王 星, 段建軍

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)煙草學(xué)院/貴州大學(xué)煙草品質(zhì)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

?

■研究進(jìn)展

中國(guó)西南地區(qū)土壤有機(jī)碳研究現(xiàn)狀與展望

王 星1, 段建軍2

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)煙草學(xué)院/貴州大學(xué)煙草品質(zhì)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

土壤有機(jī)碳是反映土壤肥力和評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，同時(shí)對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著重要作用。文章主要從土壤有機(jī)碳庫及碳儲(chǔ)量、西南地區(qū)喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳研究、有機(jī)碳分組方法的應(yīng)用等幾方面對(duì)我國(guó)西南地區(qū)土壤有機(jī)碳的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析總結(jié)，為提升西南地區(qū)農(nóng)田土壤肥力、固碳潛力及農(nóng)田的可持續(xù)利用提供指導(dǎo)及理論依據(jù)。

土壤有機(jī)碳；碳儲(chǔ)量；西南地區(qū)

土壤有機(jī)碳由動(dòng)物、植物及微生物的生物殘?bào)w及其部分分解產(chǎn)物和土壤腐殖質(zhì)組成，其中土壤和沉積物中形成的腐殖質(zhì)是地球上最大的土壤有機(jī)碳庫(生物圈的四倍)。土壤有機(jī)碳不僅為微生物和植被生長(zhǎng)及腐生動(dòng)物生活提供碳源，也是重要的生態(tài)因子[1]，可以維持良好的土壤物理結(jié)構(gòu)，保持土壤生物多樣性等。

近年來人們對(duì)土壤有機(jī)碳的關(guān)注度越來越高，對(duì)土壤有機(jī)碳的研究不僅關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還與水土保持、荒漠化治理有著密切的聯(lián)系。西南地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，全年雨量充沛，濕度較大。該地區(qū)的成土母質(zhì)主要為砂頁巖、石灰?guī)r、花崗巖，在此基礎(chǔ)發(fā)育的土壤結(jié)構(gòu)疏松，持水性差。另外，該地區(qū)主要以山地為主，地形破碎，坡地易發(fā)生水土流失。其獨(dú)特的地形和地貌條件、水熱條件以及土壤的發(fā)育條件等為土壤有機(jī)碳的研究提供了理想場(chǎng)所?，F(xiàn)就多年來國(guó)內(nèi)對(duì)西南地區(qū)土壤有機(jī)碳的探索研究做總結(jié)分析，從而為西南地區(qū)土壤可持續(xù)利用和進(jìn)一步穩(wěn)定提高土壤有機(jī)碳庫儲(chǔ)量提供理論參考。

1 土壤有機(jī)碳研究意義

1.1 農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫動(dòng)態(tài)研究的意義

土壤有機(jī)碳作為農(nóng)田系統(tǒng)中土壤肥力的重要組成部分，是反映土壤肥力和評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，在調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)、改善作物養(yǎng)分、優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)、作物產(chǎn)量維持與質(zhì)量保證、降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響方面都起到重要作用。土壤有機(jī)碳的含量及其動(dòng)態(tài)均衡也是導(dǎo)致土壤肥力和作物產(chǎn)量的高低的直接因素[2]。因此，農(nóng)田土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)研究既可為農(nóng)田土壤固碳提供技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)于減緩和整治農(nóng)田土壤退化及土壤生產(chǎn)力有關(guān)的一系列問題提供理論支持。

1.2 土壤有機(jī)碳對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的作用

土壤與大氣、陸地生物群落共同構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳的主要儲(chǔ)蓄庫和交換庫。土壤有機(jī)碳的數(shù)量與質(zhì)量變化的過程研究，對(duì)土地資源可持續(xù)利用以及對(duì)土壤碳循環(huán)與全球氣候變化的互相作用研究都有著重要意義。陸地碳循環(huán)影響系統(tǒng)生產(chǎn)力的形成，同時(shí)也關(guān)系到整個(gè)地球系統(tǒng)的能量均衡，是陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的整體體現(xiàn)。對(duì)化石燃料的開采使用、焚燒植物、濕地破壞、不合理土體開采等活動(dòng)，對(duì)碳在地球各圈層，尤其是對(duì)大氣圈和土壤圈的動(dòng)態(tài)關(guān)系產(chǎn)生了顯著的影響，造成大氣CO2濃度的連續(xù)升高，并可能影響到全球氣候的變化[3]。目前在全球變化的背景下，對(duì)土壤有機(jī)碳存儲(chǔ)量、布局、轉(zhuǎn)變、衰退機(jī)理進(jìn)行研究，并展示其影響因素和生態(tài)效應(yīng)，將有助于尋求如何科學(xué)地開發(fā)和保護(hù)有限的土壤資源，減少土壤中溫室氣體排放、提高土壤碳存儲(chǔ)、提升土壤質(zhì)量，對(duì)已發(fā)生退化土地的修復(fù)及環(huán)境整治和保護(hù)等都有重要的意義。

2 西南地區(qū)土壤有機(jī)碳研究進(jìn)展

2.1 有機(jī)碳儲(chǔ)量及影響因素

進(jìn)入土壤的動(dòng)植物殘?bào)w等有機(jī)物質(zhì)與以土壤微生物分解作用為主的有機(jī)物質(zhì)的虧損之間的平衡就是土壤有機(jī)碳的含量。全球土壤碳庫大約有1550 Pg有機(jī)碳和750 Pg無機(jī)碳(0-1m 土層)，其中大氣碳庫的占土壤碳庫的三分之一，生物碳庫占土壤碳庫的十九分之五，成為地球表層最大的有機(jī)碳庫[4]。對(duì)于我國(guó)陸地的土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量，2004年香山會(huì)議上，眾多土壤學(xué)家討論后提出將90 Pg作為中國(guó)土壤總有機(jī)碳庫的默許值[5]。

張勇等[6]利用798個(gè)土壤剖面及1：50萬土壤圖估算了云南省、貴州省和廣西壯族自治區(qū)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。結(jié)果表明，云南省、貴州省和廣西壯族自治區(qū)的表土層(0～0.2m)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為4.39 Pg、土壤剖面(0～1m)的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為10.91 Pg；表土層的土壤有機(jī)碳密度為56.2Mg/hm2、剖面土的土壤有機(jī)碳密度為139.8 Mg/hm2，高于全國(guó)平均水平。主成分析結(jié)果表明環(huán)境因子為影響土壤有機(jī)碳密度的第一因子，并且在各環(huán)境因子中，降雨對(duì)土壤有機(jī)碳密度的影響小于氣溫，其中海拔和緯度的變化導(dǎo)致了氣溫和降雨的變化。除氣溫和降雨外，土壤有機(jī)碳密度的變化還與其它隨海拔或經(jīng)緯度而變化的因子的變化有關(guān)，并且這種變化要大于降雨對(duì)土壤有機(jī)碳密度變化的影響。黃一敏等[7]從空間尺度對(duì)西南地區(qū)土壤碳儲(chǔ)量的空間變化及其與相應(yīng)環(huán)境因素變化之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明西南地區(qū)喀斯特森林地區(qū)土壤有機(jī)碳含量為32. 3 g/kg，土壤有機(jī)碳含量主要受土壤容重、地形海拔和有機(jī)質(zhì) C/N的影響。劉楠等[8]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳的含量和密度隨隨土壤深度減少有增加的趨勢(shì)，常綠闊葉林、針闊混交林和灌木林土壤有機(jī)碳大都存儲(chǔ)于土壤的第一層，毛竹林土壤有機(jī)碳主要存儲(chǔ)于土壤的第一、第二層。

2.2 西南地區(qū)喀斯特地區(qū)土壤有機(jī)碳研究

中國(guó)西南部是喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中心，因?yàn)槭艿絹啛釒Ъ撅L(fēng)氣候的影響和人類對(duì)大自然破壞的加劇，其喀斯特生態(tài)系統(tǒng)已出現(xiàn)不同程度的石漠化。土壤有機(jī)質(zhì)在土壤侵蝕與退化過程中扮演了十分重要的角色。石漠化過程中礦質(zhì)組分的有機(jī)碳低于土壤輕組和顆粒組分，其中的有機(jī)碳含量隨石漠化程度的降低而增加，與石漠化過程有一致性。樵采石漠化的顆粒組分主要是有機(jī)質(zhì)與黏粉粒結(jié)合成的有機(jī)無機(jī)復(fù)合體，其中的有機(jī)質(zhì)易被保護(hù)。開墾石漠化中的顆粒組分大部分都是有機(jī)質(zhì)與砂粒的結(jié)合，其中有機(jī)質(zhì)腐殖化程度低，易被分解。

廖洪凱[9]等研究表明，在不同植被類型下貴州西南部喀斯特山區(qū)土壤的固碳能力及有機(jī)碳穩(wěn)定性較弱，土層淺薄易被人為干擾引發(fā)有機(jī)碳流失，土壤質(zhì)量存在下降或退化風(fēng)險(xiǎn)。羅海波[7]等對(duì)貴州中部喀斯特地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的小生境進(jìn)行了研究，結(jié)果表明植被類型是影響喀斯特土壤有機(jī)碳變化的主要原因。李菲[10]等研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳的含量在不同植被類型下具有顯著性差異，且春秋兩季的有機(jī)碳含量高于夏冬兩季。魏媛等[11]分析了喀斯特地區(qū)植被與土壤有機(jī)碳的關(guān)系，隨著喀斯特植被的破壞，土壤微生物量降低，碳源平均利用率降低。李龍波等[12]以貴州喀斯特地區(qū)兩種土壤類型為研究對(duì)象,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，黃壤剖面相應(yīng)層次有機(jī)碳含量低于石灰土剖面，且黃壤剖面土壤有機(jī)碳隨剖面深度變化的速率高于石灰土。

2.3 土壤有機(jī)碳分組方法的應(yīng)用

土壤有機(jī)碳的分組技術(shù)主要包括：物理分組技術(shù)、化學(xué)分組技術(shù)、生物分組技術(shù)和物理-化學(xué)聯(lián)合分組技術(shù)。西南地區(qū)有機(jī)碳組分的研究主要采用了物理分組技術(shù)和物理-化學(xué)聯(lián)合分組技術(shù)。其中，物理-化學(xué)分組技術(shù)綜合考慮了土壤有機(jī)碳的多種穩(wěn)定機(jī)制，能明顯地表現(xiàn)出各組分有機(jī)碳土壤對(duì)總有機(jī)碳的響應(yīng)特征，在西南地區(qū)的應(yīng)用將會(huì)是大勢(shì)所趨。

李鑒霖等[13]采用物理分組技術(shù)對(duì)我國(guó)西南地區(qū)縉云山的4種土地利用方式下土壤有機(jī)碳組分含量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在林地和撂荒地中粗顆粒有機(jī)碳和細(xì)顆粒有機(jī)碳組成的活性碳庫分配比例最高；而在果園和坡耕地中<53 um的粉+黏顆粒有機(jī)碳組成的化學(xué)保護(hù)有機(jī)碳庫分配比例最大，表明坡耕地及果園土壤有機(jī)碳的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于林地和撂荒地。廖洪凱等[14]采用物理分組技術(shù)對(duì)貴州喀斯特地區(qū)不同植被類型下土壤中不同粒徑土壤顆粒有機(jī)碳的變化進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，顆粒有機(jī)碳占礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳的比例均為：灌木林>喬木林>草叢>裸地，而且在植被演化過程中，土壤顆粒有機(jī)碳含量的增加以砂粒及粉砂粒有機(jī)碳為主，有機(jī)碳穩(wěn)定性較弱且易受外界干擾而引發(fā)有機(jī)碳的流失。

張麗敏[15]等利用有機(jī)碳物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法對(duì)貴州省農(nóng)科院的黃壤性水稻土進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)表明施肥可以提高土壤的總有機(jī)碳含量，其中有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)提高黃壤性水稻土有機(jī)碳水平的貢獻(xiàn)率最大，并且物理保護(hù)有機(jī)碳增幅最大，強(qiáng)化了土壤有機(jī)碳的物理穩(wěn)定機(jī)制。

2.4 提高土壤有機(jī)碳的農(nóng)業(yè)措施

在不同農(nóng)田管理方式下，有機(jī)碳組分的化學(xué)組成和儲(chǔ)量會(huì)產(chǎn)生分異，進(jìn)而對(duì)土壤有機(jī)碳沉積速率產(chǎn)生不同的影響。與傳統(tǒng)耕作相比對(duì)與農(nóng)田秸稈還田、免耕覆蓋處理，均可以增加土壤碳庫、改善土壤理化性質(zhì)。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究表明長(zhǎng)期進(jìn)行秸稈還田、免耕覆蓋處理可以避免傳統(tǒng)耕作引起的土壤干濕交替，并且對(duì)土壤有機(jī)物的礦化速率、降解速率影響不大。但也有部分研究表明連續(xù)免耕會(huì)是土壤平均重量直徑降低，適時(shí)耕作有利于土壤結(jié)構(gòu)的發(fā)育[20]。另外，施肥也可以增加土壤有機(jī)碳含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。具體應(yīng)與當(dāng)?shù)貙?shí)際情況相結(jié)合制定合理措施。陳潔華等[16]對(duì)重慶市農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)及固碳潛力研究表明施用秸稈比施用其他有機(jī)肥更有利于累積。高巖紅等[17]研究發(fā)現(xiàn)，普定縣農(nóng)田土壤有機(jī)碳密度的差異比較大，可以通過保護(hù)性耕作、合理輪作和套作、合理施肥和灌溉等措施對(duì)有機(jī)碳密度較低的農(nóng)田土壤進(jìn)行改進(jìn)，增加有機(jī)碳的儲(chǔ)量。

3 展望

從2009年的哥本哈根氣候峰會(huì)到霧霾天氣席卷半個(gè)中國(guó)，北京將要成為下一個(gè)霧都的壓力下，節(jié)能減排、合理開發(fā)利用資源已經(jīng)迫在眉睫。加之全球氣候變暖，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。建立資源友好型社會(huì)，不僅需要政府的引導(dǎo)，還需要各界人士的共同努力。土壤圈與大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈共同構(gòu)成自然環(huán)境的五大圈，是與人類關(guān)系最密切的一種環(huán)境要素。整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)全部是發(fā)展于土壤圈。其具有的寬廣性使我們不易對(duì)其整體研究，從而分地區(qū)研究。因此，筆者針對(duì)我國(guó)西南地區(qū)土壤有機(jī)碳研究提出展望：

(1)西南地區(qū)作為我國(guó)為數(shù)不多的污染較小地區(qū)，如何合理開發(fā)利用以及保護(hù)土壤碳庫資源，盡量避免重復(fù)東部地區(qū)先開發(fā)后治理的發(fā)展模式，打造生態(tài)之城，已經(jīng)是時(shí)候值得我們思考。

(2)在西南地區(qū)多為丘陵山地，每遇降水，土壤中的有機(jī)碳都會(huì)隨著流水被帶向低洼地帶，如水土流失一般。而高處的土壤卻只能得到養(yǎng)分較差的巖石風(fēng)化產(chǎn)物，加之山頂植被較少土壤有機(jī)碳更加不易固定。因此，探尋如何增加山體固碳能力，不僅對(duì)提高山腰與河漫灘上農(nóng)田的肥力有利，還可以提高植被覆蓋率，增加山體穩(wěn)定性，改善生態(tài)環(huán)境。

(3)西南地區(qū)對(duì)土壤有機(jī)碳的研究比較多，不僅關(guān)注土壤總有機(jī)碳的數(shù)量，而且還關(guān)注其質(zhì)量，及他們的組成或組分及其穩(wěn)定性等，因此許多研究者從化學(xué)結(jié)構(gòu)、溶解性、氧化性、比重等方面對(duì)土壤有機(jī)碳展開分組研究。但是物理分組本身也存在著一定的問題，物理分組很難呈現(xiàn)出有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)之間的相互作用的差異程度，并且很難保證穩(wěn)定有機(jī)碳組分的回收率。目前應(yīng)用比較多的Stewart土壤有機(jī)碳的物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法，較好的分離了游離活性、物理保護(hù)和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳組分，但是該方法分組過程中并沒有考慮水溶性有機(jī)碳組分，而且其粗顆粒組分中也包含了穩(wěn)定性團(tuán)聚體破碎部分，需要進(jìn)一步細(xì)分。因此，在今后的研究中，探尋更新更好的分組方法仍將是土壤有機(jī)碳研究的重要問題。

[1] 鄧少虹,林明月,李伏生,等. 施肥對(duì)喀斯特地區(qū)植草土壤碳庫管理指數(shù)及酶活性的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào),2014(04):262-268.

[2] 羅海波,劉方,劉元生,等. 喀斯特石漠化地區(qū)不同植被群落的土壤有機(jī)碳變 化[J]. 林業(yè)科學(xué),2009(09):24-28.

[3] 王蓮閣.溫度變化對(duì)土壤有機(jī)碳礦化及其動(dòng)力學(xué)特征的影響[D].西南大學(xué),2015

[4] Mohan K Wali.Fatih Evrendilek.Tristram Owatts.et al、Assessing terrestrial ecosystem sustainability:U sefulness of regional carbon and nitrogen models [J].Nature& Resources.1999(35):21-33．

[5] 趙生才.我國(guó)農(nóng)田土壤碳庫演變機(jī)制及發(fā)展趨勢(shì)—第236次香山科學(xué)會(huì)議側(cè)記[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2005(20):587-590.

[6] 張勇，史學(xué)正，趙永存，等. 滇黔桂地區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與影響因素研究.環(huán)境科學(xué).2008(29):2314-2319

[7] 黃一敏,李心清,楊放,等. 中國(guó)西南喀斯特森林土壤有機(jī)碳空間變化及影響因素[J]. 地球與環(huán)境,2016,01:1-10.

[8] 劉楠,王玉杰,王毅力.重慶縉云山典型林分土壤有機(jī)碳密度特征生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)[J].2009, 18(4): 1492-1496.

[9] 廖洪凱.喀斯特山區(qū)不同植被類型土壤有機(jī)碳的變化.2011(22):2253-2258

[10] 李菲,李娟,龍健,等.典型喀斯特山區(qū)植被類型對(duì)土壤有機(jī)碳、氮的影響[J].生態(tài)學(xué).2015,34(12):3374-3381

[11] 魏媛,張金池,俞元春,等.退化喀斯特植被恢復(fù)對(duì)土壤微生物數(shù)量及群落功能多樣性的影響[J].土壤(Soils),2010,42(2):230-235

[12] 李龍波,劉濤澤,李曉東,等.貴州喀斯特地區(qū)典型土壤有機(jī)碳垂直分布特征及其同位素組成[J].生態(tài)學(xué)雜志,2012,31(2):241-247

[13] 李鑒霖,江長(zhǎng)勝,郝慶菊. 縉云山不同土地利用方式土壤有機(jī)碳組分特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(11):3733-3742．

[14] 廖洪凱,龍健. 喀斯特山區(qū)不同植被類型土壤有機(jī)碳的變化[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(09):2253-2258.

[15] 張麗敏, 徐明崗, 婁翼來, 等. 長(zhǎng)期施肥下黃壤性水稻土有機(jī)碳組分變化特征[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014, 47(19): 3817-3825

[16] 陳杰華. 重慶市農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)及固碳潛力研究[D].西南大學(xué),2013.

[17] 高巖紅.普定縣農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫演變特征及影響因素研究[D].西南大學(xué),2014.

The Status and Prospect of Soil Organic Carbon in Southwest China

WANG Xing1，DUAN Jian-jun2

(1.CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China; 2.CollegeofTobaccoScience,GuizhouKeyLaboratoryforTobaccoQuality,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)

Soil organic carbon is an important indicator of reflecting soil fertility and evaluating soil quality , meanwhile, it plays an important role to the sustainable development of the environment.This paper mainly from the soil organic carbon pool and carbon storage, soil organic carbon in Karst area in Southwest China, the present situation of the research on soil organic carbon in Southwest China, several aspects of the application of organic carbon fractionation methods were analyzed and summarized, in order to improve soil fertility in southwest area, to provide guidance and theoretical basis for the sustainable utilization of carbon sequestration potential farmland.

soil organic carbon; sarbon storage;the southwest

2016-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(41361.64)

王星(1990-)，女，在讀碩士，主要從事土壤與環(huán)境方面的研究。

段建軍(1976-)，男，教授，從事土壤養(yǎng)分循環(huán)，技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用等研究。