土壤碳礦化及活性有機(jī)碳影響因子研究進(jìn)展

徐洪文++盧妍

摘要：碳礦化是土壤中重要的生物化學(xué)過程，直接影響土壤碳庫(kù)向大氣的排放量，與全球氣候變化密切相關(guān)。土壤活性有機(jī)碳周轉(zhuǎn)較快，對(duì)干擾的反應(yīng)比較敏感，常作為評(píng)價(jià)土壤碳庫(kù)微小變化的有效指標(biāo)，在陸地碳循環(huán)研究中具有非常重要的作用。本文對(duì)土壤碳礦化和活性有機(jī)碳的影響因子研究進(jìn)展作了簡(jiǎn)要概述，旨在為正確理解全球變化背景下的土壤碳循環(huán)過程與機(jī)理提供理論參考。

關(guān)鍵詞：土壤；碳礦化；活性有機(jī)碳；影響因子

中圖分類號(hào)： S153.6+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）10-0004-03

收稿日期：2014-01-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41301314、41201559）；江蘇省自然科學(xué)基金（編號(hào)：BK2011412）。

作者簡(jiǎn)介：徐洪文（1979—），男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)。E-mail：hongwen_xu@163.com。

通信作者：盧妍，黑龍江齊齊哈爾人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境變化與物質(zhì)循環(huán)。E-mail：yanyan0451_0451@163.com。隨著氣候變暖成為與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及資源和環(huán)境保護(hù)密切相關(guān)的全球性重大問題[1]，土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化也已經(jīng)成為近年來陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球氣候變化研究中的熱點(diǎn)[2-3]。土壤有機(jī)碳庫(kù)的礦化是土壤中重要的生物化學(xué)過程，直接關(guān)系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放、溫室氣體的形成以及土壤質(zhì)量的保持等，同時(shí)影響到土壤碳向大氣的排放量，進(jìn)而與全球氣候變化密切相關(guān)[4-5]。另外，由于土壤活性有機(jī)碳周轉(zhuǎn)較快，對(duì)干擾的反應(yīng)比較敏感，故土壤活性有機(jī)碳也常作為評(píng)價(jià)土壤碳庫(kù)微小變化的有效指標(biāo)。開展有機(jī)碳礦化和活性有機(jī)碳的影響因子研究，對(duì)于深入了解土壤碳循環(huán)對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)機(jī)理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1土壤碳礦化影響因子研究進(jìn)展

隨著陸地碳循環(huán)機(jī)制及其對(duì)全球氣候變化的影響逐漸受到科學(xué)界的重視，土壤有機(jī)碳礦化影響因子已成為研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究主要集中在土壤水分、溫度、養(yǎng)分輸入、土壤耕作制度等方面。 第一，溫濕條件。土壤含水量是土壤有機(jī)碳礦化的主要影響因子之一。土壤含水量適度提高不僅可以提高微生物的活性，也可以增加土壤微生物的數(shù)量，從而加快土壤有機(jī)碳的礦化速度。土壤有機(jī)碳的礦化同樣明顯受到土壤溫度的影響[6-8]，白潔冰等研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)高寒草甸和高寒濕地土壤碳礦化影響顯著，而高寒草原土壤碳礦化速率與溫度間未呈現(xiàn)明顯的函數(shù)關(guān)系，但不同溫度間的土壤碳礦化速率存在顯著差異[9]。第二，耕作制度。免耕、少耕對(duì)土壤碳庫(kù)變化的影響一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。Hernanz等認(rèn)為經(jīng)過長(zhǎng)期耕作后，免耕處理的土壤有機(jī)碳含量明顯高于傳統(tǒng)翻耕[10]，而Al-Kaisi等則認(rèn)為免耕和翻耕處理土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量差異不顯著[11]。由此可見，不同環(huán)境條件下土壤-植物根際體系中碳素特征會(huì)有很大變化，所以還需要進(jìn)一步探討土壤-植物根際體系中碳素循環(huán)的內(nèi)在機(jī)理以及在外界影響下的變化規(guī)律[12]。第三，養(yǎng)分輸入。有機(jī)肥的施入可以顯著提高土壤微生物量碳含量[13]，而且還能提高土壤中水溶性有機(jī)碳的生物有效性。低劑量的氮素輸入沒有對(duì)高寒濕地和高寒草甸土壤碳礦化產(chǎn)生影響，但是顯著增加了高寒草原土壤的碳礦化。說明氮素輸入對(duì)土壤碳礦化的影響存在生態(tài)系統(tǒng)類型間的差異[9]。第四，叢枝菌根。菌根真菌不僅吸收利用植物光合固定的碳源，同時(shí)也是將碳源從植物傳輸?shù)酵寥赖闹匾d體[14-16]。菌根真菌以生物量形式固定的碳源在自然生態(tài)系統(tǒng)中起到了重要的碳匯功能。另外，菌根真菌還具有降解有機(jī)碳的功能，在營(yíng)養(yǎng)匱乏或光合能力減弱的環(huán)境條件下，叢枝菌根真菌能夠采取降解土壤有機(jī)質(zhì)作為自身生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)需求的生存策略[17-18]。因此，菌根真菌在土壤碳代謝中的任何變化都將對(duì)土壤碳平衡產(chǎn)生重大影響。

2土壤活性碳影響因子研究進(jìn)展

土壤活性有機(jī)碳庫(kù)是指在一定的時(shí)空條件下，受植物、微生物影響強(qiáng)烈，對(duì)植物、微生物來說活性比較高的那一部分土壤碳素。其含量高低直接影響土壤微生物的活性，進(jìn)而影響溫室氣體的排放。水溶性有機(jī)碳、微生物量碳、土壤易礦化碳等均屬于土壤活性有機(jī)碳的表征形態(tài)。

2.1易氧化有機(jī)碳

易氧化有機(jī)碳是土壤中易被氧化且活性較高的有機(jī)碳，對(duì)土壤碳庫(kù)平衡和土壤化學(xué)、生物學(xué)穩(wěn)定性維持具有重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于土壤易氧化有機(jī)碳影響因子的研究報(bào)道較少，主要集中在施肥、土地利用和土壤濕度等方面。研究表明長(zhǎng)期施用有機(jī)肥和氮磷鉀配施都能夠提高土壤中易氧化有機(jī)碳的含量。施用氮磷或氮磷鉀肥可以顯著提高潮棕壤土易氧化有機(jī)碳含量[19]，施用化肥（氮、氮磷和氮磷鉀）同樣可以顯著增加棕壤土耕作層易氧化有機(jī)碳的含量。

可通過改變地表凋落物和根系分泌物的數(shù)量及化學(xué)組成性質(zhì)而影響土壤易氧化碳含量的變化。在林地利用方面，王國(guó)兵等研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化顯著影響了土壤易氧化碳的空間分布特征，但對(duì)土壤易氧化碳的季節(jié)波動(dòng)沒有顯著影響[20]。劉正剛等發(fā)現(xiàn)由天然林土地利用類型到人工土地利用類型，土壤有機(jī)碳和易氧化態(tài)碳的含量明顯下降[21]。除此之外，隨著間伐強(qiáng)度的增大，林地土壤易氧化碳含量也會(huì)顯著提高[22]。在農(nóng)田利用方面，在西部黃土高原黃綿土區(qū)，采用免耕結(jié)合秸稈覆蓋的保護(hù)性耕作措施有利于土壤總有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量的提高[23-24]。王瑩等則認(rèn)為土壤易氧化碳含量表現(xiàn)出春夏季節(jié)大于冬季[25]，這歸因于春夏季節(jié)植物進(jìn)入生長(zhǎng)期，為土壤微生物提供了足夠的易分解的新鮮有機(jī)質(zhì)。

土壤濕度較高的環(huán)境有利于活性有機(jī)碳的累積。高濕度環(huán)境能夠抑制土壤中大部分微生物的活性，從而提高土壤中易氧化碳的積累，且間接對(duì)植物根系和耗氧微生物的活動(dòng)產(chǎn)生抑制，降低土壤有機(jī)碳的分解速率，使得更多的活性碳積聚在土壤中[26]。

2.2微生物量碳

施用化肥、秸稈還田及有機(jī)肥化肥配合施用可以顯著提高土壤微生物量碳的含量[27]。馬曉霞等研究發(fā)現(xiàn)施肥處理可以不同程度提高土壤微生物量碳的含量[28]，可能因?yàn)槭┯糜袡C(jī)物質(zhì)能為微生物提供充足的碳源，促進(jìn)微生物的大量生長(zhǎng)。而任衛(wèi)東等指明了平衡施肥的重要性，長(zhǎng)期平衡施肥能有效增加植物根際和非根際土壤微生物量碳的含量，但不平衡施肥對(duì)土壤微生物量碳含量無明顯作用[29]。董博等認(rèn)為單施有機(jī)肥，尤以農(nóng)家肥對(duì)土壤微生物量碳的影響最大[30]，且隨著有機(jī)肥用量的增加土壤微生物量碳含量增加[31]。而有機(jī)肥與其他肥料的配合施用也逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。有機(jī)肥與化肥配合施用不僅有利于植物的生長(zhǎng)，增加微生物量碳的含量，而且還能改善土壤結(jié)構(gòu)[32]，混施對(duì)提高土壤中微生物量碳的作用較單純施用化肥更為顯著[33-34]，雞糞與有機(jī)肥配施同樣能夠提高土壤微生物量碳的含量[35]。

除氣候和土壤等環(huán)境因素外，土地利用方式是影響土壤微生物量碳的重要因子之一。趙先麗等研究發(fā)現(xiàn)，土地利用方式對(duì)土壤微生物量有顯著影響，其中土壤微生物量碳依次為森林>濕地>稻田>旱地>果園>草地[36]。也有研究表明：不同土地利用方式下土壤微生物量碳表現(xiàn)為果園、林地高于農(nóng)田和草地，這可能是由于林地和果園每年地表有大量的凋落物，為微生物提供了豐富的碳源，同時(shí)也保持了表層土壤水分含量，更有利于土壤微生物的生長(zhǎng)[37]。從不同農(nóng)業(yè)用地方式來看，微生物量碳含量差異顯著，具體表現(xiàn)為：糧田>菜地>林地[38]。董博等研究發(fā)現(xiàn)短期免耕對(duì)土壤微生物量碳含量有明顯增加的現(xiàn)象[39]。陳英等研究發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋耕翻土壤微生量碳含量高于常規(guī)耕翻[40]，這是由于作物秸稈為微生物增殖提供大量碳源，微生物利用碳源物質(zhì)進(jìn)行自我繁殖，將有機(jī)秸稈中的碳同化為微生物量碳[41]。

除此之外，土壤溫度和含水量均對(duì)土壤微生物量碳累積產(chǎn)生一定的影響，但已有研究發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)系統(tǒng)及地區(qū)土壤微生物量碳和溫度及含量的相關(guān)性并不一致[42]。

2.3水溶性有機(jī)碳

土壤水溶性有機(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)質(zhì)，以及以膠體狀懸浮于土壤溶液中的大分子有機(jī)質(zhì)。施肥對(duì)土壤水溶性有機(jī)碳的含量有很大影響。盛衛(wèi)星等的研究結(jié)果表明，施用化肥特別是超量施用化肥顯著增加板栗（Castanea mollissima） 林土壤水溶性有機(jī)碳的含量[43]。李永夫等也發(fā)現(xiàn)了化肥顯著提高毛竹林土壤水溶性有機(jī)碳含量的規(guī)律[44-45]。溫度主要通過影響微生物活性進(jìn)而對(duì)土壤水溶性有機(jī)碳的分解起調(diào)節(jié)作用，隨著土壤溫度升高，水溶性有機(jī)碳的含量也不斷提高，所以夏季土壤中水溶性有機(jī)碳的含量高于冬季，而且這種現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)室可控條件下更為明顯。凍融作用由于能夠增加土壤水溶性有機(jī)碳的淋溶損失，所以同樣可以提高土壤中水溶性有機(jī)碳的含量[46]。

土壤可溶性有機(jī)碳作為土壤中最活躍的組分之一，對(duì)土地利用及其變化的響應(yīng)更為迅速和敏感。王明慧等發(fā)現(xiàn)土地利用方式對(duì)土壤水溶性有機(jī)碳的影響并未達(dá)到顯著水平[47]。張金波等則認(rèn)為土地開墾耕作是導(dǎo)致土壤水溶性有機(jī)碳含量降低的主要原因，并且也會(huì)降低土壤水溶性有機(jī)碳的質(zhì)量[48]。昌維貴等通過分析認(rèn)為農(nóng)耕地土壤水溶性有機(jī)碳含量最低的原因，可能是由于土地的經(jīng)常翻耕使土壤通透性增加，有機(jī)質(zhì)滲透進(jìn)入地下水中大量流失，加上作物季節(jié)性被收割走，歸還量較少所致[49]。可見人為干擾是導(dǎo)致不同土地利用類型土壤水溶性有機(jī)碳含量差異的重要原因。

3展望

土壤有機(jī)碳礦化受土壤溫度、水分、養(yǎng)分輸入、耕作模式及叢枝菌根等因素的影響。目前關(guān)于土壤有機(jī)碳礦化速率的影響因子開展了廣泛的研究；但多側(cè)重于單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)影響因子的研究，關(guān)于多個(gè)因子綜合作用對(duì)土壤有機(jī)碳的影響研究不多，而土壤碳礦化過程是土壤生物活性的綜合體現(xiàn)，所以國(guó)內(nèi)外關(guān)于有機(jī)碳礦化與環(huán)境因子的關(guān)系研究結(jié)論不盡一致。同時(shí)全球氣候變化也會(huì)極大地影響土壤碳代謝環(huán)境影響機(jī)制研究。例如隨著二氧化碳的增加，菌根真菌會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累，但同時(shí)也會(huì)加速土壤中有機(jī)碳的分解，由此可見全球變暖使得叢枝菌根對(duì)土壤有機(jī)碳的影響愈加復(fù)雜。另外，由于環(huán)境因子對(duì)于土壤碳礦化的影響依賴于生態(tài)系統(tǒng)類型。因此，開展不同生態(tài)系統(tǒng)、不同生境土壤碳礦化途徑及其季節(jié)轉(zhuǎn)換機(jī)制研究，以及不同環(huán)境因子在驅(qū)動(dòng)土壤碳礦化過程中可能存在的協(xié)同或拮抗作用等值得進(jìn)一步研究。

土壤活性有機(jī)碳能夠靈敏、準(zhǔn)確地反映土壤質(zhì)量和肥力的變化，所以是評(píng)價(jià)土壤碳庫(kù)平衡的重要指標(biāo)。就目前國(guó)內(nèi)外開展的研究而言，關(guān)于不同植被類型對(duì)土壤活性碳組分的影響研究相對(duì)較少，而活性有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例的高低對(duì)不同群落下植被對(duì)土壤碳行為的影響非常敏感，尤其是易氧化有機(jī)碳占總有機(jī)碳比例在不同植被群落下有顯著差異。所以需要進(jìn)一步深入研究植被類型對(duì)土壤活性碳庫(kù)循環(huán)轉(zhuǎn)化的影響，探討植被類型與碳平衡之間的相互作用機(jī)制。另外，作為土壤活性有機(jī)碳的影響因子，土壤微生物數(shù)量和微生物活性對(duì)于土壤的溫濕條件甚為敏感，所以開展不同環(huán)境條件下土壤活性碳庫(kù)與土壤微生物及土壤酶活性的關(guān)系研究，對(duì)于準(zhǔn)確迅速地評(píng)估其對(duì)溫室氣體排放的影響具有一定的理論和實(shí)踐意義。

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