盛 明，韓曉增，龍靜泓，2，李 娜

(1.中國(guó)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,黑龍江 哈爾濱 150081； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter,SOM)是土壤的重要組成部分，它有助于土壤的穩(wěn)定性、養(yǎng)分和水分的保持以及抵抗風(fēng)蝕和水蝕，具有保持土壤耕作，吸收和降解污染物等重要作用[1-3]。土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)表層最大和最活躍的碳庫(kù)之一，研究發(fā)現(xiàn)，全球的土壤有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量約為1 500 Pg，相當(dāng)于大氣碳庫(kù)的2倍[4]，土壤有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)于全球碳循環(huán)有重要影響，對(duì)全球氣候變化研究有著重要意義[5]。土壤有機(jī)碳庫(kù)的數(shù)量大小可有效地反映出當(dāng)?shù)刂脖粻顩r、土壤生物群、氣候、景觀、母質(zhì)以及自然和人類擾動(dòng)的歷史[6]。土壤有機(jī)質(zhì)的演變是一個(gè)長(zhǎng)期過程，其數(shù)量取決于初始土壤有機(jī)質(zhì)水平、不同土地利用方式以及土壤管理措施下外源有機(jī)物質(zhì)的輸入和原有土壤有機(jī)質(zhì)的礦化損失[7-9]。輸入土壤的有機(jī)物經(jīng)過微生物分解轉(zhuǎn)化后一部分以CO2的形式直接排入大氣，一部分形成不同組分和結(jié)構(gòu)的衍生物進(jìn)入土壤，進(jìn)一步參與SOM的形成和穩(wěn)定。不同組分和結(jié)構(gòu)的有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)變化受不同氣候環(huán)境條件、地上植被類型、土壤自身性質(zhì)和微生物活性的影響。由于土壤有機(jī)質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，把具有高度異質(zhì)性的土壤有機(jī)質(zhì)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，極大限制了人們對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的認(rèn)知[10]。因此，充分認(rèn)識(shí)土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化循環(huán)必須從土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量、組分和化學(xué)結(jié)構(gòu)特征研究入手，這對(duì)于評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)，了解陸地生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)和動(dòng)態(tài)平衡，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展都至關(guān)重要[11]。

我國(guó)幅員廣闊，氣候和地形復(fù)雜多變，不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)呈現(xiàn)明顯差異，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)多年研究發(fā)現(xiàn)，不同氣候條件和植被類型是造成不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)差異的主要原因。根據(jù)我國(guó)地理格局特征，本文主要從東北、華北、西北、東南、西南以及中部地區(qū)的典型土壤展開介紹，闡明不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量、組分和結(jié)構(gòu)特征，并深入分析不同地區(qū)氣候和地上植被等因素對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)變化的影響，旨為評(píng)估區(qū)域乃至全國(guó)土壤碳循環(huán)，合理規(guī)劃和利用土地資源，控制區(qū)域碳源匯機(jī)制轉(zhuǎn)變，以及為未來土壤有機(jī)質(zhì)管理和應(yīng)對(duì)未來氣候變化的策略提供參考資料。

1 不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量變化特征

我國(guó)主要地區(qū)有機(jī)質(zhì)數(shù)量趨勢(shì)為西南地區(qū)>東北地區(qū)>東南地區(qū)>華北地區(qū)>西北地區(qū)>中部地區(qū)[12](表1)，西南地區(qū)和東南地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量處于高水平的原因是該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，全年雨量充沛，濕度很大[13]，主要以森林生態(tài)系統(tǒng)為主，地表凋落物來源極其豐富，導(dǎo)致其土壤表層有機(jī)質(zhì)含量很高。但是西南地區(qū)具有大面積的喀斯特地貌，近些年受氣候和人類的影響導(dǎo)致該生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)了不同程度的石漠化[14]，影響該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的含量。

表1 中國(guó)主要地區(qū)土壤表層有機(jī)質(zhì)含量及變異系數(shù)[15-16]Table 1 The surface SOM contents and their variation coefficients in main regions of China

東北地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)業(yè)基地，其土壤有機(jī)質(zhì)含量高，較高的土壤肥力是糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保證[17]，該區(qū)地處中緯度亞洲大陸東部，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年降水量在500～700 mm左右，主要集中在4-9月的作物生長(zhǎng)季，占全年降水總量的70%～90%左右。溫度自北向南溫度逐漸升高。夏季溫暖濕潤(rùn)，生長(zhǎng)季雨熱同期；冬季嚴(yán)寒少雪，土壤凍結(jié)深且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，季節(jié)性凍層明顯。該地區(qū)獨(dú)特的氣候條件形成了茂密的草原化草甸和森林植被，每年10月中下旬氣溫迅速轉(zhuǎn)冷結(jié)冰，土壤中的微生物活性受到抑制，土壤表層有機(jī)物質(zhì)積累大于分解，為土壤積累腐殖質(zhì)創(chuàng)造了有利條件，形成了深厚肥沃的土壤[18-21]，土壤碳庫(kù)中的活性組分和穩(wěn)定性組分含量都很高，有利于土壤有機(jī)碳的固定和周轉(zhuǎn)。

華北地區(qū)的氣候和東北相比更為濕潤(rùn)，以華北平原為主，但溫度較高，土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)速率較快，固碳能力較弱，因此土壤儲(chǔ)存的有機(jī)碳含量低。

中部地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候和亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足、溫度較高、降水較少，經(jīng)常出現(xiàn)干旱，使得該地區(qū)植被情況不如其他幾個(gè)地區(qū)，外來的有機(jī)質(zhì)輸入較低，由于溫度較高使微生物的分解和代謝活動(dòng)旺盛，進(jìn)而對(duì)外源有機(jī)質(zhì)的分解程度高，不利于SOM的積累，因此該地區(qū)的活性有機(jī)碳含量較低，從氣候和地形方面來看該地區(qū)不利于有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。

西北地區(qū)各個(gè)區(qū)域的SOM含量差異更為明顯，主要是因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)地形復(fù)雜，有海拔較高的高寒地區(qū)，也有極度干旱的沙漠地區(qū)，使得有機(jī)質(zhì)的積累過程呈現(xiàn)兩極化，高寒地區(qū)氣候寒冷而且較為濕潤(rùn)，雖然很難形成類似于東北地區(qū)的高海拔植物，但是地表較為低矮的植被生長(zhǎng)豐富，同樣提供了充足的凋落物等有機(jī)質(zhì)來源，極低的溫度使得分解速度非常緩慢，可以充分積累土壤有機(jī)質(zhì)[22]。而西北地區(qū)的沙漠、荒漠等地區(qū)由于植被覆蓋很低、溫度高、降水少等極其惡劣的環(huán)境條件使SOM難以得到穩(wěn)定積累，導(dǎo)致SOM含量極低。

除了環(huán)境條件的影響，各個(gè)地區(qū)不同的土壤類型所造成的自身土壤性質(zhì)各異也是影響各個(gè)地區(qū)SOM含量和周轉(zhuǎn)的主要原因。東北地區(qū)主要的土壤類型為暗棕壤、棕壤、黑土、黑鈣土、白漿土、草甸土及沼澤土等。此類土壤具有較厚的腐殖質(zhì)層，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好，土壤內(nèi)部水分充足，眾多條件都有利于土壤有機(jī)碳(SOC)的固定和周轉(zhuǎn)[15-16]。華北地區(qū)的主要土壤類型為褐土，該類型土壤的腐殖質(zhì)形成過程較弱，地表的凋落物大多以干燥的形式覆于土壤表面，通常是以機(jī)械摩擦破碎和好氧分解為主，從而導(dǎo)致積累的腐殖質(zhì)較少，惰性碳庫(kù)含量較低，不利于有機(jī)碳的固定。中部地區(qū)主要的土壤類型為黃棕壤、黃褐土及棕壤等，其土壤質(zhì)地多為壤質(zhì)土、粒狀、團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)居多，礦物化學(xué)風(fēng)化和淋溶、淋移作用強(qiáng)烈，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低且周轉(zhuǎn)快。東南地區(qū)主要的土壤類型為紅壤、磚紅壤和赤紅壤，土壤成土母質(zhì)為花崗巖、砂頁(yè)巖風(fēng)化物以及第四紀(jì)紅土，土壤酸度高，土壤pH一般為4～5.0左右，全氮、鉀、磷等養(yǎng)分含量也偏低，加上較高的溫度，不利于SOM的積累。西南地區(qū)具有代表性的土壤為紫色土，磷、鉀含量高，肥力較高，礦質(zhì)養(yǎng)分含量豐富，是我國(guó)南方肥力最高的自然土壤，而且西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)以森林為主，因此其表層SOM含量豐富，但是西南地區(qū)含有我國(guó)面積最大的喀斯特地貌，該地貌區(qū)石漠化嚴(yán)重，水土流失現(xiàn)象頻發(fā)，其SOM含量較高于全國(guó)平均水平。西北地區(qū)的土壤類型較為復(fù)雜，整體上來說主要有棕鈣土、灰鈣土、荒漠土及風(fēng)沙土，土壤性質(zhì)主要為砂質(zhì)土壤，土壤顆粒中>0.02 mm的粗沙和細(xì)沙含量較大，土壤孔隙較大，不利于養(yǎng)分的儲(chǔ)存，而且西北地區(qū)土壤偏堿性，pH通常高于8.0，大多數(shù)地區(qū)自然植被趨向旱化，外源有機(jī)質(zhì)輸入量低，持續(xù)的高溫和稀疏的土壤質(zhì)地導(dǎo)致絕大多數(shù)西北地區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量很低，但是在一些海拔較高的山脈上，含有高寒草甸土，具有強(qiáng)烈的腐殖質(zhì)積累層，SOM含量很高，外界較低的環(huán)境溫度使得有機(jī)質(zhì)輸入大于分解，累積的有機(jī)質(zhì)含量高于該地區(qū)其它土壤類型[15,23-24]。

2 不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)組分特征

在SOM周轉(zhuǎn)特征及其動(dòng)態(tài)變化過程的研究中，有機(jī)質(zhì)分組研究扮演著重要角色。SOM的組成非常復(fù)雜，主要包括易被作物和微生物迅速分解利用、易分解的活性有機(jī)質(zhì)，同時(shí)還包括轉(zhuǎn)化時(shí)間長(zhǎng)、難分解的惰性有機(jī)質(zhì)。目前對(duì)于有機(jī)質(zhì)組分的研究大多依據(jù)SOM在土壤當(dāng)中的轉(zhuǎn)化時(shí)間以及分解程度，將SOM劃分為3個(gè)主要碳庫(kù)[25]：(1)不穩(wěn)定土壤有機(jī)碳庫(kù)(活性碳庫(kù))、(2)穩(wěn)定土壤有機(jī)碳庫(kù)(緩效性碳庫(kù))、(3)極穩(wěn)定有機(jī)碳庫(kù)(惰性碳庫(kù))3個(gè)組分[26-27]。不同土壤有機(jī)質(zhì)組分其有機(jī)碳的組成也有很大差異，活性碳庫(kù)主要是由微生物量碳(MBC)、可礦化碳、水溶性碳(DOC)和碳水化合物為主，具有活性強(qiáng)，分解速率快，轉(zhuǎn)化周期短的特點(diǎn)，在為作物提供養(yǎng)分需要以及為微生物提供能量方面起著重要作用，但由于這部分碳穩(wěn)定性極差，所以很難被土壤真正固定轉(zhuǎn)化。緩效性碳庫(kù)主要是顆粒有機(jī)物、脂類和碳水化合物，在周轉(zhuǎn)速度和分解速度方面都要慢于活性碳庫(kù)，它是土壤固定有機(jī)碳的主要來源[28-29]。惰性有機(jī)碳庫(kù)主要是木質(zhì)素、多酚以及被保護(hù)的多糖等，其分解速度和轉(zhuǎn)化周期非常長(zhǎng)，是土壤有機(jī)碳中穩(wěn)定存在的主要部分。

根據(jù)不同的分組原理和技術(shù)方法，目前對(duì)土壤有機(jī)碳組分的劃分方法主要有物理、化學(xué)和生物分組技術(shù)。物理分組技術(shù)主要包括密度分組、顆粒分組和團(tuán)聚體分組3種方法。在密度分組中主要依據(jù)土壤在一定比重(1.6～2.5 g·mL-1)溶液中的沉降將其分作輕組和重組土壤，所對(duì)應(yīng)的有機(jī)碳即為輕組有機(jī)碳(LFOC)和重組有機(jī)碳(HFOC)。

東北地區(qū)作為我國(guó)重要的商品糧基地，耕地面積占我國(guó)耕地面積的10%。以往研究發(fā)現(xiàn)，自然條件下，東北地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤剖面(0～40 cm)LFOC含量的關(guān)系是：草地>林地>農(nóng)田>裸地(圖1)，并且在表層土壤上尤為顯著(P<0.05)，因?yàn)長(zhǎng)FOC來源為動(dòng)植物殘?bào)w、根系及其分泌物，草地生態(tài)系統(tǒng)中根系生物量相對(duì)其他3種生態(tài)系統(tǒng)更為豐富，可提供大量活性有機(jī)碳，其次是土壤微生物代謝調(diào)控機(jī)制引起，土壤表層理想的生存環(huán)境使得微生物的生物量和活性都要高于深層土壤，草地及森林地表凋落物被微生物分解轉(zhuǎn)化產(chǎn)生大量的活性有機(jī)碳，農(nóng)田中作物收割后田間殘?jiān)瞥涣粝潞苄〔糠肿魑餁堅(jiān)鼘?dǎo)致土壤產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，LFOC被迅速分解。深層土壤除草地外其他3種生態(tài)系統(tǒng)的LFOC沒有顯著差異(P>0.05)。

注：不同字母表示同一土層不同生態(tài)系統(tǒng)間在P<0.05水平差異顯著。Note:Different letters indicate significant differences between ecosystems in the same soil layer at 0.05 level.The same is as below.圖1 東北黑土不同生態(tài)系統(tǒng)下土壤剖面中游離態(tài)輕組的碳含量[20]Fig.1 The organic carbon contents of free light fraction in soil profiles under different ecosystems in the black soil of northeast China

土壤中HFOC占土壤總有機(jī)碳90%左右，是土壤有機(jī)質(zhì)的主體部分，土壤中HFOC主要與礦物態(tài)緊密結(jié)合，其穩(wěn)定性極高，難以被分解利用，深層土壤環(huán)境對(duì)于細(xì)菌、真菌及土壤微動(dòng)物等土壤微生物的抑制作用較強(qiáng)，使其活性下降，分解能力降低[30-35]。在我國(guó)東北黑土區(qū)0～40 cm的表層土壤中HFOC含量的關(guān)系是農(nóng)田>裸地>林地>草地[36-38]，主要是因?yàn)檗r(nóng)田和草地生態(tài)系統(tǒng)新鮮有機(jī)物投入較少，活性有機(jī)質(zhì)來源低于草地以及林地生態(tài)系統(tǒng)，使SOM趨向于更穩(wěn)定的方向發(fā)展。

華北地區(qū)的地形以平原為主，華北地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，相對(duì)東北地區(qū)更為濕潤(rùn)。華北地區(qū)的土壤類型主要為棕壤及褐土。從氣候條件和土壤環(huán)境等方面分析，華北地區(qū)主要農(nóng)作物以小麥、大豆及玉米為主。因此華北地區(qū)有機(jī)質(zhì)密度組分差異不大。

西南地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，常年炎熱多雨，氣候濕潤(rùn)，地形以山地丘陵為主。土壤類型主要為紅壤和磚紅壤等。由于適宜的氣候條件和地形結(jié)構(gòu)，所以這兩個(gè)地區(qū)的主要植被類型為熱帶季雨林、亞熱帶常綠闊葉林等。豐富的外源有機(jī)物，使得該地區(qū)的易氧化有機(jī)碳(ROC)、MBC及DOC等土壤中易變化和活躍的組分含量高，而且自然生態(tài)系統(tǒng)下，來源于新鮮動(dòng)植物殘?bào)w和腐殖化有機(jī)物的顆粒有機(jī)碳(POC)含量高，有利于SOM的固定和積累。但近些年來西南地區(qū)由于農(nóng)業(yè)用地的迅速擴(kuò)增以及人口壓力的持續(xù)增長(zhǎng)，大面積的自然森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田，SOM的組分發(fā)生轉(zhuǎn)變，活性高的ROC、MBC及POC含量下降，惰性碳(IOC)含量升高，土地利用方式的改變破壞了原生態(tài)系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)，裸露土壤面積增加導(dǎo)致更多土壤暴露在溫度較高的環(huán)境中，表層有機(jī)質(zhì)的分解速率加快[39-42]。

東南地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)中SOM降低主要是由于細(xì)根生物量的下降(P<0.05)，說明該地區(qū)有機(jī)碳來源主要是植物的殘根[43]。不同剖面的各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)TOC變化顯著，表層土壤中ROC和LFOC降低的幅度比底層土壤更大，說明表層土壤LFOC對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的改變較底層土壤敏感性更高(圖2)。在自然森林、人工森林、坡耕地和果園4種生態(tài)系統(tǒng)中LFOC的含量關(guān)系為自然森林>人工森林>果園>坡耕地，且這種關(guān)系在表層土壤中更為顯著(P<0.05)。主要原因是良好的氣候條件為自然森林生態(tài)系統(tǒng)提供了適宜的生存環(huán)境，根系及周邊生物量豐富，LFOC和活性有機(jī)碳來源豐富[44-47]。相比之下，人工森林和果園由于種植的植被類型較為單一，土壤LFOC含量相對(duì)自然森林有所降低。東南地區(qū)地形以丘陵為主，土壤有一定坡度，森林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)后，土壤有機(jī)碳總量以及各組分有機(jī)碳含量均顯著降低，主要是農(nóng)田的外源有機(jī)物攝入過低，嚴(yán)重影響土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡，坡耕地因?yàn)橛晁l繁導(dǎo)致土壤侵蝕嚴(yán)重，更不利于各個(gè)組分有機(jī)碳的積累[48-49](圖3)。在毀林還田過程中，人為擾動(dòng)破壞了土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤中閉蓄態(tài)有機(jī)碳(OFOC)失去物理保護(hù)而被微生物分解，HFOC在此過程中雖然影響較小，但由于土壤環(huán)境的改變使其含量也有所改變。另外，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)雖然LFOC的含量顯著降低，但其HFOC含量略高于人工林和果園等生態(tài)系統(tǒng)，說明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)更有利于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定。

圖2 我國(guó)東南部不同生態(tài)系統(tǒng)不同土層輕組有機(jī)碳和易氧化有機(jī)碳含量變化[42]Fig.2 The soil organic carbon changes of light and easily oxidized groups with different soil depths under different ecosystems in southeast China

西北地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候和溫帶大陸性氣候，少雨且較為寒冷干燥。其主要土壤類型為棕鈣土和草甸土等，草原生態(tài)系統(tǒng)為西北地區(qū)的主要生態(tài)系統(tǒng)類型，林地和耕地相對(duì)較少，由于其地形和水分的差異較大，不同地區(qū)的草原生態(tài)系統(tǒng)差異很大，主要包括荒漠草原、亞高山草甸、高山草甸和高寒草原。大量研究發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)ROC、MBC、DOC、POC和LFOC的含量在不同草原系統(tǒng)中呈現(xiàn)的關(guān)系是：高寒草原>高山草甸>亞高山草甸>荒漠草原。出現(xiàn)這種關(guān)系的原因主要有以下兩方面，一是不同生態(tài)系統(tǒng)土壤本身的差異，荒漠草原的土壤主要是由碳酸鹽發(fā)育而來的石灰型土壤，自身的Ca、Mg含量較高，土壤中細(xì)菌、真菌等微生物在該環(huán)境中較為活躍，對(duì)外源有機(jī)物的分解能力較強(qiáng)，將絕大多數(shù)有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)楦迟|(zhì)，不利于LFOC等活性有機(jī)質(zhì)的積累；二是氣候環(huán)境條件造成的，大多數(shù)研究認(rèn)為氣候是造成西北地區(qū)有機(jī)碳組分含量差異的根本原因。隨著海拔高度增加，氣候條件發(fā)生劇烈改變，外源有機(jī)碳的攝入和質(zhì)量也發(fā)生變化，在高寒草原及高山草甸等生態(tài)系統(tǒng)中由于海拔較高，溫度較低，氣候相對(duì)濕潤(rùn)，土壤微生物活性和分解能力受到限制，對(duì)于表層殘根及凋落物轉(zhuǎn)化能力降低，使活性有機(jī)碳部分得到積累。在西北地區(qū)土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳(MOC)和HFOC、IOC的含量大小關(guān)系為：高寒草原>高山草甸>亞高山草甸>荒漠草原，因?yàn)榛哪菰幱谝粋€(gè)半干旱的氣候帶，海拔相對(duì)于其他生態(tài)系統(tǒng)較低，其植被覆蓋率較低和氣溫相對(duì)較高，雖然有機(jī)質(zhì)的腐殖化程度相對(duì)較高，但是外源的有機(jī)物質(zhì)攝入的較少，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化為HFOC的含量也相對(duì)較低。

圖3 東南地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)下不同土壤深度有機(jī)碳和細(xì)跟生物量的關(guān)系圖[42]Fig.3 The relationship between organic carbon and fine root biomass with different soil depths under different ecosystems in southeast China

中部地區(qū)氣候干燥且主要以農(nóng)田為主，外源活性有機(jī)碳來源很少；因此該地區(qū)的ROC、DOC、MBC、POC及LFOC等含量很低；而穩(wěn)定性組分的MOC、HFOC及IOC的含量較高[50]。

除了氣候和地形因素外，SOM的不同組分含量和土地利用方式也有很大關(guān)系，大量研究得到在森林和草原等生態(tài)系統(tǒng)中ROC、MBC、DOC和POC等活性組分碳含量相對(duì)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)輪作條件下較低，但礦物結(jié)合態(tài)MOC、HFOC和IOC等穩(wěn)定性組分含量均顯著高于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，說明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)使有機(jī)碳更趨向于脂肪化和簡(jiǎn)單化，造成團(tuán)聚體和礦物質(zhì)結(jié)合對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)作用降低，SOM穩(wěn)定性下降[50]。不同組分的SOM會(huì)影響作物對(duì)其利用效果，如活性組分易被微生物和作物利用，理論上和絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這部分有機(jī)碳含量高會(huì)提升作物產(chǎn)量，因此有機(jī)質(zhì)的整體含量并不能說明土壤肥力的強(qiáng)弱，還要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蚝铜h(huán)境條件以及土壤的成土母質(zhì)情況，但提升土壤活性碳庫(kù)對(duì)有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)和土壤肥力的提升都具有重大意義。

3 不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征研究

近年來，受益于科技的飛速發(fā)展，對(duì)SOM化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究突破和進(jìn)展也非?？?，研究技術(shù)也不斷完善更新，主要的測(cè)定分析方法有：元素分析法、差熱分析法(Differential thermal analysis,DTA)、化學(xué)分析法、同位素示蹤法、熱解氣相色譜/質(zhì)譜法(Pyrolysis-GS/MS,Py-GC/MS)、傅里葉紅外光譜分析法(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR)、核磁共振分析法(Nuclear magnetic resonance，NMR)和X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(X-ray absorption near edge structure，XANES)。每種分析技術(shù)都有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，這里不做詳細(xì)介紹，主要基于核磁共振分析法得到的我國(guó)主要地區(qū)的SOM化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

核磁共振波譜技術(shù)(NMR)主要用于測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)，它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需破壞土壤樣品，可直接分析土壤全土或有機(jī)碳組分中不同化學(xué)官能團(tuán)的組成，而且在測(cè)定的過程中不會(huì)改變有機(jī)碳的結(jié)構(gòu)，可有效避免在化學(xué)提取過程中產(chǎn)生新的或更復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)，保證了分析結(jié)果更接近自然狀態(tài)[50]。在定量和定性研究中，NMR技術(shù)可以定量有機(jī)碳各個(gè)官能團(tuán)的含量，定性分析有機(jī)碳化學(xué)官能團(tuán)的比例，已成為土壤化學(xué)官能團(tuán)和不同物質(zhì)組分動(dòng)態(tài)變化強(qiáng)有力的分析技術(shù)[51-52]。

目前，應(yīng)用NMR技術(shù)對(duì)SOM的研究得出，SOM的化學(xué)結(jié)構(gòu)可分為烷氧碳區(qū)(δ=45～110 ppm，O-Alkyl C)、烷基碳區(qū)(δ=0～45 ppm，Alkyl C)、芳香碳區(qū)(δ=110～160 ppm，Aromatic C)和羰基碳區(qū)(δ=160～220 ppm，Carbonyl C)4個(gè)主要官能團(tuán)區(qū)[53]。不同的官能團(tuán)，其有機(jī)碳來源不同，含量最高的烷氧碳主要是來自碳水化合物，活性較強(qiáng)，在LFOC中其含量較高。烷基碳主要來自脂肪族化合物，活性相對(duì)烷氧碳相對(duì)較弱。芳香碳主要來自單寧及木質(zhì)素等，其穩(wěn)定性很強(qiáng)，難被分解利用，是土壤有機(jī)碳中的穩(wěn)定組分[54]。羰基碳主要來自氨基酸和脂肪酸，目前關(guān)于羰基碳的研究相對(duì)匱乏。

不同地區(qū)土壤有機(jī)碳化學(xué)官能團(tuán)的差異與土地利用方式、土壤類型、有機(jī)碳含量、pH值、黏粉粒含量和顆粒組成等有密切聯(lián)系。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，SOC官能團(tuán)相對(duì)含量的整體趨勢(shì)是：烷氧碳>烷基碳>芳香碳>羰基碳；森林生態(tài)系統(tǒng)和草地生態(tài)系統(tǒng)中，SOC官能團(tuán)的相對(duì)含量差異不大，整體趨勢(shì)為：烷氧碳>芳香碳>烷基碳>羰基碳(表2)，烷氧碳主要來源于植物殘?bào)w，來源豐富，森林和草地生態(tài)系統(tǒng)中的凋落物含量豐富，農(nóng)田系統(tǒng)下雖然外源碳較少，但是和自身有機(jī)質(zhì)的官能團(tuán)含量相比，其烷氧碳數(shù)量還比較大[55]。土壤中大部分有機(jī)質(zhì)與土壤中黏土礦物顆粒結(jié)合，正是這種礦物結(jié)合對(duì)有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡起著至關(guān)重要的作用，在這部分中有機(jī)質(zhì)主要是以芳香碳的形式存在，所以芳香碳代表著土壤當(dāng)中穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)組分。東南地區(qū)和西北地區(qū)的烷基碳含量較高，主要是由于土壤當(dāng)中酶的活性和微生物的活性較強(qiáng)，使得芳香碳物質(zhì)被氧化分解，導(dǎo)致芳香碳比例降低，羰基碳比例升高。烷基碳和烷氧碳的比值可以反映出土壤有機(jī)質(zhì)的腐解化程度。核磁共振波譜技術(shù)之上，近些年來發(fā)展起來的XANES結(jié)合掃描投射X射線顯微鏡(STXM)技術(shù)可以有效地描繪出土壤有機(jī)質(zhì)微觀的空間結(jié)構(gòu)。有研究發(fā)現(xiàn)，在酸性和鈣質(zhì)森林土壤中，總有機(jī)碳和處于不同降解階段的有機(jī)碳波譜分析得到的形態(tài)非常相似，通過NEXAFS光譜可以發(fā)現(xiàn)雖然來自不同環(huán)境的SOC形態(tài)相似，但每一個(gè)單獨(dú)的土壤當(dāng)中，其內(nèi)在不同空間和不同區(qū)域，SOC表現(xiàn)出高度的功能變化。同時(shí)，X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)技術(shù)還可以得到土壤團(tuán)聚體中的有機(jī)碳官能團(tuán)組成信息和形態(tài)結(jié)構(gòu)特征[56]，在分析過程中不同的元素濃度可用來判斷不同土壤類型的團(tuán)聚體之間的化學(xué)異質(zhì)性和各個(gè)元素之間的相關(guān)性，得到團(tuán)聚體中的有機(jī)碳空間分布以及各個(gè)礦物的含量組成和內(nèi)在結(jié)構(gòu)。

4 研究展望

本文對(duì)我國(guó)主要地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的SOM數(shù)量、組分和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了概述，筆者認(rèn)為對(duì)于SOM的研究還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行拓展。

4.1 土壤微生物代謝調(diào)控對(duì)有機(jī)質(zhì)數(shù)量影響的深研究

影響SOM的因素分為自然因素和人為因素兩大類型，自然因素主要是由于溫度和降水引起的氣候變化，人為因素主要是土地的利用方式和施肥管理措施等，均屬于宏觀調(diào)控。結(jié)合微生物代謝調(diào)控對(duì)SOM影響機(jī)制的深層次研究或許成為未來的研究熱點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用同位素示蹤技術(shù)和微生物分析技術(shù)等更加先進(jìn)的技術(shù)手段，研究不同土壤類型中土壤微生物的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化和調(diào)控機(jī)制，闡明其影響SOM的組分和結(jié)構(gòu)的機(jī)理，構(gòu)建影響SOM特征演變的預(yù)測(cè)模型，揭示土壤微生物對(duì)SOM的作用機(jī)制，為土壤碳循環(huán)和土地管理提供依據(jù)。

表2 核磁共振波譜技術(shù)測(cè)定的我國(guó)主要地區(qū)表層全土土壤有機(jī)碳官能團(tuán)相對(duì)含量變化分析[54]

4.2 有機(jī)質(zhì)組分改變對(duì)提升土壤肥力的重要意義

我國(guó)人口眾多，糧食需求量巨大，為保證我國(guó)糧食安全，必須提升土壤肥力。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中惰性有機(jī)質(zhì)的含量和比例很高，下一步的研究重點(diǎn)可以適度轉(zhuǎn)向SOM組分的轉(zhuǎn)變機(jī)制上來，能否將惰性有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀焕玫幕钚杂袡C(jī)質(zhì)，同時(shí)在此過程中完善SOM組分分離技術(shù)，最大限度發(fā)揮SOM對(duì)土壤肥力的促進(jìn)作用，可以作為未來的一個(gè)研究方向。

4.3 SOM化學(xué)結(jié)構(gòu)研究技術(shù)

目前針對(duì)SOM化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究在實(shí)驗(yàn)過程中多數(shù)是運(yùn)用一種技術(shù)方法，較為單一的方法都存在分析上的缺點(diǎn)，例如本文重點(diǎn)介紹的核磁共振技術(shù)，它對(duì)于SOM化學(xué)結(jié)構(gòu)只能夠定性或半定量分析，不能定量分析各個(gè)官能團(tuán)碳的含量，在很大程度上影響了對(duì)SOM穩(wěn)定性和有機(jī)質(zhì)生態(tài)功能的認(rèn)知，未來在SOM結(jié)構(gòu)方面應(yīng)該構(gòu)建更加科學(xué)健全的研究方法，開發(fā)出更新、更好、更高效的技術(shù)，從定性、定量、相互關(guān)系及轉(zhuǎn)化過程角度搭建較為完整的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

4.4 區(qū)域研究的整合與提升

以往研究大多是針對(duì)某一氣候帶或一種類型土壤進(jìn)行研究，未來應(yīng)更加注重多尺度、多土壤類型和多氣候因素下SOM方面的研究。加強(qiáng)區(qū)域合作，信息和資源更大程度上共享，聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)揮現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，揭示SOM對(duì)全球碳庫(kù)源匯效應(yīng)的影響機(jī)制，為土壤肥力穩(wěn)定和提升，為應(yīng)對(duì)未來氣候變化策略提供科學(xué)依據(jù)。