杜章留，張慶忠，任圖生

(1.中國農業(yè)科學研究院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京10008; 2.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193)

農田土壤碳飽和機制研究進展

杜章留1，張慶忠1，任圖生2

(1.中國農業(yè)科學研究院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京10008; 2.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193)

農田土壤有機碳是土壤肥力的核心，與全球碳循環(huán)和氣候變化密切相關。然而，土壤有機碳水平并非無限度增加而是存在一個最大容量，或稱之為碳飽和水平。本文綜述了土壤有機碳的穩(wěn)定機制、碳飽和理論及其關聯(lián)性，總結了土壤碳飽和概念模型和飽和虧缺預測等方面的研究進展，分析了我國農田土壤碳飽和效應研究現(xiàn)狀，并對未來研究方向進行了展望。圖2，參52。

農田土壤;土壤有機碳;穩(wěn)定機制;碳飽和

0 引 言

作為全球碳循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，農田土壤有機碳 (SOC)庫的轉化和穩(wěn)定過程深刻影響大氣中CO2的濃度、土壤肥力和及其生態(tài)功能［1-4］。因此，通過合理管理措施提高土壤碳截留，對緩解氣候變化和保障糧食安全具有雙重作用［2］。然而，土壤有機碳固持水平并非無限度增加，而是存在一個最大容量，即碳飽和水平［5-6］。盡管土壤固碳數(shù)量問題得到了很大關注，但學術界對碳截留機制及其調控因子等關鍵科學問題的認識仍然不夠［7］。文章從土壤碳穩(wěn)定機制、碳飽和理論和概念模型、碳飽和虧缺預測、我國農田土壤碳飽和效應及未來研究展望幾個方面進行了概述。

1 土壤有機碳穩(wěn)定機制與碳飽和理論

土壤有機碳水平主要取決于有機碳輸入和輸出的動態(tài)平衡。土壤有機碳之所以能較為穩(wěn)定存在，很大程度上取決于土壤有機質的保護性機制，包括化學穩(wěn)定(chemical stabilization)、物理保護(physical protection)和生物化學穩(wěn)定(biochemical stabilization)［5，8-9］。其中，化學穩(wěn)定性得益于有機質與土壤礦物的化學和物理化學結合，因為土壤有機質的穩(wěn)定性與粘粉粒含量及礦物類型密切關系;物理保護性則源自土壤團聚體形成與有機質穩(wěn)定分異過程的互饋機制，團聚體在有機質與微生物、酶及其基質之間形成物理障礙并控制食物網的相互作用和生物周轉［10］;生物穩(wěn)定性則取決于有機質本身的化學成分 (如木質素、多酚等)和化學作用 (如濃縮作用)。因此，土壤固碳既是一個物理過程，也是一個化學過程，更是一個生物學過程［3，9，11］。

土壤固碳潛力(soil carbon sequestration potential)是指土壤在一定環(huán)境條件下具有的最大穩(wěn)定碳庫存能力，受區(qū)域氣候、土壤類型和農業(yè)管理措施的綜合影響［12］。孫文娟等［11］系統(tǒng)總結了土壤固碳潛力研究的國內外研究，將其歸納為三大類:基于農田管理措施的生物潛力(biological potential)、基于土壤機械組成的物理化學潛力(physicochemical potential)和基于生物潛力及社會經濟條件的社會經濟潛力(socioeconomic potential)。其中，生物潛力是考慮到當?shù)乜赡艿沫h(huán)境約束(如土地利用變化和生物資源等)和管理措施優(yōu)化調整 (如有機肥投入、秸稈還田、免耕措施等)條件下，土壤所能固持碳的最大量［13］;物理化學潛力則是基于土壤物理化學性質定義的。研究認為，土壤微形態(tài)結構、團聚體、粘粒含量及類型等與土壤有機碳固持存在密切關系［5，14］。土壤碳的物理化學潛力是從有機碳的穩(wěn)定機制出發(fā)的，不同類型土壤的機械組成差異決定了有機碳的結合方式和結合量［11］。文章主要從農田生態(tài)系統(tǒng)中生物潛力和物理化學潛力兩個方面進行論述。

大量研究表明，合理的農業(yè)技術如免耕、秸稈還田和施用有機肥等可以有效地提高土壤碳截留［2，15］。據Sun等［16］估算，在1980年-2000年間，中國農田土壤固定了437 Tg C，平均固碳速率為22 Tg C·yr-1。綜合有關管理措施對土壤固碳潛力估算的研究結果，無論采用試驗結果外推法還是模型模擬法，SOC水平與外源有機碳投入水平基本呈正比例線性關系［17］。換言之，只要有足夠的碳投入，SOC含量就會無限制地增加。然而，也有一些研究指出，在某些土壤 (尤其是碳含量高的土壤)中，盡管碳輸入在增加，SOC含量卻沒有顯著變化［18-21］。Campbell等［22］在長達31年的定位試驗上的研究表明，在有機碳含量豐富的土壤中，SOC含量并不隨碳的輸入而增加，而是穩(wěn)定在某一特定值上。顯然，線性模型在預測土壤固碳潛力方面存在一定不足:對于SOC含量很高的土壤或者在長期高碳投入的管理模式下，SOC并非無限度增加，而是存在一個極限值，即碳飽和狀態(tài)［5-6，23-24］。

圖1 土壤有機碳 (SOC)含量隨時間和有機碳投入的動態(tài)變化Fig.1 Changes of soil organic carbon(SOC)levelwith time under different C input levels(a)，and Changes of SOC level at steady state with C input levels(b)

隨著土壤外源有機碳投入的增長，SOC隨著時間的動態(tài)變化也有所差異。為此，我們從時間和有機碳投入兩個角度來闡述碳飽和與SOC動態(tài)變化的相關性，見圖1。從時間角度看，在相對穩(wěn)定的外源有機碳投入水平下，SOC含量隨時間呈現(xiàn)S形漸近線趨勢變化 (圖1a):在初期，本底值碳含量較低，SOC含量隨有機碳投入急劇增加，表現(xiàn)出一段時間的碳積累;而后SOC累積速率隨有機碳投入減緩，并逐步趨于相對穩(wěn)定狀態(tài) (圖1a中的穩(wěn)定狀態(tài)i)。如果外源碳投入水平再次增加，SOC水平較低的土壤仍有可能在更高水平上重復這一過程，導致SOC含量再次上升并達到新的穩(wěn)定狀態(tài) (圖1a中的穩(wěn)定狀態(tài)ii)。然而，對于特定的土壤，這種重復累積的過程并非必然，也不是沒有限制。事實上，隨著外源有機碳水平的增加，SOC含量上升到一定水平后不再因為碳投入的繼續(xù)增加而變化，并穩(wěn)定在該水平，此時的穩(wěn)定狀態(tài)即為土壤有機碳飽和狀態(tài)(圖1a中的狀態(tài)iii)。

從外源有機碳投入水平角度分析 (圖1b)，伴隨著外源有機碳投入水平的上升 (0→I1)，穩(wěn)定狀態(tài)下的SOC含量呈現(xiàn)出區(qū)域穩(wěn)定的漸近線趨勢上升:在碳低水平投入時，本底值碳含量較低土壤歷經有機碳累積后穩(wěn)定在較低的SOC水平 (圖1a中的穩(wěn)定狀態(tài)i);而后隨著碳投入水平的增加 (I1→I2)，SOC累積量增加，達到穩(wěn)定狀態(tài)時SOC水平也提高 (圖1a中的穩(wěn)定狀態(tài)ii))，但上升速率逐漸變小;在土壤趨向飽和狀態(tài)后，SOC含量變化趨于零，SOC水平達到最高水平并保持穩(wěn)定，不再隨著外源有機碳投入增加而上升［23］，此時的SOC水平即為該土壤的固碳潛力水平。初始SOC含量較低的土壤，其碳飽和虧缺值較大(saturation deficit，sd)。圖1b中，sd1和sd2分別為在碳投入水平I1和I2時，達到新穩(wěn)定狀態(tài)下與碳飽和水平的差值，sd1＞sd2。

土壤碳庫飽和度與其碳穩(wěn)定水平密切相關，直接影響土壤有機碳的分解和儲存速率。為了更好地描述土壤碳飽和度與固碳數(shù)量及速率的關系，Stewart等［23］提出了飽和虧缺(saturation deficit)概念，即有機碳理論飽和值與現(xiàn)有SOC含量之間的差值。土壤碳飽和虧缺的多少決定土壤的固碳效率 (有機碳貯量變化與投入量的比值)。當土壤碳接近飽和時，飽和虧缺下降，導致新投入碳的穩(wěn)定速率降低。土壤碳距離飽和的程度愈遠，對新投入碳的固持能力愈強;當土壤接近飽和時，由于飽和虧缺變小，SOC積累的速率和數(shù)量均降低［6，23］。土壤質地和礦物類型決定土壤碳飽和的最終水平以及達到飽和容量的速率。因此，在進行農田碳管理時，需要關注土壤碳飽和效應對土壤碳截留的影響，否則會直接導致土壤固碳潛力的誤估。

2 土壤碳飽和概念模型研究進展

對土壤固碳潛力的認識是一個漸近的過程。此前多數(shù)研究學者認為，SOC含量和外源碳輸入量呈線性相關，即土壤固碳潛力是無限的。隨著研究的深入，越來越多的學者逐步認識到SOC固持受土壤本身特征如粘粒含量、礦物組成和土壤結構等內在因素的制約，對此線性增長理論提出質疑。例如，土壤粘土礦物和有機碳結合可以形成有機-礦質復合體，把有機碳密封在微小的孔隙中避免了微生物的分解［25］。然而，在分離的純粘粒中，Harter和Stotzky［26］發(fā)現(xiàn)粘粒表面吸附作用導致的有機碳穩(wěn)定作用存在有限性。有研究證實，隨著粉粒和粘粒含量增加，土壤有機質的殘留量不斷提高，二者呈一定的正相關關系。在此基礎上，Hassink［27］把粉粒和粘粒結合態(tài)碳庫定義為土壤碳庫穩(wěn)定容量。Baldock和Skjemstad［28］也指出，每種礦物都具有特定的穩(wěn)定有機碳的能力，這不僅取決于礦物表面對有機質的吸附性，還與礦質組分的化學性質、陽離子存在與否以及土壤結構密切相關。Cater等［29］提出了一個概念性模型。他們將整土碳儲存能力與土壤特定組分聯(lián)系在一起，這些組分包括粉粘粒組分 (＞20μm)、微團聚體 (20μm～250μm)、大團聚體 (＞250μm)和顆粒有機質組分 (＞53μm)。他們的研究表明，隨著SOC濃度的增加，粉粘粒結合態(tài)碳會達到飽和，進一步的碳積累將發(fā)生在團聚體和顆粒有機質組分中。

在大量研究工作的基礎上，Six等［5］提出了新的土壤碳庫概念模型，見圖2。該模型不僅包括與粉粘粒結合、受保護的化學穩(wěn)定碳(chemical stabilization)，與微團聚體結合的物理保護碳(physical protection)和與有機質本身化學成分有關的生物化學穩(wěn)定碳(biochemical stabilization)，還包括未被保護的游離態(tài)有機碳(non protection)。該四庫模型的每個庫均有其特定的飽和水平，并且每個庫的積累均依賴于其飽和虧缺值。理論上，整體土壤碳庫飽和行為的發(fā)生是上述四個碳庫的累積效應。該土壤碳飽和模型從機理上較好地解釋了土壤固碳的動態(tài)變化特征。土壤有機碳的穩(wěn)定性與有機質的組成和分布以及土壤的結構和組成有很大關系。土壤有機碳水平很大程度上取決于土壤中惰性或者受保護有機碳/有機質的絕對含量及其相對比例。

圖2 土壤碳飽和四庫概念模型 (粉粘粒結合態(tài)、微團聚體保護態(tài)、生物化學保護態(tài)和非保護態(tài)碳)Fig.2 The soil carbon saturation conceptualmodel that includes silt and clay protected C pool，microaggregate protected C pool，biochemically stabilized C pool and unprotected C pool

近年來，一些研究基于長期定位試驗或室內培養(yǎng)實驗對該模型進行了驗證了和發(fā)展［20，24，30-32］。利用該概念模型，一些學者發(fā)現(xiàn)，盡管在整土尺度上碳庫并沒有表現(xiàn)出飽和效應，但在某些惰性土壤組分中(微團聚體結合態(tài)碳、粉粘粒組分)已經呈現(xiàn)出碳飽和跡象［21，24，33］。因此，土壤各組分碳庫并非同時達到飽和狀態(tài)，而呈現(xiàn)明顯的分級飽和現(xiàn)象［21，27，29］。類似土壤團聚體形成的等級理論［14］，有學者提出了土壤碳飽和的等級概念模型［31，34］。也就是說，在有機質為主要粘結劑的土壤中，不同土壤顆粒存在不同的碳飽和值，并且按照粒級由小到大的順序逐級飽和。當土壤接近飽和時，土壤礦質組分均已達到飽和，繼續(xù)增加外源碳庫投入只會使碳截留在非保護的土壤組分中。這些碳庫中的有機質穩(wěn)定性較差并易受到管理措施的改變而分解［6，21，31，33-34］。最先達到飽和的組分被稱作 “診斷組分” (如粉粘粒組分和微團聚體組分)。這些易達到碳飽和態(tài)的土壤組分，在預測土壤碳飽和潛力和穩(wěn)定碳庫容量等方面具有重要作用。

3 土壤有機碳飽和虧缺預測

土壤碳飽和等級性為研究土壤固碳潛力提供了一個重要契機。以此為基礎，一些學者陸續(xù)提出了預測土壤碳飽和容量的經驗公式和參數(shù)指標，用來估算特定區(qū)域和管理措施下土壤碳飽和虧缺程度。值得指出的是，在影響土壤有機碳固持的眾多因子中 (如機械組成、粘土礦物類型、pH值、物理結構及其養(yǎng)分狀況等)，土壤礦物組分能夠與有機質通過物理、化學鍵的作用形成一種穩(wěn)定狀態(tài)，稱之為化學穩(wěn)定型(chemical stabilization)［5］，這種有機-無機復合體具有較強穩(wěn)定性，被視為是固碳容量的控制因素［5，6，21，23，28］。

Hassink［27］最先利用土壤礦質組分 (＜20μm)結合態(tài)碳庫作為碳庫穩(wěn)定容量，并提出了著名的經驗公式:組分C飽和(mg C g-1組分)=4.09+0.37×%礦質顆粒(＜20μm)。這一經驗公式隨后得到了廣泛的應用［35-37］。然而Feng等［38］指出，在利用Hassink［27］經驗公式估算理論保護容量時，若忽視礦物類型(1:1或者2:1)將會導致錯誤的估計。他們提出采用碳負荷法 (C loading method)和邊界線性法(boundary linemethod)來預測碳飽和容量。所謂有機碳負荷就是土壤礦質組分所能穩(wěn)定的碳數(shù)量，可用單位礦質組分表面積所能承載的有機碳數(shù)量來表示 (mg C·m-2)。Mayer［39］指出，土壤和沉積物中的最大碳負荷為1 mg C·m-2。Beare等［40］進一步指出，礦質顆粒(＜20μm)的表面積(surface area)較其含量能夠更準確估算碳庫的穩(wěn)定容量。蔡岸冬等［41］提出利用土壤礦物結合態(tài)有機碳 (＜53μm)這一指標評估土壤固碳潛力。他們發(fā)現(xiàn)，我國農田、草地和林地中土壤礦物結合態(tài)有機碳含量與土壤細顆粒 (＜53 μm)含量均呈極顯著的正相關關系，其飽和程度分別為68.4%、58.7%和91.5%。文獻分析表明，絕大多數(shù)土壤礦物結合態(tài)碳庫 (＜53μm或＜20μm)還未達到飽和，表明這些土壤仍具有固持較多碳庫的潛力［33，35-37］。

總之，礦物結合態(tài)碳是土壤有機碳固持的重要機制之一。今后的研究應深入探討不同區(qū)域和管理措施下土壤有機碳及礦物結合態(tài)有機碳含量、分配比例及其差異性特征，這對于深刻認識土壤碳庫現(xiàn)狀、固碳潛力及其未來碳管理均具有重要意義。

4 我國農田土壤碳飽和效應分析

目前，國際上估算土壤固碳潛力主要采用Century、DNDC、Roth-C和EPIC等機理模型。這些模型中均用一級動力學方程模擬土壤有機碳分解，意味著平衡狀態(tài)下的碳儲量與碳投入成正比例增加，而沒有考慮到土壤碳飽和狀態(tài)的存在。West和Six［6］曾指出，土壤對有機碳的固持在遠離其飽和點時，一級動力學方程能較好地模擬有機碳的變化，而接近飽和時，漸近線方程則更為恰當，但現(xiàn)有模型多數(shù)并沒有考慮碳飽和情景。采用全國尺度和省級尺度以及長期試驗區(qū)域對比分析，國內一些學者指出［15，42-43］，通過調控管理措施 (如增加有機肥、秸稈還田以及有機肥無機肥配施等)可以增加我國農田土壤碳蓄積量。也有一些學者利用外推估算法和模型模擬法估算了我國農田土壤固碳潛力［42，44-46］，但這些研究并沒有充分考慮到碳飽和效應對固碳潛力的影響。因此，在基于現(xiàn)有試驗和模型外推時土壤固碳潛力一定要謹慎。

近年來，有關土壤碳飽和效應對農田固碳潛力的影響，逐漸受到了我國學者的關注［11-12，47］。一些模型模擬和田間測定表明，有機碳固持在初始幾年增加較快，然后變平穩(wěn)及降低的趨勢;在初始SOC含量較低時，隨著外源碳投入增加，土壤會固持更多有機碳［43，48-49］。也有一些研究考慮到了碳飽和效應，如韓冰等［47］利用DNDC模型估算了我國分省農田土壤碳庫的飽和水平，并分析了不同地區(qū)農田土壤固碳潛力的差異性。覃章才和黃耀［12］基于農田土壤碳飽和理論，構建了由氣溫、降水、土壤粘粒含量和pH驅動的農田土壤固碳潛力模型，并對河南省農田土壤固碳潛力進行了估算。結果表明，該省農田表土 (0～20 cm)碳飽和密度平均約為32 t·hm-2;通過改進農田管理措施，以20世紀90年代的SOC水平為參照，未來可望增加土壤固碳約為100 Tg?；谖覈狈?個長期定位試驗 (公主嶺、烏魯木齊、張掖、昌平、鄭州和徐州)，Zhang等［50］發(fā)現(xiàn)，不同肥料管理措施下土壤整土固碳速率與碳投入呈正相關關系，表明這些土壤仍具有固碳潛力。在田塊尺度上，一些學者發(fā)現(xiàn)，盡管長期施肥后整土有機碳含量仍繼續(xù)增加，但在一些較穩(wěn)定碳庫組分 (如化學保護態(tài)和生物化學保護態(tài)碳等)呈現(xiàn)碳飽和跡象［16，33，51-52］。總體而言，我國農田固碳潛力的研究大都集中在宏觀尺度上 (田塊、區(qū)域和全國)，而在微觀尺度下土壤固碳潛力與碳飽和機理方面還缺少系統(tǒng)研究，需要在今后的研究中進一步加強。

5 土壤碳飽和研究展望

農田土壤有機碳飽和碳容量受區(qū)域氣候條件、土壤類型、管理措施和初始有機碳含量等多種因素影響。為了進一步豐富和發(fā)展農田生態(tài)系統(tǒng)土壤碳截留理論，更好地服務于區(qū)域/國家尺度的碳管理決策，今后應加強研究我國特色農田管理下的土壤固碳容量、相關過程及其機理。具體應考慮以下幾個方面的問題。

第一，農田土壤有機碳飽和過程、機理及相關影響因子。目前關于土壤碳飽和的研究多集中于有機-礦質復合體水平上，而團聚體物理保護能力作為土壤固碳自然潛力的物理基礎，其微觀結構中有機碳的存在狀態(tài)、結合形態(tài)及相關的固定機制研究還較少。此外，特定土壤組分結合態(tài)有機碳的生物化學特性(如木質素、木栓素和角質含量)與碳飽和之間的關聯(lián)性尚不清楚，應當予以關注。比如，隨著碳飽和虧缺的降低，是否會優(yōu)先保護惰性成分有機質等。

第二，不同類型農田生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳飽和效應的驅動因子。由于旱地和水田中土壤團聚體形成和有機碳穩(wěn)定機制等方面的差異性，二者的土壤碳飽和發(fā)生機制和過程可能差別較大?，F(xiàn)有研究多集中在溫帶旱地生態(tài)系統(tǒng)，缺乏關于水稻土壤中鐵、鋁氧化物在團聚性、有機碳穩(wěn)定機制及其與碳飽和發(fā)生機制方面的深入研究。此外，由于土壤碳氮元素之間存在共同依賴、轉化和協(xié)作關系，土壤氮素狀況如何影響有機碳飽和過程將是今后值得進一步深入探討的問題。

第三，田塊尺度土壤碳飽和水平評估方法和區(qū)域土壤固碳潛力模型的改進。在田塊尺度上，關于土壤飽和水平的評估方法尚不完善。例如，采用Hassink模型還是最大碳負荷法(maximal C loading method)，仍然沒有統(tǒng)一標準。在區(qū)域尺度上，無論是基于長期定位試驗的外推估算法，還是基于情景假設的模型模擬法，估算土壤固碳潛力時大多沒有考慮土壤固碳容量的有限性。如何將宏觀尺度的有機碳周轉模型與微觀尺度的土壤碳穩(wěn)定過程和飽和機制有機結合起來，是進一步探討土壤固碳潛力研究的重要方向。

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Advances of Soil Carbon Saturation M echanism s in Agroecosystem s

DU Zhang-liu1，ZHANG Qing-zhong1，REN Tu-sheng2
(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China;2.College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China)

Soil organic carbon(SOC)sequestration in croplands plays a critical role in enhancing soil fertility，global C cycle and associated climate change.However，soils could potentially sequester additional C following changes in management practices until the maximum soil C capacity，or soil C saturation，is achieved.This paper summarizes the current research advances on SOC stabilization mechanisms，C saturation theory and conceptualmodels，aswell as themethods used to estimate C saturation deficit.Current status of carbon saturation researches of China，and perspectives in future studies are also presented.

agricultural soil;soil organic carbon;stabilization mechanism;carbon saturation

10.11689/j.issn.2095-2961.2015.02.001

2095-2961(2015)02-0049-08

S155.4

A

2015-04-28.

中國博士后基金特別項目 (201104164);國家科技支撐項目 (2012BAD14B01);國家自然基金項目 (31261140367).

杜章留 (1978-)，男，山東鄄城人，副研究員，研究方向為土壤環(huán)境質量與碳氮循環(huán).

任圖生 (1963-)，男，山西中陽人，教授，研究方向為土壤與環(huán)境物理.