宋洪福 袁紅 張亮

摘 要：土壤碳庫是全球最大碳庫之一，土壤碳循環(huán)過程調控可以有效改善土壤肥力質量。其關鍵因子在于土壤的有機質。本文基于土壤碳循環(huán)過程中環(huán)境因子的控制對有機質土壤養(yǎng)分水平、土壤結構體形成、土壤理化性質改變的影響，分析了碳循環(huán)過程中，對有機質輸入和輸出、有機質轉化過程、施肥方式與人為管理等3個方面的行為進行調控，可以有效的改善土壤生態(tài)環(huán)境，調節(jié)土壤的碳源、碳匯，優(yōu)化土壤結構和功能。由此闡明土壤碳循環(huán)過程調控在促使土壤形成良好的團聚體結構，進而提高土壤的水肥調控能力和肥力水平方面具有重要意義。

關鍵詞：碳循環(huán);土壤肥力;有機質;調控

中圖分類號：S15

文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830001

碳循環(huán)（Carboncycle）是指碳元素在自然界中的循環(huán)存在狀態(tài)。對于地球生物圈而言，碳循環(huán)主要是指植物通過呼吸作用由空氣中吸收二氧化碳（CO2），再經光合作用轉化為葡萄糖，最后釋放出氧氣（O2）的過程[1]。它是地球系統(tǒng)科學研究的主要任務，主要內容是光合作用過程中大氣吸收的碳（C）被固定在陸地生態(tài)系統(tǒng)中;土壤呼吸過程中的C通過一系列生物地球化學過程，以CO2的形式排放到大氣層中。這些碳素在地球大氣圈、巖石圈、水圈、生物圈、土壤圈層中循環(huán)流動，從而構成了完整意義上的碳循環(huán)[2]。其中非生物庫指的是大氣圈碳庫和土壤圈碳庫。有研究表明，土壤是C的主要蓄積庫之一，是全球植物碳庫的2～3倍，全球大氣碳庫的2倍。近年來，土壤碳庫對大氣CO2的作用過程、貢獻率等研究報告較多，是全球氣候變化發(fā)展研究的重點內容。而土壤碳循環(huán)中各環(huán)境因子的轉變對土壤質量的調控研究相對較分散[3]。

農業(yè)土壤的有機碳庫及碳循環(huán)過程和土壤理化性質影響因子密切相關。其中，直接影響因子主要為土壤有機質（SOM），間接因子則主要為其他物理化學性質及人為管理方式 [4]。本文基于土壤碳循環(huán)過程中控制性因子--SOM展開分析，從SOM輸入和輸出、轉化過程及施肥方式、人為管理措施等方面闡述土壤肥力質量轉變與土壤碳循環(huán)的協(xié)同效應，進而為土壤培肥、土壤退化修復提供理論基礎。

1 土壤碳循環(huán)過程因子分析

1.1 碳循環(huán)與土壤有機質

SOM轉化的生物化學過程是土壤碳循環(huán)的本質過程。它一直是土壤的重要組成部分，從功能來講，它既是植物礦質營養(yǎng)與有機營養(yǎng)的源泉，同時也是土壤中寄養(yǎng)型微生物能源物質，[5]。土壤的眾多功能都與SOM含量和組成有關系[6]。比如，土壤有機物質在好氣微生物作用下，通過礦質化過程使有機物質分解，釋放能量、CO2和H2O，由此植物和微生物獲取了養(yǎng)分;一部分最后產物和中間產物成為腐殖化過程的原料，從而產生能改善土壤理化性狀的腐殖物質（腐殖質、腐殖酸、胡敏酸等），直接或間接地影響土壤的其它性質，為土壤保肥性、保水性、緩沖性、耕性和通氣狀況等提供了基礎。此外，土壤有機質含有絕大多數(shù)的活性基因，對土壤陽離子交換量（CEC）有很大的貢獻 [7]。因此，由碳循環(huán)的角度調控有機質，改善其生物地球化學循環(huán)過程，最終對土壤肥力的調控有很大意義。

1.2 碳循環(huán)與土壤團聚體

土壤團聚體的結構和數(shù)量是影響土壤碳循環(huán)的主要物理因子，兩者互為因子，即土壤碳循環(huán)能有效調控團聚體的形成和保持[8]。土壤團聚體是膠體與土壤顆粒通過有機無機物質凝聚、膠結而成，大、小團聚體數(shù)量和組合比例、空間的排列方式等決定了土壤的孔隙性（包括孔隙分布和比例），從而決定了土壤水力學性質，對土壤通氣透水性、蓄水性和耕性等物理性狀有很好的調控作用[9]。作為土壤團聚體的主要膠結物質—SOM，其在土壤碳循環(huán)過程中影響可想而知。自然土壤有機物質的種類及來源的調控、人為施用有機物質、種植綠肥等過程調控為土壤大團聚體形成提供了重要條件，最終對土壤物理性狀的改善起到明顯的作用。但值得注意的是，該過程是一個長期過程，需經礦質化、腐殖化過程，增加SOM含量、降低表層土壤的容重，增加總孔隙度和物理性粘粒含量，緩慢增強土壤保水保肥的能力，進而提高土壤養(yǎng)分和水分的有效性。有研究發(fā)現(xiàn)，施用有機物質增加了土壤的大、中的孔隙度，有機肥處理的大、中孔隙度是化肥處理與不施肥處理的2倍[10，11]。另外，團聚體形成過程中有大量機膠結物質的參與，對改良土壤中團聚體的結構和比例，增加土壤微團聚體的團聚度有重大作用，最終有利于提高了土壤水肥調控能力和肥力水平[12，13]。

1.3 碳循環(huán)與施肥管理措施

肥料種類和比例的改變等施肥管理措施可調整土壤碳循環(huán)過程。有研究表明，因施肥方式、習慣肥料種類及配比、土壤發(fā)育類型和作物輪作方式等不同，SOM含量表現(xiàn)出明顯不同的特征[14]。有機肥的施用可提高土壤SOM含量，而純化肥施用對土壤SOM含量影響不大。有研究顯示，長期單施有機肥，或氮磷鉀化肥與有機無機肥料配施都可以顯著增加SOM含量;只施氮鉀肥或者只施氮磷肥，氮肥、磷肥、鉀肥單獨施用或磷鉀配施，土壤SOM含量增加不明顯，更甚至于有所下降，但其下降幅度比無肥區(qū)小[15]。

2 土壤碳循環(huán)調控肥力質量的措施

2.1 土壤有機質調控

SOM的形成和轉化都和土壤微生物相關，其數(shù)量和活性是反映土壤肥力和土壤質量的重要指標之一。有機肥給土壤微生物的活動提供了碳源、氮源和能量，改善土壤的微生態(tài)環(huán)境，促進微生物種類的生長和繁殖，增加了微生物數(shù)量和活性，優(yōu)化了土壤微生物群落的結構和功能，最終對土壤有機碳庫及碳循環(huán)調控具有重要意義[16]。

2.1.1 有機質輸入調控

SOM的輸入與碳輸入的數(shù)量和質量、形式等有一定關系，這種關系目前具有不確定性[17]。但土壤有機碳庫的平衡是由輸入與輸出2方面的因素決定是可以確定的，由此可以通過提高作物的生物量來固持土壤碳庫[18]。

2.1.2 有機質轉化過程調控

有機質轉化過程復雜，礦質化與腐殖化過程的中間影響影子眾多。從地上生物量的角度來看，土壤SOM含量與葉片、根莖、收獲物之間關系密切。如在鹽化潮土上的研究表明，SOM含量的提高與葉片間CO2濃度的增加呈顯著性正相關關系，兩者增加使得植株獲得的光量子數(shù)目隨之增多，光合作用增強、產量增加;該作用使的葉片氣孔的阻力加大，可有效提高植株對水分的調控能力，降低作物蒸騰所帶來的危害。兩者最終都對作物高產高效的形式產生了積極的影響[19]。沈潤平等研究指出，SOM組分中活性較強和較易礦化分解的土壤易氧化有機質與水稻生育密切相關：與水稻產量呈極顯著相關關系，相關系數(shù)達到0.767，p<0.01），有機質總量和產量之間相關系數(shù)為0.674，在0.05水平上達到顯著性相關系[20]。Johnston研究指出，在化肥施用充足的條件下，有機肥的缺少最終也會導致土壤質量下降與作物減產[21]。張志國等研究證實，坡耕地土壤SOM含量增加對改善土壤結構、防治水土流失和增加作物產量方面有明顯效果[22，23]。

2.2 肥料施入調控

不同肥料種類施入量、施肥方式與比例及肥料輸入歷史對土壤碳庫中的碳循環(huán)能產生不同的影響。對于草地而言，有研究表明，肥料輸入能后，植物的光合作用加速，從而使其地上生物量增加，即增加土壤了植物碳輸入量。盡管草地土壤碳的含量低，但外源碳的大量輸入補充，有效增加了土壤碳庫量[24，25]。植物群落組成和功能多樣性也可以隨施肥而改變，可增加植物生產力、植物碳的百分比和碳總量，最終植物生態(tài)系統(tǒng)功能得以重新定義。David等研究認為，生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)功能與施肥及特定植物功能群落的增加與減少存在有或多或少的關聯(lián)，其循環(huán)過程可能是不同物種或者功能群引起的[20]。通過外源性的N輸入措施調控，Susana等研究表明，適量、適度施肥對有機質分解的作用很小，但是對有機質輸入碳庫的促進作用卻較大，有利于土壤碳庫吸存能力的提高，對溫帶草原碳庫的調控起到重要作用[26]。長期施用化肥和有機肥對SOM也有很大影響[27，28]。有機無機肥料配施可明顯增加土壤SOM的含量[29，32]。單施有機、無機化肥也能提高SOM，其原因在于兩者都能使作物生長茂盛，地上和地下生物量增多，如根茬和枝葉等殘留量[33]。這與黑土上的長期定位試驗結果相一致，如高洪軍等人發(fā)現(xiàn)，施用有機肥或有機肥配施化肥，可使表層（0～20cm）土壤有機質的總量增加[34，35]。

2.3 人為管理措施調控

人為管理前提下，管理措施的改變、施肥方式的調整等對土壤固碳能力產生明顯影響，即提高土壤中有機和無機碳的含量，增加土壤對大氣CO2的固持能力[36]。如傳統(tǒng)耕作方式使土壤有機碳失去平衡，加速了SOC的分解，而SOC含量的減少直接導致土壤肥力的下降，進而影響農業(yè)土壤的生產力和土壤固碳能力。通過減少干擾等途徑，或者通過降低農田土壤碳的分解速率等方法，可調節(jié)土壤肥力，同時也是提高土壤固碳能力的有效途徑之一。大量實驗結果表明，有機碳庫的儲量與農業(yè)耕作措施密切相關[37]。如保護性耕作能有效促進SOC的積累，并提高土壤固碳能力，使表層土壤中作物的根系生物量提高1.0%～142.9%，土壤微生物的生物量增加2.2%～140%[38]。同時，土壤的呼吸強度顯著降低，降幅在0.9%～72.6%之間，碳的損失減少了，土壤團聚體的數(shù)量提高，有利于有機碳在土壤中的保持[39]。秸稈還田可以增加SOM的輸入量，使秸稈腐解的形成有機碳儲存在土壤之中，增加了SOC的含量[40]。水旱輪作條件下，秸稈還田旋耕比秸稈還田免耕更有利于SOC的提高[41]。路文濤等發(fā)現(xiàn)，0～60cm土層土壤有機碳含量有高低順序：無秸稈<低量秸稈<中、高量秸稈。秸稈還田還增加了土壤活性的SOC絕對含量和相對的含量[42]。陳鮮妮等研究表明，在施化肥的條件下，秸稈直接還田和施用廄肥都可以降低SOC氧化的穩(wěn)定性，最終胡敏酸的能態(tài)升高并且保持相對的穩(wěn)定性[43]。

3 展望

自然界中，土壤因子如土壤有機質、土壤物理結構性及人為管理等是諸多地球化學和生物過程的控制性因子，能為地球關鍵帶植被恢復、氣候調控、土壤質量恢復等提供科學依據(jù)。調控土壤有機碳庫及碳循環(huán)改良土壤肥力質量在現(xiàn)有的研究基礎上，可引入地球關鍵帶的研究，通過土、水、氣、巖相互作用的過程了解土壤中的物質和能量轉移;可“細化”土壤有機碳庫的發(fā)生過程，探討與土壤肥力變化的協(xié)同修復效應。

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