植煙土壤有機碳庫修復的研究進展

代曉燕，張 芊，劉國順，王建安

（河南農業大學煙草學院，鄭州 450002）

煙草是我國重要的經濟作物，煙葉品質與生態、品種、栽培等條件密切相關，其中土壤肥力條件是直接影響到煙葉產量和質量的重要生態因子。土壤有機質表征土壤肥力的變化，其含量高低影響到土壤的物理、化學以及生物學特性，是土壤質量優劣的重要反映指標[1]。土壤有機質中的碳即為有機碳（SOC），它的變化與煙葉產量和質量風格特色密切相關。對皖南4種主要植煙土壤類型的微生物量碳含量與煙葉風格特色關系研究表明，皖南焦甜香氣風格表現較好的烤煙比較集中地產自微生物生物量碳在350～380 mg/kg的土壤中[2]。因此，研究土壤有機碳含量的變化對煙葉的生產具有重要的意義。

受氣候條件、農業管理和土地利用不合理等因素的影響，土壤有機質和養分的貧瘠化現象相當普遍，而土壤有機碳的數量和質量在很大程度上與維持和提高土壤肥力密切相關。因此，土壤有機碳庫水平已成為我國眾多植煙區土壤生產力的限制性因子。本文綜述了植煙土壤碳庫組成、儲量以及固定與平衡，分析了造成植煙土壤有機碳損失的主要因素，并指出了植煙土壤有機碳庫修復與改良的措施，以期為優化管理我國植煙區土壤有機碳庫、提高土壤生產力和保持煙葉生產的可持續發展提供科學依據。

1 植煙土壤碳庫的組成

作為陸地生態系統中儲量最大的碳庫，土壤碳庫總量約為大氣碳庫的 3.3倍[3]，主要是由有機碳庫和無機碳庫兩部分組成。其中土壤有機碳以固體形態、生物形態和溶解態存在于土壤中，包括動植物殘體、腐殖質、微生物及各級代謝產物等含碳化合物，無機碳庫則包括土壤溶液中HCO3-、土壤空氣中CO2及土壤中淀積的CaCO3，后者多以結核狀、菌絲狀存在于土壤剖面。據研究，全球 0～100 cm深度土壤碳庫儲量約為2400 Pg，其中土壤有機碳庫儲量約為1500 Pg，無機碳庫儲量約為835 Pg[4]。因此，土壤有機碳庫在土壤總碳庫中占有重要的地位，也是陸地生態系統最活躍的碳庫。

1.1 土壤有機碳的組成

按有機碳在土壤結構中的分布和功能劃分，可將土壤有機碳分為游離態和閉蓄態顆粒有機碳、礦物結合態有機碳及可溶性有機碳。通常情況下，將土壤有機碳庫根據其具有的物理、化學及生物學特性進行劃分，又分為輕組有機碳、重組有機碳、可溶性有機碳、微生物量碳及顆粒狀有機碳。其中各有機碳組分在土壤總有機碳中所占比例明顯不同，如可溶性有機碳只占0.2%～2.5%，微生物生物量碳約占2%～5%，而輕組有機碳占5%～35%，微粒態有機碳則可占到15%～45%[5]。因分解轉化速率快，而且對外界環境條件和土地利用管理措施等反應較為敏感，又把可溶性有機碳、微生物量碳和輕組有機碳組分作為有機碳庫的活性組分[6]。通常自然土壤有機碳庫的背景值較高，難以觀測出短期內的輕微變化，活性有機碳組分含量的變化常常被用來指示有機碳庫的變化[7-9]。

植煙土壤有機碳庫的組成與農田土壤有機碳庫的組成相似[10]，但有其自身特點，特別是煙草長期連作后根系分泌物質對土壤有機碳庫的循環有重要的影響作用。研究表明，煙田長期連作后根系分泌物質增加，如有機酸類的苯甲酸、酚酸、對羥基苯甲酸等，它們多屬化感自毒物質，這些化感物質除對烤煙幼苗有較強的抑制作用外，在植煙根際土壤中大量存在還會增加斯氏小小梨形菌、普氏立克次氏體、多形鏈球菌等病原菌的數量，而減少與碳元素循環相關的 Braphyrobacter tepidarius、Blastomonas natatoria等細菌的數量，從而影響植煙土壤的有機碳含量[11-12]。

1.2 土壤有機碳的儲量

土壤有機碳的儲量與外來有機物料的輸入量、當季作物殘茬量和土壤有機碳分解速度密切相關。國外對土壤有機碳儲量的估算較早，因土壤有機碳主要分布在土壤上層1 m深度以內，其估算結果大都是根據1 m深度以內有機碳含量得出的[13]。最早是根據美國的9個土壤剖面的碳含量，推算出全球土壤有機碳庫的儲量約為710 Gt[3]（其中1 Gt =109 t = 1015 g = 1 Pg）。隨著統計方法和3S技術在土壤有機碳庫儲量估算中的逐漸應用，1982年重新估計全球SOC庫儲量為2200 Gt和1500 Gt（土層深度為1 m），按經緯度劃分世界土壤圖后，通過基本的網格單元計算出來的全球1 m深土層的有機碳儲量約為1462～1548 Gt[14-15]。目前，普遍認可和引用的全球土壤有機碳儲量為1400～1500 Gt。

因研究手段的差異性，對我國土壤有機碳儲量的估算結果并不相同。其中潘根興[17]根據第二次土壤普查數據及中國土種資料估算認為：我國土壤總有機碳庫是加拿大土壤碳庫的27%，相當于全球碳庫的1/40～1/30，約為50 Pg。而第236次香山會議專家把我國土壤總有機碳儲量默認為90 Pg[18]。我國土壤有機碳庫存在地區分布差異性，其中高值地區主要分布在我國東北和西北，土壤總面積約占全國面積的41%，土壤有機碳總量約占全國土壤有機碳總量的61%，低值地區主要分布在華東地區，總量僅為2.8 Pg[4]。西南地區因特殊地形地貌情況有機碳含量較低，其單位土壤面積有機碳庫含量約占總量的15%[4]。因此，我國國土面積中有50%以上是處于土壤有機碳密度缺乏狀態，其中包括很多植煙地區，也是低土壤有機碳密度國家[19]。從耕地土壤有機碳儲量上看，我國耕地土壤有機碳含量水平也普遍較低，其平均值約比歐洲等國低30%以上。

1.3 土壤有機碳的平衡

外界有機物料不斷進入土壤，同時土壤微生物也在分解植物殘體，此過程是一個連續的動態平衡過程，其平衡結果直接決定著土壤有機碳的儲量。在自然植被覆蓋條件下，土壤可以積累大量有機碳，土壤碳固定量不斷增加，是一個富集過程；然而，在耕作等人為干擾條件下，土壤固碳能力下降甚至消失，原有有機碳被分解，并向大氣中排放CO2，動態平衡被打破，導致土壤有機碳含量下降。

有機碳的固定是土壤碳循環的關鍵部分，也是土壤碳庫的決定因素。土壤可通過物理、化學及生物學機制固定有機碳[20]。首先，土壤的礦質結構可以固持大量有機碳，如通過膠結劑吸附有機碳顆粒，或通過有機無機復合體形成團聚體，屬于有機碳固定的物理保護性機制[21-23]；其次，土壤膠體及表面電荷可以吸附含碳顆粒，形成有機-無機復合體等，屬于化學固定機制[21]；再次，土壤中存在各種微生物，微生物可以促進土壤有機碳的循環利用，積累有機碳，同時自身死亡后也可以形成難降解的木質素、幾丁質等難降解產物，屬于土壤有機碳固定的生物學機制。

土壤有機碳也可通過遷移、流失、分解礦化損失掉[24]，其造成不同土壤有機碳損失途徑的因素有很多，主要有氣候因素、耕作制度、土地利用方式改變等。對于農田土壤，如農作物收獲移出、降雨淋失等均會造成土壤有機碳密度的降低。因此，土壤有機碳的固定和分解是處在不斷的轉化平衡中。

2 植煙土壤有機碳庫損失的主要影響因素

2.1 氣候因素

氣候因素是影響土壤有機碳積累轉化的重要生態因子，其微小變化直接影響著有機碳的輸入量和輸出量。氣候變化可通過影響植物的呼吸速率影響土壤有機碳庫的輸入，也可通過影響土壤有機質的分解速率進而影響土壤有機碳含量，其中溫度和水分又是氣候因素調控中重要的因子。

溫度影響著土壤微生物的活性，土壤微生物活性變化控制著土壤有機質的分解速率，溫度高，微生物種群數量大，土壤有機碳分解速度快。研究表明，平均溫度在5 ℃時，溫度每升高1 ℃，會導致全球10%的土壤有機質分解損失，每升高10 ℃，會導致土壤有機質的分解損失速度加快2倍[25]。據專家預測，到 2050年，我國亞熱帶和黃土高原地區因溫度升高造成的農田土壤有機碳積累損失量將會達到3.6%～10.9%[26]。

水分也是影響土壤有機碳積累轉化的一個重要氣候因子。干旱脅迫會改變土壤微生物的群落結構和區系組成，進而改變土壤有機質的積累轉化速率。適宜的降雨可促進作物生物量的增加，有利于土壤有機碳的累積，但也會改變土壤微生物的活性，引起土壤呼吸速率增強，造成土壤有機碳的損失[27]。如植煙土壤有機碳密度與土壤持水量呈顯著正相關[28]，土壤微生物量碳含量也表現在煙草移栽后快速增加，至現蕾期最高，之后下降，成熟期最低[29]。此外，干濕交替條件下，隨著土壤團聚體的土崩瓦解，團粒內受保護的有機碳易礦化，從而引起激發損失。

2.2 土壤因素及植被條件

土壤環境因素也可影響有機碳穩定性，如土壤粘粒含量、pH、土壤三相比、土壤溫度、水分含量等。例如，土壤中的有機碳量隨粉粒和粘粒含量的增加而增加[30]。研究表明，植煙土壤有機碳密度與土壤粘粒含量呈極顯著正相關關系[28]。土壤呼吸會消耗土壤中的有機碳儲量，加速土壤有機碳的周轉速率，是土壤有機碳損失的主要表現形式。土壤環境因子可通過影響土壤微生物的活性和土壤根系的呼吸代謝進而調控土壤呼吸速率。土壤微生物活性增強，土壤有機質分解快，CO2釋放量增大，土壤中有機碳損失加劇。不同植被覆蓋情況下，因作物光合作用的產物分配模式不同也會造成土壤有機碳含量的差異。

2.3 農田管理措施

在農田生態系統中，土壤耕作、施肥等農業措施因改變了土壤環境條件，直接影響到土壤有機碳的固定和轉化，尤其象耕作和施肥等是造成植煙土壤有機碳庫損失的主要影響因素。

2.3.1 耕作 長期耕作情況下土壤的有機碳含量降低，原因主要是一耕作破壞了土壤中的大團聚體結構，使土壤結構穩定性變差，導致土壤易遭受水風等的侵蝕從而引起土壤有機碳的損失；二是耕作可改善土壤的通氣性狀，使土壤的微生物活性增強，有機質分解速率增強，導致土壤有機碳降解加速。長期定位觀測試驗研究表明，長期耕作可使土壤表層有機碳儲量減少 40%～60%，而免耕則使旱地土壤每年固定碳量增加233 kg/hm2，少耕可使每年固碳量增加25 kg/hm2[31-32]。

長期連作也可顯著影響到土壤有機碳含量。如何川等[33]研究表明，隨著烤煙連作年限的延長，土壤有機碳含量總體趨勢表現為先升高后降低，在連作2～3年時，土壤有機碳高于連作1年，但在連作3年以上時，有機碳含量則表現下降趨勢，且明顯低于連作1年，說明長期連作可造成植煙土壤有機碳的損失。連作7年可顯著降低植煙土壤微生物量碳含量[34-35]，進一步分析研究表明，不同的種植模式影響到植煙土壤酶類活性和微生物群落結構[36]，進而影響到有機碳的分解轉化。

水旱輪作也是導致我國植煙地區土壤有機碳累積量降低的一個重要因素，特別是南方煙區。土壤在淹水狀態下，有機碳分解較慢，而旱作時土壤頻繁地發生干濕交替作用，良好的通氣條件促進了有機碳的礦化，導致土壤有機碳的損失。

休閑和撩荒也是改變土壤有機碳固定和分解的一種重要方式。但夏季土地休閑，高溫天氣反而導致土壤微生物的活性增強，造成有機碳含量的降解加速。同樣，撂荒前遭受嚴重破壞的開墾地土壤有機碳的恢復能力也是非常有限的。有研究結果顯示[37]，輪作后撩荒 45年的土壤，碳儲量的恢復需要230年才能達到開墾前狀態的95%水平。

此外，其他的煙田耕作措施也會影響到植煙土壤有機碳的積累，如煙田起壟。起壟是優質煙葉生產的重要栽培措施，可起到提高地溫、防澇防旱、減少煙田病害、便于覆蓋地膜、利用控制密度等作用，但暴露在空氣中的壟體由于所感受溫度差異以及水風侵蝕，從而影響到土壤有機碳的礦化。

深翻耕也可改變植煙土壤微生物數量和微生物量碳含量[34]。

2.3.2 施肥 施肥可改變土壤中的有機碳總量及有機碳的組分含量，但與肥料種類、用量、配比等密切相關。長期單施無機肥，會造成土壤的碳氮比值下降，而土壤微生物活性提高，導致土壤原有碳和新鮮的有機碳的分解礦化加快，土壤總有機碳量下降，而施用有機肥和配施無機肥可明顯提高土壤總有機碳庫和活性有機碳庫的有效率[38-40]。長期過量施用磷鉀肥也會導致植煙土壤有機碳的損失。如我國部分煙區常年根據土壤氮素條件配施磷鉀肥，而煙草收獲后降雨通常較少，導致大量磷鉀元素在土壤中富集，微生物群落結構發生改變，而與碳循環相關的細菌群落減少，影響有機碳的積累。對植煙土壤施用有機肥料如餅肥、生物碳肥可顯著改變土壤的有機碳含量[29,41]。對云南省幾種主要植煙紅壤的有機無機復合體顆粒大小進行分組研究表明，植煙紅壤有機無機復合體顆粒大小呈現以粉粒級為主的特征，土壤有機碳主要結合在粉粒級復合體中，而不同的粒徑復合體量的差異與耕作施肥相關，其中長期主施化肥和單施化肥的植煙紅壤復合體解散度較高，有機碳的累積量少[42]。對不同肥料施用下土壤有機碳盈虧分布研究表明[43]，有機肥與化肥配施，土壤有機碳呈盈余平衡，僅施化肥時土壤有機碳虧缺主要來自穩結態和緊結態的腐殖質，不施肥時農田土壤有機碳虧缺主要來自松結態有機無機復合體及縮合程度較低的腐殖質，在一定數量的化肥下配施稻革或土糞，可促進土壤有機質的周轉改善土壤供肥性能。

2.4 土地利用方式

土地利用方式的變化主要影響土壤有機碳的礦化率，而礦化率的改變又與土壤有機質的穩定性有關。研究表明，即土壤有機碳礦化速率與土壤有機質含量和土壤微生物碳含量呈正相關關系，且隨有機質穩定性增加而減少[44]。這可能是土壤生物群落組成、植被凋落物性質及土壤溫濕度等物理和化學性質發生改變造成的。

3 提高植煙土壤有機碳的主要措施

對整個地球生態系統而言，土壤有機碳庫的變化對全球氣候生態變化及土壤生產力的保持都有重要的調控作用。而從農業經營的角度來考慮，保持農業的可持續發展，提高農田土壤的碳截獲潛力，增加土壤有機碳含量，也是提高土地生產力和減排溫室氣體緩解氣候變暖的一項雙贏措施。據國際植物保護公約（即IPPC）估計，合理的調控措施每年可增加碳0.4～0.9 Pg，50年世界碳庫量可累積增加24～43 Pg，而已損失的60%～70%土壤有機碳均可通過合理的措施而得以恢復[45]。根據我國兩次土壤普查結果，對中國部分省市地區農田土壤耕層20 cm有機碳含量變化數據進行分析表明[46]，中國農田土壤有機碳自60年代以來已有60%農田耕層土壤有機碳含量出現下降趨勢，而在 1980—2000年期間，由于保護性耕作等措施的實現，農田耕層土壤有機碳含量逐漸增加。因此，我們可以通過合理的管理措施來提高我國土壤有機碳含量。

通過對不同農田管理方式下土壤有機碳匯估算，表明土壤有機碳可以再較短時間尺度上加以調節[47]。對于植煙土壤有機碳而言，通過合理的農田管理措施調節土壤碳庫也是增加土壤有機碳庫儲量的重要措施，如生物黑炭技術、免耕、休耕等保護性耕作措施、重視有機肥的施用、秸稈還田、合理輪作和合理施肥等。

3.1 生物黑炭技術

隨著國際上對將農田廢棄物如秸稈等制成生物黑炭施用于土壤作為農業增匯減排的一種關鍵途徑的呼聲越來越高，生物黑炭技術在用于農業增產和提高碳匯上越來越受到重視。生物黑炭源于巴西亞馬遜流域分布的一種深厚富碳的肥沃土壤，是古代人在熱帶酸性土上經過農業創造出的人為土壤。生物黑炭來源的土壤有機質碳含量可高達35%，更新周期至少為1000年，具有高度的穩定性，在很多現代土壤中均有發現，因此被科學的認為可以使用在提高土壤固有的有機碳儲量上。現在所指的生物黑炭通常是指化石燃料或生物體不完全燃燒產生的一種非純凈碳的混合物，它含有60%以上的碳，生物黑炭因碳組分的高度芳香化而具有生物化學和熱穩定性[48]。當前用于固碳減排的生物黑炭是指各種作物秸稈在無氧條件下高溫熱解后的固態產物的統稱，主要為纖維素、羰基、酸及酸的衍生物、呋喃、吡喃以及脫水糖、苯酚、烷屬烴及烯屬烴類的衍生物等成分復雜有機碳的混合物。

研究表明，生物黑炭施用于土壤可快速提升土壤穩定性碳庫。據專家估算[49-50]，如果把產量10.5 t/hm2的稻田所產秸稈就地轉化為生物黑炭[以秸稈中w(C)=40%，C轉化率按20%計]，則每年可增加土壤有機碳儲量0.84 t/hm2，全國稻田（2900萬hm2）可增加土壤20 tg以上碳匯量；如果將全國農田秸稈均通過生物黑炭技術還田，可增加土壤碳匯56tg。

煙葉采收后的煙稈、煙根等廢棄物也可進行高溫發酵制成生物炭材料，殘余物也是一種很好的煙草有機肥料，且可改善煙葉品質[51-52]。

生物黑炭也可明顯改善土壤質量、提升作物生產力，因此生物黑炭在改善土壤質量和作物增產上也發揮著重要重要作用。目前國外對于生物黑炭農業應用技術，主要是針對旱地作物的作物秸稈，但對生物黑炭在國內作物秸稈就地還田的養分配比、施用量等方面還需進一步的研究。

3.2 保護性耕作

保護性耕作措施，如免耕、休耕等是減少農業土壤碳損失的重要措施。國外如美國、巴西、澳大利亞等國家保護性耕作農田面積占總耕地面積的70%以上。免耕可減緩土壤有機物質的礦化率，增加土壤易氧化有機碳的含量，增強土壤顆粒的膠結作用，有利于土壤團聚體的形成。試驗證明[53]，免耕可增加植物有機殘體向土壤中的輸入，使土壤生物量增加，生物體活動加劇，因而，土壤中大團聚體的周轉速度降低，有利于有機碳的保護固定。免耕等保護性耕作所產生的有機碳總量和活性有機碳組分含量可比傳統耕作高出33%～125%，對提高土壤有機碳含量作用明顯[54]。此外，對植煙土壤進行翻耕和旋耕處理也可使有機碳含量增加[34]。

3.3 施用有機肥

施入有機肥也是植煙土壤有機碳輸入的主要途徑。研究表明[29]，施用芝麻餅肥可明顯提高根際植煙土壤酶活性和土壤微生物量碳和氮含量，與單施化肥相比，芝麻餅肥和化肥配施可提高根際土壤微生物碳含量79.88%～97.14%。添加不同C/N有機物料可改變土壤的有機碳含量，同時可明顯地影響煙葉的碳氮代謝平衡和協調烤煙葉的化學成分[41]。

草炭是一種具有眾多優良特性的有機肥，也是改良土壤提高土壤有機碳的優良材料。國家煙草生理生化研究基地通過不同草炭用量對植煙土壤理化性狀和烤煙品質影響研究表明[55-56]，土壤有機質和腐殖質隨草炭用量的增多而增多，而且草炭用量和土壤有機質相關達到顯著或極顯著水平，而隨著炭用量的增加，烤后煙葉物理、化學特性得到改善，中性致香物質組分顯著增加，在一定程度上改善煙葉的品質。

3.4 秸稈還田

我國每年的秸稈產量達上億噸，但大部分秸稈的利用率比較低，焚燒和廢棄現象嚴重。除用現代的生物黑炭技術將秸稈還田轉化土壤碳外，將秸稈直接還田或過腹還田也是增加土壤有機碳儲量的重要方式。腐爛的秸稈融入土壤后，不僅可以促進土壤水穩定性團粒結構的形成，改善土壤的通透性等物理結構，也可減少因水土流失造成的土壤有機碳的損失，同時，又因秸稈本身含碳量高，還田后形成的有機碳儲量也會增加。研究表明[57]，秸稈還田后表層土壤的輕組有機碳含量顯著增加，如再結合持續免耕，則土壤的有機碳含量可增加14%～31%。Chen等[10]研究表明，植煙土壤中添加腐熟秸稈后土壤總有機碳和微生物量碳含量顯著增加，特別是在烤煙移栽后75 d時土壤微生物量碳含量可增加81%～111%。在連作5年的煙田上進行玉米秸稈還田試驗結果也表明[58]，秸稈還田不僅能提高土壤有機碳含量，而且能改善有機碳質量，但秸稈的施用量應考慮到有效氮的成分適量施用。

3.5 合理輪作

輪作是避免連作障礙的一項重要農業措施，它不僅能改變作物殘茬種類，有效防治雜草和病蟲害發生，同時與保護性耕作技術結合，還能改善土壤物理化學特性，減少土壤徑流和風蝕，因此也是提高土壤肥力增加土壤碳庫的重要措施。煙草本身又是一種忌連作作物，因此，除合理的水旱輪作外，可通過選種一些生物量高的綠肥作物或碳氮比高的農作物，如毛葉苕子、黑麥草、燕麥、油菜等與煙草進行輪作，增加有機植物殘體向土壤中的輸入量，有利于土壤有機碳的固定。通過3年田間定位試驗，研究發現春煙種植前連年輪作翻壓綠肥能夠顯著提高土壤微生物量碳和總有機碳含量，并且這種提高趨勢隨著翻壓年限的增加而增加[59]。對云南紅壤植煙區不同輪作模式下土壤有機碳和活性有機碳含量研究也表明[60]，綠-煙和豆-煙復種模式下，植煙生長期內根區微生物量活性有機碳含量及總有機碳含量均高于麥-煙、菜-煙復種及冬閑地，并且差異達顯著或極顯著水平，因此，可以將微生物量活性有機碳含量及總有機碳含量作為輪作模式影響煙地紅壤質量變化的生物學評價指標。

3.6 合理施肥

施肥是農田管理中的一項重要固碳措施，施肥能補充土壤中的 N、P、K等營養元素含量，但應注意用地養地相結合合理施用的原則，注意肥料施用的類型、比例和數量。重視農家肥的施用和有機無機肥的配施，可改善土壤結構，避免表層土壤有機碳的流失。如廄肥與化肥配合施用后土壤活性有機碳組分和土壤微生物生物量碳增加就非常明顯，約97%的土壤有機碳較穩定[61]。

此外，在土壤中施用一些高分子聚合物質也可起到減少土壤流蝕，穩定土壤結構，修復土壤有機碳庫的效果[62]。

4 小 結

土壤有機碳庫是地球生態系統中最活躍的生態系統碳庫之一，對土壤肥力有著重要的意義。我國很多煙區土壤肥力下降、土壤結構惡劣與植煙土壤有機碳含量的變化直接相關，因此，植煙區土壤有機碳儲量的提高應引起煙葉生產部門的廣泛關注。通過采取合理施肥等農田管理措施對土壤有機碳庫進行修復與改良，從而優化我國植煙地區土壤結構，保證我國煙葉生產的可持續發展。

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