祁劍英 馬守田 劉冰洋 闞正榮 劉 鵬 王 興 劉 洋 張海林*

(1.中國農業(yè)大學 農學院/農業(yè)農村部農作制度重點實驗室，北京 100193； 2. 遼寧省農業(yè)科學院 耕作栽培研究所，沈陽 110161)

土壤退化是全球普遍存在的環(huán)境問題，其不僅威脅糧食安全，亦會加劇氣候變化。土壤有機碳(Soil organic carbon，SOC)決定著土壤的質量、功能和健康[1]，其含量降低是土壤退化的重要表現。提高SOC儲量不僅能遏制土壤退化，也可減少溫室氣體排放，緩解氣候變化。因此，提高SOC儲量是國內外學者的研究熱點。在中國，為增加農田SOC含量，秸稈還田率逐年增加，然而據估算，源于秸稈的有機碳投入僅有16.3%轉化為SOC增量[2]，可見外源投入的有機碳并不容易被固定在土壤中，甚至有些已轉化為SOC的部分，受礦化作用(Mineralization)影響而表現的不穩(wěn)定[3]。土壤碳庫遠大于大氣碳庫，其微小的變化會引起大氣碳庫劇烈的變化，因此，明確農田SOC能否長期穩(wěn)定地儲藏在土壤中，揭示SOC的穩(wěn)定機制，對于準確評價農田土壤固碳潛力，應對氣候變化具有重要意義[4]。目前，一些研究認為，SOC的穩(wěn)定不僅取決于其本身的穩(wěn)定性，還受環(huán)境因素(包括土壤物理化學性質等)影響，即穩(wěn)定化過程[5]，因此，進一步研究SOC穩(wěn)定化過程對于揭示其穩(wěn)定機制具有重要的意義。以少、免耕及秸稈還田為主要內容的保護性耕作，因減少土壤擾動和增加地表覆蓋影響農田土壤理化性質，進而影響SOC儲量[6]，但保護性耕作對農田SOC穩(wěn)定的影響尚不明確，相關的研究鮮有報道。因此，本研究分析該領域的2000—2018相關文獻，旨在闡明保護性耕作下SOC的穩(wěn)定化機制和已有的保護性耕作技術提高土壤質量及促進固碳減排的效應與機制，以期為保護性耕作的固碳減排潛力提供理論依據。

1 農田土壤有機碳穩(wěn)定化及其與土壤理化性質的關系

1.1 農田土壤有機碳穩(wěn)定化

SOC的穩(wěn)定是評價農田土壤固碳減排效果的重要指標，目前，關于SOC穩(wěn)定的表述有“穩(wěn)定性”(Stability)[7]與“穩(wěn)定化”(Stabilization)[8-9]2種。在國內“穩(wěn)定性”更為常見，用法上并沒有完全統(tǒng)一。穩(wěn)定性與穩(wěn)定化有相似之處，在于最終目的均是在評價SOC是否穩(wěn)定；但二者亦存在一定的區(qū)別：穩(wěn)定性傾向于表現某一時刻或者某一時間段SOC本身的變化情況，著重突出結果，即，是否穩(wěn)定；而穩(wěn)定化是綜合考慮SOC穩(wěn)定的多種影響因素，如土壤物理、化學及生物學性狀，描述達到SOC穩(wěn)定時整個土壤-環(huán)境系統(tǒng)的狀態(tài)，強調SOC穩(wěn)定的過程或條件。因此，當描述SOC是否穩(wěn)定時，本研究使用 “穩(wěn)定性”(或“穩(wěn)定”)，當描述整體穩(wěn)定的過程或條件時，本研究使用“穩(wěn)定化”。

評價農田SOC是否穩(wěn)定主要有以下幾種方法：通過同位素標記研究SOC周轉、基于室內培養(yǎng)及原位培養(yǎng)研究SOC礦化、采用熱力學指標分析及模型模擬。同位素標記和室內培養(yǎng)是較常見的方法。應用同位素13C示蹤技術是研究SOC周轉最直接的手段，可以很好地揭示SOC變化動態(tài)，特別是對研究土壤“新碳”(New carbon)和“老碳”(Old carbon)交替變化具有重要意義[10]。除同位素技術方法外，室內培養(yǎng)對SOC穩(wěn)定的研究方法亦較為直觀，可體現有機碳礦化(mineralization)過程。有機碳礦化過程是土壤中重要的生物化學過程，直接關系到土壤中養(yǎng)分元素的釋放與供應以及土壤生產力的保持。礦化速率與SOC的穩(wěn)定、微生物數量及活性相關[11]。然而，室內培養(yǎng)的方法(ex-situ)受土壤本身的性質(如養(yǎng)分含量)影響較大，所測得的礦化速率與土壤所處的環(huán)境因素(如溫度和水分等)不匹配[12]，因此，僅以SOC礦化判斷其是否穩(wěn)定有一定局限性，應結合多種方法進行綜合評價。此外，也有學者采用其他方法評價SOC是否穩(wěn)定，如田間原位培養(yǎng)(in-situ)測定土壤CO2排放。這種方法通過農田CO2排放特征變化，在一定程度上亦可說明SOC是否穩(wěn)定，但由于受到作物秸稈等田間環(huán)境因素的影響，而造成該方法不能準確反映SOC本身的變化情況。為直觀地描述SOC的動態(tài)，利用長期定位試驗監(jiān)測SOC含量變化，研究SOC的時間變異性(Temporal variability)也可在一定程度上明確其是否穩(wěn)定，目前，關于變異性的評價已被廣泛應用在農業(yè)及生態(tài)學領域[13-14]；活躍有機碳組分(Liable SOC fraction，如易氧化SOC和水溶性SOC等)的含量及其所占比例與可礦化SOC存在很大的相關關系[15]，因此也是評價SOC穩(wěn)定的重要指標；此外，通過熱力學指標[16]及模型分析也可評價SOC是否穩(wěn)定，但這些方法在農田生態(tài)系統(tǒng)的研究中并不常見。

1.2 土壤物理性質對有機碳穩(wěn)定化的影響

土壤物理性質決定了土壤肥力和微生物活性等，對SOC穩(wěn)定化也有重要影響。其中，土壤溫度及含水量對SOC穩(wěn)定化起主導作用，是影響礦化速率的主要因素[17]。在一定溫度范圍內，溫度越高，SOC礦化速率越高[18]；土壤含水量變化[18]及干濕交替[19]均可影響SOC穩(wěn)定化，在適當的含水量下，SOC礦化速率可達到峰值。但現有的研究方法多是采用室內恒溫培養(yǎng)，而這與田間環(huán)境存在一定差異。除此之外，其他物理指標，如土壤硬度和緊實度對SOC穩(wěn)定化均有影響。

團聚體結構是重要的土壤物理性質之一，在不同粒徑大小的團聚體內，SOC的周轉速率及礦化速率均不相同，因此，團聚體構成對SOC穩(wěn)定化有重要意義。Bimüller等[20]研究認為土壤大團聚體(2 000～6 300 μm)內SOC比較活躍，而小團聚體(<2 000 μm)卻可能是SOC穩(wěn)定的一個主要場所。有學者將粒徑<2 000 μm 的土壤顆粒進一步細分，表明粒徑在53～250 μm的團聚體SOC礦化速率較低，相比粒徑在250～2 000 μm的團聚體[21]，其對SOC固持較為穩(wěn)定，類似的結果在Sarker等[22]的研究中亦有報道，但也有研究得出相反的結果(表1)。造成上述結果不一致的原因可能與土壤化學性質相關，但需進一步的研究對其驗證。綜合分析可知，多數研究認為團粒結構對SOC有物理保護作用，然而關于不同粒級團聚體內SOC穩(wěn)定化機理尚沒有統(tǒng)一認識[21]。

表1 不同粒徑土壤團聚體累積礦化量Table 1 Accumulative carbon mineralization of different size of soil aggregates mg/g

注：1.72表示<250 μm團聚體礦化速率。

Note: 1.72 represents the carbon mineralization of <250 μm soil aggregate.

1.3 土壤化學性質對有機碳穩(wěn)定化影響

土壤化學性質是影響SOC穩(wěn)定的關鍵因素[25]，其中，土壤的礦物質與SOC結合被認為是其穩(wěn)定化的重要機制[26-27]，特別是非晶體的鐵鋁氧化物對于SOC的累積以及穩(wěn)定化有促進作用[28]。Huang等[21]研究土壤非晶體含鐵氧化物含量與SOC含量的關系，發(fā)現非晶體氧化鐵含量與SOC含量呈顯著的正相關，并與SOC的礦化速率呈顯著負相關。另外，鐵鋁氧化物能促進團聚體的形成[29]。因此，SOC穩(wěn)定化過程的物理及化學途徑并不孤立，存在極大的聯系。除鐵鋁氧化物外，土壤中金屬離子的含量如Al3+和Mg2+等可影響SOC穩(wěn)定化[30]。土壤其他化學性質，如pH和氧化還原電位等，能夠影響鐵鋁氧化物的含量[31]進而影響SOC穩(wěn)定化。也有研究認為pH、土壤含水量和含氧量等均可影響土壤脂肪族物質及長鏈烷基類物質，均是與SOC穩(wěn)定有關[32]。此外，土壤碳元素與土壤其他元素(如P、S、K和Ca等)，共同組成土壤有機質。因此，SOC含量與土壤其他元素含量相關，其他元素的增加或減少可能亦會影響SOC含量。綜上分析，目前多數研究著重在揭示礦質元素對SOC穩(wěn)定化的影響上。但使SOC更趨于穩(wěn)定化的土壤化學性質是怎樣的，這個問題有待進一步研究。

1.4 有機碳分子結構對其穩(wěn)定化的影響

雖然土壤的物理化學性質可能是SOC穩(wěn)定化的主導因素[7]，且近年的研究認為SOC分子結構(如碳水化合物和木質素等具有截然不同的碳分子結構)對穩(wěn)定化的貢獻較小[33-35]，但該貢獻仍不可忽略。以前的研究認為土壤中的碳水化合物是較不穩(wěn)定的物質，但最近研究發(fā)現，碳水化合物與土壤中的無機粒子相結合，能夠被保存在土壤中[7]；另外，曾經被認為是最穩(wěn)定存在于土壤中的物質(如木質素)，最近的研究中發(fā)現，這些物質能夠被快速降解[36]；除此之外，對一些其他具有不同分子結構有機質降解速率研究發(fā)現：脂質是連接微生物與降解底物的橋梁，可能是土壤中分解速率較快的物質[7]；腐殖質降解速率受其他環(huán)境因素的影響[37]。綜上所述，SOC分子結構并不能單獨主導其穩(wěn)定化，而與其他因素(土壤性質等)相結合，共同影響SOC穩(wěn)定化。

2 保護性耕作對土壤理化性質及有機碳穩(wěn)定化的影響

2.1 保護性耕作對土壤物理性質的影響

傳統(tǒng)耕作由于缺少秸稈覆蓋，加之土壤擾動大，導致土壤水分蒸發(fā)增加[38-39]，而保護性耕作增加地表覆蓋度，并改善土壤結構[40]，因此使土壤含水量增加。在播種后的10～15 d，保護性耕作可降低土壤溫度0～1.5 ℃[41]。這可能是保護性耕作通過影響土壤容重、孔隙度、含水量及SOC含量導致的[42-43]；此外，是地表覆蓋抵消一部分光輻射導致的。土壤溫度及含水量可能為保護性耕作下SOC穩(wěn)定提供環(huán)境條件。

有研究表明，SOC能夠被儲藏在團聚體當中[44-46]，而保護性耕作可增加土壤大團聚體比例[44]。因此，保護性耕作可以通過其物理保護機制促進SOC穩(wěn)定。Sarker等[22]研究表明，在秸稈還田的傳統(tǒng)耕作情況下，土壤的各粒級團聚體對SOC的激發(fā)效應(priming effect)高于保護性耕作，這種現象可能是SOC的物理穩(wěn)定機制和化學穩(wěn)定機制共同作用的結果，小粒徑的土壤團聚體與金屬離子的吸附作用可能是SOC穩(wěn)定的重要機制之一[47]。

2.2 保護性耕作對土壤化學性質的影響

關于保護性耕作對土壤pH、氧化還原電位及電導率影響的研究結果，因研究區(qū)域的氣候和土壤等因素的不同而存在分歧[48]，但可以確定的是，保護性耕作對這些指標均有極大影響?？紤]到這些指標均是評價土壤質量的重要指標，對SOC穩(wěn)定有重要影響，因此，評價其影響時應系統(tǒng)地分析，如土壤pH增加或降低均可能促進SOC穩(wěn)定，但會因土壤的性質以及其他環(huán)境因素而異。另外，保護性耕作可影響土壤礦質元素含量和形態(tài)，提高可交換態(tài)Ca2+、Mg2+、K+含量[49-50]及非晶體鐵氧化物含量[51]，這是SOC穩(wěn)定的重要因素[52]。除土壤礦質元素外，土壤養(yǎng)分含量在穩(wěn)定的有機物組成中C∶N∶OP(Organic P)∶S的比例是一個常數[53]，而保護性耕作對土壤養(yǎng)分影響較大[43]，這或許是保護性耕作下SOC穩(wěn)定的原因之一。

2.3 保護性耕作對有機碳分子構成的影響

土壤的物理結構可影響SOC分子構成[7]，因此不同的耕作方式下SOC分子構成不同[54]。有研究認為耕作可改變土壤脂肪族SOC含量，進而改變SOC親水性成分和疏水性成分的含量[55]，與Laudicina等[56]的研究一致。該研究也表明，耕作措施對SOC組成中芳香族物質也有一定的影響，表現為常規(guī)耕作措施高于保護性耕作措施。這可能是因為耕作會增加脂肪族物質(如，脂類、脂肪酸、烷類和烯屬烴等)的降解，同時增加酚類和木質素等物質含量[57],降低芳香族物質的含量，該結果與Aranda等[58]的研究一致。目前，保護性耕作對不同分子結構SOC的影響及其與SOC穩(wěn)定化的關系有待揭示。

2.4 保護性耕作對土壤有機碳穩(wěn)定化的影響

有研究通過同位素標記的方法分析SOC的周轉狀況，與目前的傳統(tǒng)耕作相比，保護性耕作能夠顯著提高“老碳”的含量[59-60]，因此，在保護性耕作下SOC更穩(wěn)定。此外，保護性耕作對SOC礦化有極大影響：Raiesi等[61]基于室內培養(yǎng)試驗，構建不同耕作措施下SOC礦化速率、潛在礦化碳以及礦化速率常數變化模型，表明保護性耕作下SOC礦化速率低于常規(guī)耕作處理；而Dimassi等[62]得出不同的結論：免耕條件下，表層土壤礦化速率顯著提高并與顆粒有機質含量呈極顯著正相關。造成上述差異的原因可能是試驗地點的土壤類型以及氣候條件不同[17]。其中土壤類型可能是主要原因，但其影響機制有待進一步研究。分析活躍SOC組分亦可明確其是否穩(wěn)定，與傳統(tǒng)的翻耕和旋耕相比，保護性耕作耕地0～20 cm 土層易氧化SOC含量均較低[63]，其SOC較穩(wěn)定。除上述化學分析方法之外，Iocola等[64]通過模型分析認為，相比目前傳統(tǒng)耕作，保護性耕作的強固碳能力是應對氣候變化的重要手段。盡管目前不同的研究方法得到的結果存在一定爭議(圖1)，但多數研究認為保護性耕作對SOC固持能力較強[65]。有基于長期定位的研究認為，保護性耕作可增加固碳16%[47]，因此，保護性耕作對SOC穩(wěn)定具有重要意義。

綜上分析，保護性耕作可能并不直接影響SOC本身的穩(wěn)定性，而是通過改變土壤環(huán)境，構建SOC穩(wěn)定的外部必要條件及其內部構成，促進SOC被穩(wěn)定化，最終實現土壤固碳。該穩(wěn)定化過程可能主要有3條路徑(圖2)：保護性耕作改變土壤溫度、含水量、田間原位pH及氧化還原電位等，這些土壤環(huán)境因素是SOC穩(wěn)定的基礎條件；同時，土壤環(huán)境變化導致土壤礦質元素含量、形態(tài)及土壤養(yǎng)分(N、P、K)等出現差異，這是SOC穩(wěn)定的重要因素，尤其鐵鋁氧化物；此外，土壤環(huán)境以及土壤化學性質均會影響不同分子結構的SOC礦化分解，進而改變農田SOC的分子構成，這種構成雖不是SOC穩(wěn)定的決定因素，但在穩(wěn)定化過程中的作用卻不可忽略。

累積礦化速率數據來源于文獻[22,61-62,66]，CO2排放數據來源于文獻[67-71]，易氧化有機碳組分來源于文獻[63,66,72]。橫坐標為保護性耕作與傳統(tǒng)耕作效應值的比，<1表明保護性耕作的效應值低于傳統(tǒng)耕作。箱式圖中實線表示中位數，虛線表示平均值。
The data of cumulative carbon mineralization sourced from literature [22,61-62,66]. The data of CO2emissions sourced from literature [67-71]. The data of POxC (permanganate oxidizable organic carbon) sourced from literature [63,66,72]. Thexaxis represents the ratio of the effect value of conservation tillage and traditional tillage. The values<1 prove that conservation tillage has a lower effect than conventional tillage. The solid lines represent the median and the dash lines represent the mean.
圖1 保護性耕作對土壤有機碳穩(wěn)定的影響
Fig.1 Effects of conservation tillage on soil organic carbon stability

圖2 保護性耕作對土壤有機碳穩(wěn)定化影響的物理化學機制
Fig.2 Effects of soil physicochemical properties on SOC stabilization under conservation tillage

3 研究展望

保護性耕作對農田SOC穩(wěn)定及周轉起著重要的作用，但關于其對SOC穩(wěn)定性(穩(wěn)定化)的研究仍較少，且現有研究依然存在一些不足。首先，對SOC穩(wěn)定的評價缺少系統(tǒng)的評價指標，如前所述，多個指標均可評價SOC穩(wěn)定性，但往往造成結論不一致。對各個方法得出的結果缺少系統(tǒng)的分析；此外，室內培養(yǎng)法作為評價SOC穩(wěn)定性的常見方法也有一定的爭議，因為該方法不能準確地揭示SOC是否穩(wěn)定。目前，國內關于保護性耕作的研究還主要集中在其對土壤碳氮影響的基礎研究上，而其對SOC穩(wěn)定化影響的研究鮮有報道，因此，建議相關領域的研究應重點集中在以下幾個方面：

1)保護性耕作條件下SOC周轉及秸稈還田對SOC的激發(fā)效應。重點分析秸稈腐解產生的碳投入及其與SOC的關系，明確秸稈腐解產生的外源碳轉化為SOC增量的比例，揭示保護性耕作下SOC的輸入及損失；此外，研究秸稈還田對SOC礦化的激發(fā)效應，進一步闡明保護性耕作下土壤碳排放機制。

2)保護性耕作條件下SOC礦化速率及其影響因素有待進一步明確。將土壤的物理化學性質與礦化速率相匹配，深入分析保護性耕作對SOC礦化速率影響的機制。此外，通過原狀土培養(yǎng)(PVC管取樣)可改進現有對SOC礦化的研究方法，可使土壤的物理結構、化學性質均不被破壞，對于研究SOC礦化速率與土壤物理化學性質關系有重要意義。

3)不同耕作方式下SOC對氣候變化的適應能力。設置室內培養(yǎng)溫度梯度，研究不同培養(yǎng)溫度對SOC礦化速率的影響，分析SOC礦化對溫度的敏感性(Temperature sensitivity)，并在此基礎上分析，與傳統(tǒng)耕作相比，長期保護性耕作下的土壤(主要指土壤化學性質)是否能抵御溫度升高而造成SOC分解，可為進一步揭示其固碳效果提供理論依據。

4)保護性耕作條件下SOC分子構成及其與SOC穩(wěn)定的關系。研究保護性耕作對SOC分子構成的影響，揭示該分子構成在SOC穩(wěn)定化過程中的作用，并在此基礎上明確不同分子結構SOC的周轉情況，亦可結合SOC礦化速率，研究不同分子結構SOC的礦化速率，以進一步明確其穩(wěn)定機制。