不同利用方式土壤有機碳及其組分研究進展

李 菡，袁 紅，宋洪福，張 亮，段良霞，盛 浩

(湖南農業大學 資源環境學院，湖南 長沙 410128)

作為陸地生態系統中最大的碳庫，土壤碳庫對人類生活和全球變化無時無刻不在產生影響。土壤有機碳是土壤有機質的一個組成部分，是評價土壤肥力的重要指標之一。土地利用方式的改變是人類干擾地表土壤的主要形式，也是影響全球碳儲量和分布的一大因素[1-3]。然而當土壤總有機碳值非常大時，很難使用總有機碳值來評估土地利用方式的變化對土壤有機碳的影響，因此，近年來對土地利用方式變化十分敏感的土壤有機碳組分的研究引起了人們的廣泛關注[2,4]。

1 有機碳及其組分

1.1 土壤有機碳組分

按其化學性質可將土壤有機碳分為活性有機碳和惰性有機碳。活性有機碳占總有機碳的比重較少，它穩定性差、周轉速度快，易氧化和礦化，但生物活性高，對土壤的微小變化也反應靈敏，可以直接參與土壤的生化過程[5]。活性有機碳包括可溶性有機碳、易氧化有機碳、顆粒有機碳和微生物量碳等[1,6]。可溶性有機碳是土壤有機質中移動最大的組分，可以直接被土壤微生物利用，有一定的溶解度，在土壤中移動迅速，易于分解和礦化，因此很容易流失。易氧化有機碳周轉最快，受地上凋落物和地下根系影響較大，它的分解極易受環境的影響。易氧化有機碳占總有機碳的比率越高，說明養分循環速率越快，土壤碳的穩定性越差，不利于土壤碳庫的積累。土壤微生物量碳則是最活躍的組分，控制著所有有機質的轉化，它是一個簡單易測的土壤成分，地上植被類型被認為是影響土壤微生物活動的重要因子[7-9]。惰性有機碳是土壤有機碳庫中較穩定的部分,是分解周期最長的礦物結合態有機碳，其含量越高越有利于土壤有機碳的積累[5]。土壤碳庫變化主要發生在活性碳庫中。

1.2 有機碳分組方法

有機碳組分是一個復雜的概念，不同研究方法獲得的土壤有機碳成分各不相同。20世紀60年代以前對土壤有機碳組分的研究主要根據其化學組成和化學性質進行分組[10]。20世紀60年代之后，出現了物理分類方法[11,12]。20世紀80年代，出現了將土壤有機碳按比重分為輕組有機碳和重組有機碳的分組方法。自20世紀70年代起，土壤微生物體受到重視，由此出現了對土壤有機碳的生物分類法，但相關研究較少。

1.2.1 按有機碳的化學特性分類 根據3種不同濃度的KMnO4(33、167、333 mmol/L)氧化土壤有機碳的數量，Logninow等把易氧化有機碳分成 3個級別。Lefroy[13]和Blair[14]等研究發現在這3個級別中，能被333 mmol/L KMnO4氧化的有機碳在種植作物時變化最大，因此將能被333 mmol/L KMnO4氧化的有機碳稱為活性有機碳，不能被氧化的稱為非活性有機碳。Chan等[15]根據3種不同濃度的H2SO4(6.0、9.0、12.0 mol/L)和K2Cr2O7氧化土壤有機碳的數量，把可氧化有機碳分成4個組分。霍蓮杰等[11]依據土壤有機碳周轉速率的快慢將土壤有機碳分成活性碳庫、慢性碳庫(緩效性碳庫)和惰性碳庫(表1)。

表1 有機碳組分的化學分類方法[11]

1.2.2 按有機碳的物理學特性分類 土壤固相由不同形態和大小的土壤團聚體和原生土壤顆粒組成[16]。有機碳的物理分組包括團聚體分組和顆粒碳分組兩種方式，或者兩者結合起來，先進行團聚體分組，然后再進行顆粒碳分組。在土壤顆粒分級過程中，土壤團聚體被破壞，構成團聚體的土壤顆粒被分散為原生土壤顆粒，根據這一性質，Tiessen等[17]將這些原生土壤顆粒分為砂粒、粗粉砂粒、細粉砂粒、粗粘粒和細粘粒。20 世紀80年代，出現了根據土壤在1.6～2.5 g/mL溶液中的沉降，將土壤有機碳分為輕組有機碳和重組有機碳的分組方法(表2)[10，11]。

表2 有機碳組分的物理學分類方法(顆粒碳分組)

1.2.3 按有機碳生物學特性分類 生物學方法是通過一定方法測定礦化生物和礦化有機殘體(如微生物生物量等)的生物量，或者利用將有機碳作為底物的反應來推斷土壤中有機碳的生物有效性(潛在可礦化碳)[19，20]。土壤有機碳按生物方法可以分為微生物量碳和潛在礦化碳，通常采用氯仿熏蒸提取法或氯仿熏蒸培養法來測定，但是這種方法易受環境狀況影響且培養周期長，很容易導致實驗出現偏差甚至失敗[18]。

2 不同土地利用方式土壤有機碳及其組分含量特征

當前對土壤有機碳及其組分的研究已經很廣泛且深刻，不同的氣候類型、植被狀況、土壤質地和地形特征影響著土地的利用方式，而利用方式的不同也對土壤有機碳及其組分產生不同的影響，掌握不同利用方式的土壤有機碳的變化趨勢和規律對于保護土壤資源，保持土壤肥力，維持土壤資源的可持續發展具有重要意義。

2.1 濕地有機碳及其組分

濕地由于長期處于淹水或水分過飽和狀態，積累了更多的活性有機碳，對氣候變化更為敏感[21，22]，因此，利用活性有機碳研究土壤碳庫的穩定性已成為熱點[23]。參照《濕地公約》將中國的濕地劃分為近海與海岸濕地、河流濕地、湖泊濕地、沼澤與沼澤化濕地、庫塘等5大類28種類型，其中庫塘為人工濕地，其余均為自然濕地。

楊文煥等[24]研究黃河包頭段-南海濕地(河流濕地)發現，自然生長的蘆葦的總有機碳含量最高且穩定性最高，其次是旱柳和向日葵，玉米和裸地的有機碳含量最低。在垂直方向上，隨著深度的增加，4種利用方式下的總有機碳含量逐漸接近。旱柳由于沒有受人為耕作干擾且表層土壤草類植物較多，因此總有機碳高于除蘆葦地外的其他用地。而在江蘇洪澤湖濕地(湖泊濕地)中，李亞萍等[25]研究發現河口地區的總有機碳、可溶性有機碳和微生物量碳均顯著高于河漫灘和出湖濕地。這是由于河口濕地常年水淹狀態加速了土壤有機碳的溶解，增加了可溶性有機碳的含量。張文敏等[26]對杭州灣濕地(濱海濕地)的研究發現，互花米草在20 cm以內深度中，總有機碳和可用性有機碳含量均顯著高于相同土層的蘆葦、海三棱藨草和裸灘，這是由于互花米草所在位置含水量高，但是幾乎不受潮水侵蝕，而含水量同樣比較高的蘆葦地由于長期受潮水侵蝕，凋落物流失，導致有機碳含量偏低。趙光影等[27]研究發現，小興安嶺森林天然沼澤(沼澤濕地)的活性有機碳組分高于排水濕地、棄耕地和農田。崔東等[28]對伊犁河谷(河流濕地)不同植被狀態下的濕地地區研究發現，常年水淹的蘆葦濕地的可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物量碳含量均低于同一地區的雀稗濕地和拂子茅濕地。

由此可見，在垂直方向上，活性有機碳組分含量普遍呈現出隨土壤深度增加而降低的趨勢。在水平方向上，濕地中偏濕潤地區的活性有機碳均普遍高于較干燥地區，但是常年淹水的地方土壤呼吸力弱，植被覆蓋率偏低且腐殖質少，導致微生物量碳和易氧化有機碳反而偏低；可溶性有機碳由于可以溶解且變化快，因此常年淹水地區土壤可溶性有機碳損失的也較多。在土地利用方式上，自然發育的濕地有機碳及其組分普遍高于受人類活動干擾的濕地(表3)。

表3 不同地區濕地有機碳及其組分含量 g/kg

2.2 林地有機碳及其組分

森林是陸地生態系統的主要碳庫。每年固定的碳約占整個陸地生態系統的2/3，在調節全球碳平衡和減緩大氣中二氧化碳濃度的增加中起著重要作用[29]。

殷有等[30]對遼東山區3種林型的土壤有機碳進行研究，結果表明3種林型的土壤有機碳和活性有機碳含量以及活性有機碳各組分均是天然次生林最高，人工混交林居次，人工純林最低。對于江蘇鳳陽山，張勇等[31]的研究顯示，常綠闊葉林的總有機碳含量最高，杉木林和柳杉林居次，針闊混交林最低(表4)，主要原因是柳杉林凋落物遠大于針闊混交林, 較厚的凋落物層會大大減輕土壤侵蝕強度,并有效防止表土有機碳的流失。而易氧化有機碳在常綠闊葉林中最高，杉木林柳杉林中最低。這與之前學者研究發現的易氧化有機碳與總有機碳有顯著正相關性的結果相悖[32,33]，作者認為可能是由于杉木林、柳杉林凋落物中蠟質成分和角質成分多，難分解的有機碳較多，導致易氧化有機碳較低。習丹等[29]在城市化梯度上研究了亞熱帶常綠闊葉林及其組分，發現生物量碳含量郊區顯著高于城區，而可溶性有機碳城區顯著高于郊區，城市化促進了土壤活性碳分解，降低了穩定性碳組分，不利于城市土壤碳庫的保持。

表4 不同地區林地有機碳及其組分含量 g/kg

由此可見，林地在垂直方向上有機碳及其組分隨土壤深度增加而降低；在水平方向上，受人類活動干擾較大的地區土壤有機碳及其組分的變動也較大，打破了原有的土壤有機碳變化規律。天然生長不受人類干擾的森林地區土壤有機碳會高于受人類干擾嚴重的森林地區，樹種豐富的次生林和人工混交林有機碳會高于樹種單一的林地。受氣候、濕度、地表狀況的影響，同一類型的森林在不同地區有機碳及其組分表現各不相同，但差異不大。

2.3 草地有機碳及其組分

我國草地總面積約293萬km2,占國土面積的1/3左右，草地是陸地生態系統類型之一，其碳收支對全球碳平衡具有重要意義[34-36]。

劉育紅等[35]對青海省退化高寒草甸土的研究發現，隨著生態系統的退化，表層土壤中有機碳及其成分的含量發生了巨大變化。隨著退化程度的加劇，高寒草甸土壤有機碳含量迅速下降，損失嚴重。楊君瓏等[37]在研究寧夏草地時，觀察到山地草甸的土壤總有機碳含量最高，荒漠草原的微生物量碳含量最多，在同層土壤不同土地類型中，土壤易氧化有機碳均以典型草原最多。劉偉等[38]對黃土高原天然草地土壤的研究發現，在不同土層深度，高寒草甸草原的土壤有機碳含量均最高，荒漠草原最少，不同草地類型土壤有機碳均集中在0～40 cm的淺表層，有機碳含量與海拔呈顯著正相關，與年均溫呈顯著負相關，與年降雨量無關(表5)。草原地區由于物種不及濕地和森林地區豐富，外部環境因素對其土壤有機碳組分的影響會更加強烈且明顯。草原地區土壤活性有機碳組分與總有機碳組分沒有明顯的相關關系，而惰性有機碳與總有機碳呈高度正相關關系，說明草地土壤養分循環速率不高，有機碳庫較穩定[39]。

表5 不同地區草地有機碳及其組分含量 g/kg

2.4 耕地有機碳及其組分

農業土壤有機碳是全球碳循環的重要組成部分，由于其特殊性，農業土壤頻繁受到人類活動干擾，土壤有機碳及其組分處于動態變化當中，它影響著農田生態系統的可持續發展，因此研究農業土壤有機碳及其組分的變動對于選擇合理的耕作方式、穩定土壤碳庫意義重大[40-42]。

2.4.1 旱地有機碳及其組分 國內學者對于旱作土壤有機碳的研究多集中在秸稈還田和使用有機肥前后土壤狀況對比方面。張英英等[43]對隴中黃土高原旱作土壤的研究結果表明，免耕結合秸稈覆蓋可有效提高土壤有機碳及活性有機碳含量，有利于該地區旱地生態系統健康發展，減少碳庫損失。通過研究寧夏南部旱作農田土壤，路文濤等[44]發現秸稈還田能有效提高當地0～20 cm土層土壤有機碳含量和碳庫管理指數，在寧南旱區實施秸稈還田, 既有利于培肥地力, 提高作物產量, 也可以改善農田生態系統循環,促進當地農業的可持續發展。武均等[45]在黃土高原丘陵溝壑區的實驗發現，與傳統耕作相比，免耕僅對0～20 cm土壤有機碳組分有顯著影響，而秸稈添加對0～40 cm土層均有顯著影響。雖然耕作模式和秸稈添加對土壤有機碳的提升均有效果，但是秸稈添加的效果高于耕作模式變化帶來的效果。張鵬等[46]通過4年的秸稈還田實驗，與張英英和路文濤得到了一致的結果，發現土壤有機碳含量明顯提高，活性有機碳變化與總有機碳變化趨勢基本一致。張延等[16]在吉林省黑土分布區的定位實驗得出如下結論：耕作方式的變化對表層土壤有機碳含量有顯著影響，但在10～30 cm的土層作用不明顯，傳統耕作會導致深層土壤有機碳含量下降(表6)。

表6 不同地區旱地有機碳及其組分含量 g/kg

2.4.2 水田有機碳及其組分 在珠江三角洲平原農田，劉紅宜等[42]研究發現，土壤有機碳及其組分含量變幅較大且呈極顯著的正相關，有機碳隨土壤深度增加而逐漸下降，但在潛育層有所回升，這可能是受成土母質和腐爛植物殘體埋藏影響造成的。王璽洋等[47]實驗發現，長江三角洲典型水稻土上層土壤有機碳組分含量下降速度明顯快于下層土壤，惰性碳比例遠大于活性碳，他認為水稻土固碳重點在于惰性和慢性碳。在貴州省黃壤性水稻土的長期施肥實驗中，王小利等[48]發現，4個施肥處理的土壤有機碳及其組分含量均隨時間增長而增加，施用有機肥土壤的有機碳含量年均增加速率和增幅均高于不施肥及單施化肥處理的，總有機碳的年均增加速率分別為不施肥及單施化肥處理的3.5～3.7倍和1.5～1.6倍，他認為常量有機無機肥配施是提升土壤有機碳儲量的最有效模式(表7)。

表7 不同地區水田有機碳及其組分含量 g/kg

3 結論與展望

綜上所述，盡管土地利用方式各不相同，但土壤有機碳及其組分在垂直方向上的含量特征普遍表現為隨深度增加而降低，且淺表層土壤有機碳含量占土壤總有機碳含量的絕大部分。就表層土壤而言，因植被類型、植被覆蓋狀況和土壤質地、土壤耕作施肥管理等造成的水土氣的配比不同，有機碳及其組分的含量變化各不相同，土壤有機碳含量在自然生長的植被類型條件下明顯高于人類干擾地區。在人類活動頻繁的地區，土壤有機碳及其組分含量的變化更為活躍。耕作管理方式的改變對土壤有機碳含量產生積極的影響，長期秸稈還田能有效提高農田土壤有機碳含量。

由此可見，土壤有機碳及其組分的變化受多種因素的影響[49]，自然要素如母質、氣候、生物、地形、時間對土壤的影響是緩慢的，而人為因素對土壤的改變卻是迅速且巨大的。未來土壤有機碳的研究，應多關注以下幾點：重視土壤有機碳及其組分對人為環境因子變動的響應研究，如免耕、休耕等管理措施改變下土壤有機碳的敏感性研究；探尋增加土壤有機碳的有效人為處理措施，培肥農田土壤、防治土壤退化；闡明農田土壤有機碳的周轉模式和機理，及其對地球碳源、碳庫的影響。未來可結合多尺度多區域進行研究，實現區域參比。