張 延，梁愛珍，張曉平，陳學(xué)文

(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130102; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳物理保護(hù)機(jī)制研究

張 延1，2，梁愛珍1，張曉平1，陳學(xué)文1

(1.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130102; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

提升土壤中有機(jī)碳固定量在修復(fù)退化土壤，降低土壤CO2釋放，增加土壤肥力，提高作物生產(chǎn)力方面具有重要作用。在有機(jī)碳固定方面，土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳的物理保護(hù)是土壤固碳的重要機(jī)制之一。文章從①土壤團(tuán)聚體形成概念模型;②土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳的物理保護(hù);③土壤團(tuán)聚體物理性質(zhì)與有機(jī)碳固定三個方面闡述了國內(nèi)外關(guān)于土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳物理保護(hù)機(jī)制的研究進(jìn)展，并提出今后可能的研究方向。圖1，參50。

土壤團(tuán)聚體;土壤有機(jī)碳;物理保護(hù)機(jī)制

全球氣候變化引起了許多科學(xué)家對陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳平衡的關(guān)注，而土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉(zhuǎn)時間最慢的碳庫，土壤碳庫的微小變化都會影響大氣CO2的濃度乃至全球氣候變化［1］。土壤碳庫由有機(jī)碳庫和無機(jī)碳庫兩大部分組成，土壤無機(jī)碳庫占的比例較?。?］，因而土壤有機(jī)碳 (Soil organic carbon，SOC)的分布及其轉(zhuǎn)化日益成為全球碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)。

研究表明，土壤固碳功能貫穿土壤團(tuán)聚體形成、穩(wěn)定及更新周轉(zhuǎn)過程的始終［3］。表土中近90%的土壤有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)［4］。土壤團(tuán)聚體對SOC的物理保護(hù)是SOC穩(wěn)定的最主要機(jī)制之一。針對團(tuán)聚體對有機(jī)碳物理保護(hù)機(jī)制的研究在近十幾年才陸續(xù)出現(xiàn)［5］，文章從①土壤團(tuán)聚體形成概念模型;② 土壤團(tuán)聚體對SOC的物理保護(hù);③土壤團(tuán)聚體物理性質(zhì)與SOC固定三個方面闡述國內(nèi)外關(guān)于土壤團(tuán)聚體對SOC物理保護(hù)機(jī)制的研究進(jìn)展，并提出今后可能的研究方向。

1 土壤團(tuán)聚體形成概念模型

團(tuán)聚體的形成與周轉(zhuǎn)模型是理解和研究SOC動態(tài)的基礎(chǔ)，有助于理解SOC在團(tuán)聚體中的固定機(jī)制［6］。因此在眾多團(tuán)聚體形成中都強(qiáng)調(diào)了SOC的作用，大部分模型認(rèn)為土壤是通過有機(jī)或無機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的作用進(jìn)而形成不同大小團(tuán)聚體。

團(tuán)聚體形成模型的發(fā)展主要分為三個歷程，1982年Tisdall和Oades［7］通過對澳大利亞砂壤土的實(shí)驗(yàn)，首次提出團(tuán)聚體的層次發(fā)育模型，見圖1。持久穩(wěn)定性的含碳膠結(jié)物質(zhì) (芳香類物質(zhì))將小顆粒結(jié)合成微團(tuán)聚體，微團(tuán)聚體再通過多糖或菌絲根系等膠結(jié)物質(zhì)形成大團(tuán)聚體。該模型指出，大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體易分解，微團(tuán)聚體的形成是大團(tuán)聚體形成的前提條件，同時有機(jī)質(zhì)是其形成過程中最重要的膠結(jié)物質(zhì)。在美國北部草地土壤的實(shí)驗(yàn)中，Elliott［8］也驗(yàn)證了該模型。

1984年Oades［9］重新修訂了該模型，模型提出根系和菌絲可以直接促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，而微團(tuán)聚體的形成可以發(fā)生在大團(tuán)聚體內(nèi)。微團(tuán)聚體 (＜20μm)是由大團(tuán)聚體 (＞250μm)先分解形成中型微團(tuán)聚體 (20μm～250μm)，再進(jìn)一步分解形成的。大團(tuán)聚體分解主要受松結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)與多糖的影響，而微團(tuán)聚體則主要受緊結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)和粘粒的影響［10］。修訂后的模型成為了當(dāng)代大部分團(tuán)聚體形成機(jī)制研究中的通用模型。Golchin等［11］在1998年提出了和Oades相似的模型，該模型指出大團(tuán)聚體 (＞250μm)分解成中等大小微團(tuán)聚體 (＜250μm)，然后再分解成閉蓄在細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)中的＜20μm級微團(tuán)聚體，突顯了顆粒有機(jī)質(zhì)在團(tuán)聚過程中的作用。Angers等［12］在小麥秸稈的田間培養(yǎng)試驗(yàn)也驗(yàn)證了Golchin的模型理論。實(shí)驗(yàn)主要觀察13C的轉(zhuǎn)移情況，結(jié)果表明，在分解初期大團(tuán)聚體中首先出現(xiàn)13C的累積，短時間后13C在大團(tuán)聚體中累積量逐漸下降，微團(tuán)聚體中累積量呈上升趨勢。這種13C從大團(tuán)聚體向微團(tuán)聚體中轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，說明微團(tuán)聚體先在大團(tuán)聚體中形成，隨后從大團(tuán)聚體中分解出來。

1998年Six等［13］以悉尼的壤土為實(shí)驗(yàn)土壤，提出了 “土壤團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)的胚胎模型”，首先，新鮮有機(jī)殘體作為膠結(jié)物質(zhì)促進(jìn)大團(tuán)聚體形成;其次，大團(tuán)聚體內(nèi)的顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)(Particulate organic matter，POM)有助于微團(tuán)聚體的形成，伴隨粗POM分解為細(xì)POM，細(xì)POM被微生物或礦物包裹形成富含作物源C的微團(tuán)聚體;最后大團(tuán)聚體破碎后將微團(tuán)聚體釋放出來。

圖1 團(tuán)聚體形成模型進(jìn)展(引自Humberto Blanco-Canqu and Rattan Lal，2004)Fig.1 Models of Aggregation Process(Humberto Blanco-Canqu and Rattan Lal，2004)

2 土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳的物理保護(hù)

土壤團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體(＞250μm，Macroaggregates)和微團(tuán)聚體(＜250μm，Microaggregates)［7］。由于大團(tuán)聚體的總數(shù)量小于微團(tuán)聚體，導(dǎo)致SOC仍主要分布在微團(tuán)聚體中，研究表明，70%以上的SOC存在于＜53μm的微團(tuán)聚體中［14］。但一般土壤大團(tuán)聚體中SOC濃度比微團(tuán)聚體高［15-16］，是由于有機(jī)質(zhì)把微團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體［17］，同時大團(tuán)聚體中正在分解的植物根系和各類菌絲也會提高其SOC濃度［18］。

土壤團(tuán)聚體的形成過程是土壤物理、化學(xué)、生物的共同作用，通常這一過程中包含著黏粒和有機(jī)聚合物配位基團(tuán)之間通過多價陽離子的鍵合［3］。研究認(rèn)為，被團(tuán)聚體包裹的SOC一部分以顆粒形式存在于孔隙中，其它則直接與組成微團(tuán)聚體的礦物顆粒結(jié)合［19］。SOC在團(tuán)聚體內(nèi)的周轉(zhuǎn)時間因團(tuán)聚體大小而異。研究發(fā)現(xiàn)，由于大團(tuán)聚體內(nèi)微團(tuán)聚體顆粒之間的SOC周轉(zhuǎn)快，導(dǎo)致SOC在大團(tuán)聚體內(nèi)僅存在幾年，而在微團(tuán)聚體內(nèi)SOC最長的可達(dá)1個世紀(jì)［20］。同時，在溫帶地區(qū)的研究結(jié)果顯示，不同級別團(tuán)聚體的不同位置對SOC的物理保護(hù)程度也不盡相同，其順序?yàn)?黏砂粒結(jié)合處＞微團(tuán)聚體內(nèi)部＞大團(tuán)聚體內(nèi)微團(tuán)聚體外部＞團(tuán)聚體外游離部分［21］。

3 土壤團(tuán)聚體物理性質(zhì)與有機(jī)碳固定

土壤團(tuán)聚體和SOC的累積有很大的關(guān)系，SOC促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成，而團(tuán)聚體又能保護(hù)SOC，減少微生物的分解礦化。長期的研究指出土壤的結(jié)構(gòu)特征與SOC存在密切聯(lián)系［22］，Six［23］的研究發(fā)現(xiàn)SOC的減少伴隨著土壤結(jié)構(gòu)的退化。類似以上關(guān)于土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與有機(jī)質(zhì)關(guān)系的研究很多［15，24］，但關(guān)于團(tuán)聚體的物理性質(zhì)和有機(jī)碳固定的專一研究很少，同時獨(dú)立的團(tuán)聚體的行為機(jī)制與整體土壤存在差異性［25］，而這些行為機(jī)制影響到了SOC的固定，所以對于土壤團(tuán)聚體物理性質(zhì)對SOC固定的研究更為重要。

3.1 密度和孔隙度

團(tuán)聚體的密度和孔隙度的變化與SOC的積累之間的關(guān)系非常敏感［26］。SOC累積量的升高與土壤團(tuán)聚體的密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系［27］。Zhang［25］研究表明團(tuán)聚體孔隙度的上升和團(tuán)聚體密度的下降會伴隨著有機(jī)質(zhì)的增加。同樣的，在輪作的耕地中，SOC的增加也會伴隨著團(tuán)聚體密度的下降［28］。團(tuán)聚體內(nèi)部的孔隙度大小影響土壤濕度曲線，進(jìn)而影響被包裹著的土壤有機(jī)碳［29］。Munkholm和Kay［30］研究認(rèn)為在施肥土壤中粒徑為4 mm～8 mm的團(tuán)聚體密度較低，但是孔隙度很高。因此，團(tuán)聚體的密度和孔隙度可以用來解釋或表征土壤有機(jī)碳的動態(tài)變化。

傳統(tǒng)的土壤孔隙研究方法主要是通過水分特征曲線、壓汞曲線、飽和導(dǎo)水率或吸附曲線等計(jì)算土體孔隙的大小和數(shù)量，這些方法均建立在一定的假設(shè)基礎(chǔ)上，不能實(shí)際的反映出土壤孔隙的真實(shí)情況［31］。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用CT掃描技術(shù)，結(jié)合圖像處理軟件 (ImageJ)可精確的觀測到土壤孔隙度分布情況，而同步輻射技術(shù)可以推動團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)研究。

3.2 持水量

土壤持水量是一個可以敏感反映SOC累積的指標(biāo)［29］。1993年Leffelaar［32］提出水分保持是衡量團(tuán)聚體動態(tài)變化的一個有價值的指標(biāo)。Diaz-Zorita和Grosso［33］認(rèn)為在粘性土壤中，有機(jī)碳含量上升導(dǎo)致土壤持水量升高，存在正相關(guān)關(guān)系。Snyder［34］發(fā)現(xiàn)不論是在團(tuán)聚體間孔隙 (0～0.033 MPa)還是團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙(-0.033 MPa～0.08 MPa)，SOC均會隨著土壤保水容量的增加而升高。＜8 mm的團(tuán)聚體持水量會隨著細(xì)小有機(jī)質(zhì)的合并而增加［25］。這些研究都表明團(tuán)聚體內(nèi)的土壤持水量可以作為SOC動態(tài)變化的一項(xiàng)敏感指標(biāo)。

3.3 團(tuán)聚體的大小與穩(wěn)定性

土壤有機(jī)碳的水平通常與穩(wěn)定性團(tuán)聚體 (抗外力分散的土壤團(tuán)聚體)的數(shù)量相聯(lián)系［35］，Wiesmeier［36］提出了一個適用于半干旱草原土壤有機(jī)碳物理保護(hù)的概念模型，他認(rèn)為土壤有機(jī)碳受到土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和對外界機(jī)械壓力的敏感性影響較大。Chaney和Swift［37］通過對120個土樣的分析認(rèn)為團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和有機(jī)碳存在正相關(guān)關(guān)系 (r=0.66)。Golchin［24］也報道了1 mm～2 mm的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與有機(jī)碳之間的相關(guān)關(guān)系 (r=0.86，n=8)。LI［38］對長期施用有機(jī)肥的土壤研究發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性對微生物活性有機(jī)碳的影響極為敏感，進(jìn)而影響SOC的變化。

同時，不同粒級的團(tuán)聚體對SOC的保護(hù)程度也不盡相同，較大的團(tuán)聚體 (＞250μm)中有機(jī)碳的分解的必要條件是足夠的空氣和水，其分解過程的速度大部分取決于團(tuán)聚體內(nèi)孔隙度的大小;而微團(tuán)聚體內(nèi)(20μm～250μm)的孔隙，如小于細(xì)菌所能通過的限度 (3μm)時，SOC的降解只能依靠胞外酶向基質(zhì)擴(kuò)散，是一個極大的耗能過程，因此SOC的分解速度降低，更加有利于SOC的保存［39］。Plaza和Cantero［40］對地中海半干旱的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，研究表明在持續(xù)免耕的條件下，微團(tuán)聚體中碳含量的提高是土壤有機(jī)碳的主要保護(hù)機(jī)制。

但是關(guān)于土壤團(tuán)聚體大小與有機(jī)碳累積間關(guān)系的研究并沒有一致的定論。Jastrow［15］認(rèn)為團(tuán)聚體大小與有機(jī)碳相關(guān)關(guān)系較低，然而Hernanz［41］在一個長期的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳積累量與風(fēng)干的團(tuán)聚體 (1 mm～2 mm)存在正相關(guān)關(guān)系。這種矛盾的結(jié)果說明土壤團(tuán)聚體大小與有機(jī)碳的關(guān)系是非常復(fù)雜的，存在很多潛在的交互作用，需要我們進(jìn)一步研究，并不能僅僅通過簡單的相關(guān)關(guān)系來解釋。

3.4 團(tuán)聚體抗拉強(qiáng)度

團(tuán)聚體的抗拉強(qiáng)度(Tensile strength)可以通過壓碎法進(jìn)行直接測量［42］，但關(guān)于團(tuán)聚體的抗拉強(qiáng)度與有機(jī)碳積累間的關(guān)系，目前尚存在不一致的研究結(jié)果。Rogowski［43］、Bartoli［44］認(rèn)為團(tuán)聚體抗拉強(qiáng)度與有機(jī)碳之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，但Watts和Dexter［45］的研究結(jié)果卻表明二者存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。Zhang［25］的研究認(rèn)為團(tuán)聚體抗拉強(qiáng)度與SOC間的關(guān)系并不是單純的相關(guān)關(guān)系，因?yàn)榭估瓘?qiáng)度還受到土壤持水量，團(tuán)聚體密度等因素的影響。近年來關(guān)于團(tuán)聚體抗拉強(qiáng)度和SOC間關(guān)系的研究趨于精細(xì)，Blanco-Moure和Angurel［46］的研究表明，土壤的管理和耕作方式對團(tuán)聚體抗拉強(qiáng)度的影響很大，長期免耕降低了團(tuán)聚體抗拉強(qiáng)度，同時增加了土壤表層0～5 cm的SOC含量。所以，在不同耕作管理方式下，團(tuán)聚體抗拉強(qiáng)度可以作為一個敏感指標(biāo)來揭示SOC的動態(tài)變化。

4 未來研究方向展望

土壤團(tuán)聚體和SOC是不可分割的，前者是后者存在的場所，后者是前者存在的膠結(jié)物質(zhì)，二者相互影響和制約［39］，有研究認(rèn)為表層和耕層土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定更依賴于團(tuán)聚體的物理保護(hù)［47］。隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者在特定類型土壤中關(guān)于團(tuán)聚體對有機(jī)碳物理保護(hù)的研究也日益增多［48-49］，Krol［50］等通過掃描電鏡和X射線分光譜技術(shù)對8 mm～19mm土壤團(tuán)聚體進(jìn)行了線性分析，研究發(fā)現(xiàn)表層施加石灰的免耕土壤中團(tuán)聚體對SOC的物理保護(hù)更好。然而，由于團(tuán)聚體對SOC的物理保護(hù)機(jī)制非常復(fù)雜，明顯受到土壤類型、土壤管理措施、土層深度及有機(jī)碳降解難易程度等因素的影響，因此至今尚無普遍應(yīng)用的模型。文章認(rèn)為今后的可能研究方向主要為以下幾點(diǎn):

①在借助新的圖像獲取和數(shù)字圖像處理技術(shù)來獲取團(tuán)聚體孔隙度、孔隙大小以及孔隙連通度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，著重探究其團(tuán)聚過程并實(shí)現(xiàn)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對有機(jī)碳影響的定量研究，揭示團(tuán)聚體對有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制。

②同時可以結(jié)合不同水分、溫度梯度下的土壤有機(jī)碳含量，探求土壤溫度、水分、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳間的耦合關(guān)系。

③進(jìn)一步可以將土壤微生物 (真菌、細(xì)菌)、土壤動物等對土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的影響與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對有機(jī)碳的保護(hù)結(jié)合起來，對更加全面深入的了解團(tuán)聚體對有機(jī)碳的保護(hù)機(jī)制會有所幫助。

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Progress in Soil Aggregates Physical Conservation M echanism for Organic Carbon

ZHANG Yan1，2，LIANG Ai-zhen1，ZHANG Xiao-ping1，CHEN Xue-wen1
(1.Key Laboratory of Mollisoils Agroecology，Northeast Institute of Geography and Agroecology，CAS，Changchun 130102，China; 2.University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China)

The increase in soil organic carbon plays an important role in restoring degraded soil，reducing soil CO2 emission，and enhancing soil fertility and productivity.Physical protection of soil carbon sequestration by soil aggregates is one of the most important mechanisms for conserving soilorganic carbon.This paper summarizes the research progress aboutphysical protectionmechanism of carbon sequestration by soil aggregates from the followingthree aspects:①themodel of soil aggregates formation;②the physical protection of organic carbon in soil aggregates;③the influence between physical properties within aggregates and organic carbon sequestration.The future research directions are proposed as well.

soil aggregate;soil organic carbon;physical protection mechanism

10.11689/j.issn.2095-2961.2015.02.006

2095-2961(2015)02-0085-06

S152.4+81

A

2014-10-24;

2014-11-10.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (31170483);中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目 (KZZD-EW-TZ-16-02);中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 “優(yōu)秀青年人才”基金項(xiàng)目 (DLSYQ12003).

張延 (1992-)，女，吉林白山人，在讀碩士，研究方向?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體與有機(jī)碳固定.

梁愛珍 (1979-)，女，山西交城人，副研究員，主要從事土壤管理與土壤有機(jī)質(zhì)研究.