農田土壤有機碳儲量的影響因素研究

李俊超++靳靜靜

摘 要：土壤是陸地生態系統的核心，農田土壤有機碳儲量的多少直接影響陸地碳庫的收支平衡，其儲量受自然因素（氣候、地形、土壤理化性狀）和人為因素（農田管理措施、土地利用變化）等諸多方面影響而呈動態變化。通過對農田土壤有機碳儲量的影響因素探究，以期找到維持和提高土壤有機碳庫的有效措施，為我國土壤資源的可持續開發利用提供參考，最終達到土壤固碳和農業增產的目的。

關鍵詞：農田；土壤有機碳；儲量；影響因素

中圖分類號：S154 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170432050

土壤有機質（SOM）中所含的碳稱為土壤有機碳（SOC）。目前，全球氣候變化中碳循環的研究受到越來越多的關注，成為當前全球變化研究的三大熱點之一。陸地生態系統碳循環是全球碳循環的重要組成部分，土壤碳庫是最大的碳庫。據Eswaran 等人初步估計，全球以SOM形式儲存在土壤中的碳大約有1400Pg左右，是大氣碳素總量的2倍，其中，農田中的土壤碳儲量占土壤碳儲量的9%左右[1]。

雖然全球范圍內土壤碳庫的儲量還相對較多，但只有陸地生態系統中農業土壤碳庫易受人類行為影響。因此，若要研究CO2在農業生態系統中的源匯效應，必須從研究農業土壤碳庫著手。合理并有效地利用農業SOC庫成為了諸多科研工作者研究的新領域。要有效地利用土壤碳庫，揭示土壤碳動態變化過程，就需先對影響SOC儲量的因素進行研究。

陸地生態系統農田碳庫的變化主要取決于SOC輸入與輸出的相對數量，而決定農田SOC分解量和生成量的主要因素可分為自然因素（氣候、地形、土壤理化性狀）和人為因素（農田管理措施、土地利用變化）。

1 影響農田土壤有機碳儲量的自然因素

1.1 氣候

溫度。溫度主要通過影響土壤呼吸的進程和微生物活性而影響SOC含量。農田生態系統SOC庫隨溫度增加表現出指數下降趨勢。年均溫較高的時期，土壤呼吸和土壤微生物生物量碳也相對較高。不同區域SOC對溫度變化的呈不同的敏感性，如西北生態脆弱區，對溫度變化較敏感，而南方變幅較小。

水分。土壤含水量通過影響土壤透氣性，改變外源碳的分解和礦化。較高的年降水量易形成較低的土壤呼吸，進而產生較少的微生物碳。另外，降水季節分布不均勻的地方，易干濕交替，破壞團聚體，在短時間內大幅度提高呼吸強度，使SOC的礦化分解量增加。南方水田和北方旱地SOC分解存在明顯差異，前者屬于厭氧型分解，釋放能量少，有機碳降解慢，后者剛好相反。因此，水稻土SOC含量比旱地高，具有較大的固碳潛力。

溫度和水分對SOC的作用不是獨立的，它們互相影響、互相制約。因此，在研究農田土壤固碳的過程需綜合考慮這兩個方面的因素。

1.2 地形和海拔

地形。地形對SOC的影響機理較為復雜。國外對坡耕地SOC進行動態研究，結果表明從坡頂到坡腳，坡地水溶性有機碳與總有機碳的分布呈顯著相關。在排水不良的部位各層胡敏酸含量相對較少。反之，在排水條件較好的坡頂和坡肩胡敏酸相對積累。另外，降雨會加速土壤碳在不同坡位中分布的差異，說明地形對SOM的分布和遷移有顯著影響。

海拔。海拔高度對SOC礦化的影響也存在一定的差異。雖然海拔對SOC礦化率會產生一定影響，但未表現出海拔高度上的規律變化，客觀說明了影響SOC礦化的因素比較復雜。因此，不能片面地從海拔因子的角度對土壤的CO2釋放進行單一研究，應將其與其他因素綜合考慮，正確認識土壤CO2釋放機理。

1.3 土壤理化性狀

在影響SOC庫容量的自然因素中，土壤的理化性狀的影響最大，其中又以土壤質地表現最突出。

土壤質地。SOC含量受土壤質地的影響較明顯。粘粉質土壤比砂土含有更多的SOC，產生這一現象的原因可能是土壤粘粒能吸附SOC，二者可形成有機—無機復合體，對SOC起到物理保護作用，即SOC含量與粘粒多少呈顯著的正相關。但有人研究得出，在非石灰性土壤中SOC含量與粘粒相關，而在石灰性土壤中二者關系不大[2]。因此，粘粒含量對SOC的影響會因土壤類型的不同而不同。

土壤結構。大多數的研究者認為土壤結構是陸地生態系統中最能影響微生物分解過程的因素之一。同時，也是影響土壤碳固定及其穩定性的重要因素。土壤結構中的團聚體通過物理保護機制對SOC進行吸持，還可通過鈣鍵或鐵鋁鍵與有機碳化學鍵合，并協調土壤中的水、肥、氣、熱來影響微生物活性、SOC的穩定及分解。因此，SOC含量會隨團聚體粒徑增加而增大。

黏土礦物類型。SOC含量也受黏土礦物類型的影響。2：1型黏土礦物類型比1：1型的陽離子交換量和比表面積更大，故2：1型礦物對SOC的吸附強度較高，SOC的穩定性也較高。

土壤pH。不同土壤pH值存在差異，土壤微生物的活性不同，導致土壤有機碳礦化分解的速率存在差異。過高或過低的pH值都會降低微生物的活性，抑制其活動，減緩有機碳的周轉。在我國，SOC儲量的分布隨緯度增加而增加，其與緯度的相關性達到顯著水平（0.70），即北方地區相對高，南方相對低，其中一個原因是pH值基本呈北高南低。

土層深度SOC儲量和土層深度存在顯著相關性，隨土層深度增加逐漸下降。

2 影響農田土壤有機碳儲量的人為因素

2.1 農田管理方式和管理措施

耕作方式。大多數研究結論表明，耕作方式的差異會顯著影響SOC儲量。常規耕作方式會經常擾動土體，破壞良好的土體結構，使SOC脫離土壤結構體的束縛，加速SOC分解礦化過程。過度耕作能顯著減低SOC數量和質量，尤其是降低活性SOC數量。而將常規耕作方式轉變為以免耕或少耕為主的保護性耕作，超過10a實施后，可增加7%～10%表層SOC含量，亦可增加土壤固碳潛力。

輪作制度。作物輪作通過影響作物根系和植物殘體歸還的數量和質量，從而影響SOC的礦化和固定過程，最終影響碳儲量。國外的定位試驗結果表明，豆科與玉米輪作相較單作玉米，地上部分植物生物量較大，有機物質的歸還量和SOC含量顯著提高，同時，土壤地力和生物生產力也有所增加。

施肥。在農業管理措施中，施肥對SOC儲量的影響最大。肥料的特性、施肥量和施肥方式等都會引起SOC含量的變化。馬成澤[3]等關于施肥對SOC影響的研究結果顯示，有機肥單施或有機—無機配施，不但可以改善土壤理化性狀，而且能增加SOC總量。秸稈還田也能顯著改良土壤結構，增加SOC含量。秸稈焚燒可直接導致土壤碳釋放、加快SOC儲量的損失。

灌溉。合理灌溉，可以提高土壤含水量，降低鹽漬化程度，增加土壤生物量，提高生物生產力，有利于固定SOC，進而增加SOC儲量。

休閑和撂荒。休閑和撂荒主要通過地表植被的自然演替達到地力恢復的效果。但也有研究發現，夏季休閑，會因溫度高、土壤微生物活性強，導致SOC分解加速、含量下降。Knops等[4]的研究結果顯示：休閑或撂荒時，進行秸稈還田或者增加地面覆蓋可有效減少土壤侵蝕，改善土壤養分循環，增加碳儲量，最終為植物提供更好的生長環境。

2.2 土地利用方式轉變

土地利用方式轉變通過影響SOC礦化，進而影響SOC儲量。一般研究認為，林地或草地轉變為耕地會使SOC的含量降低，而退耕還林還草可以增加SOC積累。毛艷玲等[5]的研究結果表明，亞熱帶地區林地轉變為農田后會大幅度降低SOC含量。另有研究顯示，將小麥—玉米輪作轉變為種植苜蓿后，其農田SOC含量會有一個顯著的提高。

3 討論與結論

目前，越來越多的研究集中在農田SOC庫的變化和碳庫動態變化對陸地生態系統及大氣的源匯效應。因此，為了揭示土壤碳庫的源匯效應，需要對影響SOC的因素和機制進行分析闡明，這樣才能為維持并提高SOC儲量和土壤固碳潛力提供科學的理論依據。SOC轉化和固定既受自然因素（溫度、水分、土壤理化性狀）的影響，又受農田管理措施等多種因素的交互影響。相較自然因素的影響，農田管理措施尤其是不同的耕作措施和的施肥水平對SOC積累的影響更大，二者單獨對SOC的影響已經有了諸多研究，但二者的綜合效應及機理還不清楚，需在今后的研究中重點探討。

在農業可持續發展的時代背景下，如何平衡增加農業輸出與減少土壤退化之間的關系是一個極大的挑戰。目前，我國主要的耕作制度和農田管理措施已引起了農田SOC儲量的減少，且造成質量上的損失。SOM的損失在一定程度上既能加劇耕地質量的退化，又能增大碳排放。基于本文提到的SOC的影響因素，我們應注重秸稈還田，增加有機物料的輸入，如種植綠肥、增施有機肥等，同時，通過合理輪作、坡改梯、退耕還林還草并結合保護性耕作措施，進而提高SOC儲量，提高土地生產力，促進農業健康可持續發展，確保國家糧食安全。

參考文獻

[1]方華軍，楊學明，張曉平.農田土壤有機碳動態研究進展[J]. 土壤通報，2003（06）：562-568.

[2]林心雄，文啟孝，程勵勵.土壤中有機物質分解的控制因素研究[J].土壤學報，1995（增）：41-47.

[3]馬成澤，周勤，何方.不同肥料配合使用土壤有機碳盈虧分布[J].土壤學報，1994（01）： 34-41.

[4]Knops J M H，Tilman D.Dynamics of soil nitrogen and carbon accumulation for 61 yeans after agricultural abandonment[J]. Ecolgy，2000（01）：88-89.

[5]毛艷玲，楊玉盛，刑世和，等.土地利用方式對土壤水穩性團聚體有機碳的影響[J].水土保持學報，2008（04）： 132-137.