栗林集約經(jīng)營初期（5a），土壤微生物量碳占總有機(jī)碳比率與灌木林無顯著差異，到集約經(jīng)營10a后，比率呈顯著下降趨勢。水溶性碳占總有機(jī)碳比率灌木林和集約經(jīng)營板栗林間，隨著集約經(jīng)營歷史延長，比率沒有明顯變化[23]。雷竹土壤微生物生物量碳出現(xiàn)了明顯下降的趨勢，比馬尾松和板栗林都低，隨著覆蓋年份增加土壤活性碳含量也明顯增加，但穩(wěn)定態(tài)碳沒有明顯的變化規(guī)律。雷竹園冬季覆蓋物補(bǔ)充了土壤水溶性有機(jī)碳的庫源，使土壤上升，覆蓋年份增加，土壤水溶性有機(jī)碳增加了[24]。

3 結(jié)語

土壤活性有機(jī)碳對理解有機(jī)物質(zhì)分解、礦化潛能、養(yǎng)分循環(huán)變化以及土壤結(jié)構(gòu)的生物物理控制有重要作用，其研究成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳移的熱點(diǎn)問題。目前對于土壤有機(jī)碳庫的動態(tài)變化過程和數(shù)量的研究，仍然存在大量的不確定性因素，盡管關(guān)于土壤活性有機(jī)碳的影響因素已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但這些研究諸多僅是定性上的闡述，或只考慮局部影響因素，從而制約著對土壤活性有機(jī)碳動態(tài)過程以及源匯的深入理解，制約著碳收支系統(tǒng)、準(zhǔn)確的評估。因此，預(yù)測未來土壤活性有機(jī)碳值得深入研究的重點(diǎn)問題為：①土壤活性有機(jī)碳的組分應(yīng)該準(zhǔn)確化對其過程與狀態(tài)進(jìn)行定量描述。進(jìn)一步完善土壤活性有機(jī)碳的測定方法；使其規(guī)范化、系統(tǒng)化，加強(qiáng)方法間的可比性和依據(jù)性；②應(yīng)用先進(jìn)儀器（如紅外光譜、核磁共振和同位素示蹤等）精確研究其形態(tài)和結(jié)構(gòu)；③主要是從土壤活性有機(jī)碳貯量的飽和性、穩(wěn)定性、歸因及其時(shí)空尺度（temporaland spatial scales）異質(zhì)性等方面綜合研究土壤有機(jī)碳貯量及其變化特征，提出更切合實(shí)際的土壤活性有機(jī)碳內(nèi)循環(huán)模型，弄清影響土壤有機(jī)碳貯量與影響各因素間的響應(yīng)及其反饋?zhàn)饔茫虎苤匾曂寥阑钚杂袡C(jī)碳的非根際與根際區(qū)對比效應(yīng)的研究；⑤加強(qiáng)土壤活性有機(jī)碳、土壤養(yǎng)分循環(huán)、氮沉降的影響與可持續(xù)發(fā)展適用性研究；⑥加強(qiáng)土壤活性有機(jī)碳與水體富營養(yǎng)化、溫室氣體排放等綜合關(guān)系的研究；⑦固有的模型不能有效地反映其綜合因素對土壤活性有機(jī)碳產(chǎn)生的影響動態(tài)模型，難以反映土壤活性有機(jī)碳變化內(nèi)在機(jī)理過程及其對環(huán)境響應(yīng)的關(guān)鍵問題。⑧各粒級土壤團(tuán)聚體中土壤活性有機(jī)碳的變化都會影響其性質(zhì)和穩(wěn)定性，其內(nèi)在土壤活性有機(jī)碳的分解與積累也會對全球氣候變化和碳循環(huán)產(chǎn)生影響。預(yù)計(jì)對土壤團(tuán)聚體中土壤活性有機(jī)碳的機(jī)理、組分、周轉(zhuǎn)的研究將是未來研究的重點(diǎn)。

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