趙天鑫，俄勝哲,，袁金華，王鈺軒，姚佳璇

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，蘭州 730070；2甘肅省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所，蘭州 730070）

0 引言

土壤有機碳(soil organic carbon，SOC)是反映土壤生產(chǎn)能力的重要指標，在維系作物養(yǎng)分供應，構(gòu)建良好土壤結(jié)構(gòu)，防止土壤侵蝕等方面有著重要作用，決定著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的高低及其穩(wěn)定性[1]。另一方面，土壤有機碳也是全球碳庫的重要組成部分，土壤表層1 m的儲量(1500 Pg)分別是大氣碳庫和陸地生物量碳庫的2倍和2.4倍，其微小變化可能對全球大氣CO2濃度產(chǎn)生重要影響[2]。長期以來，諸多學者在輪作及施肥等方面對土壤有機碳含量及固存率的影響做了大量研究的工作[3-5]，但由于不同區(qū)域成土母質(zhì)、礦物構(gòu)成、氣候條件和栽培耕作方式等不同，土壤有機碳含量及固持效果等方面存在著明顯的差異。同時，有關(guān)有機碳土壤固持效果差異的內(nèi)在原因及機理與機制等的研究仍然不清楚。采取合理有效措施保持并提高土壤有機碳含量和有機碳土壤固存率是提高陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、保持其系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要途徑與措施[6]，在全球氣候變化和糧食安全任務日益加重的背景下，開展土壤有機碳固存機制與機理研究，對于提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳截獲潛力、增加糧食產(chǎn)量和保護生態(tài)環(huán)境等方面都具有重要意義。土壤有機碳的穩(wěn)定性在很大程度上受團聚體顆粒的物理保護、有機碳與礦物的化學結(jié)合保護機制的影響，被認為是土壤固持有機碳的重要機制[2,7-8]。進入土壤的有機質(zhì)通過微生物的礦質(zhì)化和腐殖化過程而形成有機膠體，后者再與土壤中的礦質(zhì)（無機）膠體通過鈣和鐵鋁的鍵橋作用形成有機-無機結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)[9]。這部分腐殖質(zhì)有機碳含量相對較高，占土壤有機碳含量的61%～76%左右，是土壤有機碳的主要部分，對良好土壤結(jié)構(gòu)的形成及提高土壤養(yǎng)分的調(diào)控能力具有重要作用[6,10]。結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)在土壤中周轉(zhuǎn)速率慢，被認為是土壤碳庫中的惰性碳庫，對土壤有機碳的積累和固持起著極其重要的作用，其中鐵鍵結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)抗氧化性最強，鈣鍵結(jié)合態(tài)居中，鋁鍵結(jié)合態(tài)最弱[11]。同時高碳酸鹽濃度也能增強大團聚體對土壤有機碳的保護作用[12]。因此，探討鈣與土壤有機碳庫的關(guān)系及鈣對土壤有機碳固持的作用有助于揭示土壤有機碳固持的內(nèi)在過程及其影響因素，可為進一步深入系統(tǒng)研究農(nóng)田土壤有機碳固定的機理及機制提供理論依據(jù)。

1 鈣元素的植物生理作用

植物生長發(fā)育過程中需要多種營養(yǎng)元素，鈣是其必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，具有重要的生理作用[13-15]，參與植物生長發(fā)育全過程[16]，促進植物的生長發(fā)育[17]。在植物的生長發(fā)育過程中，鈣的生理作用主要表現(xiàn)在維持細胞壁和細胞膜結(jié)構(gòu)和參與植物體內(nèi)信號傳導。

1.1 維持細胞壁和細胞膜結(jié)構(gòu)

細胞壁和細胞膜是植物細胞重要的特征結(jié)構(gòu)。細胞壁不僅維持細胞結(jié)構(gòu)，還控制細胞內(nèi)外物質(zhì)運輸和信息傳遞，防御和抵抗外界環(huán)境；細胞膜不僅是代謝反應的重要場所，能夠開展呼吸作用、光合作用等多種生理生化過程，而且細胞膜能夠選擇性的透過物質(zhì)，控制膜內(nèi)外開展的物質(zhì)交換行為；細胞膜上分布著的多糖鏈，能夠有效識別外界物質(zhì)，接收外界的某種刺激或信號，做出相應的反應[18]。

鈣是細胞壁和細胞膜的結(jié)構(gòu)成分，能夠維持細胞壁和細胞膜的穩(wěn)定[19]。鈣通過與果膠酸結(jié)合生成果膠鈣，參與細胞壁的形成[20-21]，并且能夠抑制聚半乳糖醛酸酶的活性，降低了其對細胞壁的分解作用[22]。鈣能夠?qū)⒛け砻媪姿猁}和磷酸脂蛋白質(zhì)羥基連接，進而影響到質(zhì)膜外表面膜磷脂和蛋白質(zhì)的排列，從而穩(wěn)定生物膜透性和細胞完整性，防止胞內(nèi)底物與酶接觸導致生理代謝紊亂[15,23-24]。

1.2 參與植物體內(nèi)信號傳導

鈣是調(diào)節(jié)細胞多種功能的第二信使[25]，通過CaM調(diào)節(jié)酶活性，Ca濃度的改變是植物細胞中鈣信使系統(tǒng)作用機制的中心，不同刺激會引發(fā)特定的[Ca2+]cyt信號，使細胞產(chǎn)生相應反應[22,26]。當植物受到低溫、高鹽、干旱、病毒、細菌等外界環(huán)境脅迫時，細胞壁以及細胞器內(nèi)儲存的Ca2+通過專一的Ca2+通道、Ca2+泵以及Ca2+轉(zhuǎn)運蛋白運輸，使細胞質(zhì)中Ca2+濃度出現(xiàn)特異性升高，鈣與鈣調(diào)蛋白特異結(jié)合形成CaM-Ca復合體，通過與其下游靶蛋白的相互作用，將信息傳遞到下游從而產(chǎn)生應答反應[27]。吳一群等的研究表明，高鈣處理對番茄的高溫脅迫有一定的緩解作用[28]。在干旱脅迫下，鈣信號能調(diào)節(jié)毛竹幼苗的光合作用系統(tǒng)，增強干旱脅迫下毛竹幼苗的光合作用能力，提高毛竹的抗旱性[29]。

2 土壤中鈣含量及形態(tài)

鈣在地殼中是居第五位的豐富元素，平均含量達3.64%，土壤鈣主要來源于巖石，鈣長石是鈣最主要的原生礦物，其他一些礦物也能提供少量鈣。方解石是干旱和半干旱地區(qū)土壤的主要鈣源[30]。土壤鈣含量主要受土壤母質(zhì)和地球化學作用的影響，還與成土過程、生態(tài)環(huán)境、種植制度和施肥也有密切的關(guān)系。中國濕潤地區(qū)的土壤由于受強淋溶作用的影響，土壤鈣的含量多在1.0%以下，而北方的干旱和半干旱地區(qū)的石灰性土壤鈣的含量一般在1.0%～10.0%之間，含量相對豐富[31]。同時，鈣在土壤中的移動速度比想象中快得多，在60 mm降雨下表施硝酸鈣時，Ca2+縱向移動距離大于8 cm，徑向自擴散距離超過3 cm[32]。黃土高原土壤呈弱堿性且大部分土壤屬于鹽基飽和土壤，碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)從東南到西北分布比較均一，平均在10%左右。碳酸鈣遭受淋溶，大部分以重碳酸鈣形式隨下滲水移動，在剖面的中下部形成假菌絲狀、粉末狀、眼斑狀和結(jié)核狀等碳酸鈣淀積層。在淀積層下部碳酸鈣質(zhì)量分數(shù)逐漸減小，因而剖面中總的呈現(xiàn)出先增加再減少的特征[33]。

土壤中鈣有4種存在形態(tài)，即有機結(jié)合態(tài)鈣、礦物態(tài)鈣、代換態(tài)鈣和水溶態(tài)鈣[34]。礦物態(tài)鈣是存在于土壤礦物晶格中的鈣，不溶于水，也不易被溶液中其他陽離子代換，對植物是無效的，占土壤全鈣量40%～90%，是主要鈣形態(tài)，土壤含鈣礦物主要是硅酸鹽礦物，其中最重要的是鈣斜長石和鈉鈣斜長石、輝石、角閃石、綠簾石等，這些礦物較易風化且具一定溶解度，風化后以鈣離子形態(tài)進入溶液，其中大部分被淋失，一部分為土壤膠體吸附成為交換態(tài)鈣；代換態(tài)鈣和水溶態(tài)鈣統(tǒng)稱為有效態(tài)鈣，能夠被植物利用，占土壤全鈣量的20%～30%；代換態(tài)鈣是吸附于土壤膠體表面的鈣離子，土壤中主要的代換性鹽基之一，占土壤交換性鹽基的40%～90%；水溶態(tài)鈣指存在于土壤溶液中的鈣，含量為每公斤幾毫克到幾百毫克，是植物可直接利用的有效態(tài)鈣；有機結(jié)合態(tài)鈣主要來自于動植物殘體，在土壤中的含量很少，一般只占土壤全鈣量的百分之一甚至千分之一[35]。

3 土壤中鈣和有機碳含量關(guān)系

3.1 鈣與土壤有機碳庫

2009—2015年，關(guān)于鈣（碳酸鈣）對土壤有機碳的轉(zhuǎn)化與積累關(guān)系研究日益受到關(guān)注，研究結(jié)論基本一致。如在內(nèi)蒙古阿拉善左旗境內(nèi)的騰格里沙漠東緣半固定風沙土上的研究結(jié)果為土壤有機質(zhì)的分布格局與碳酸鈣的分布格局大體相同，且土壤碳酸鈣含量與土壤有機質(zhì)含量均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[36]。陜西關(guān)中地區(qū)的研究結(jié)果為土壤有機質(zhì)和碳酸鈣均具有相同的變異規(guī)律，距離村莊越近土壤有機質(zhì)和碳酸鈣含量越高，以村莊為圓心土壤有機質(zhì)和碳酸鈣含量呈同心圓式的空間變異特征[37]。在喀斯特地區(qū)的研究結(jié)果為黑色石灰土的水溶態(tài)、交換態(tài)和有機結(jié)合態(tài)鈣均與SOC呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，棕色石灰土的交換態(tài)鈣和有機結(jié)合態(tài)鈣與SOC呈現(xiàn)較好的相關(guān)性，而紅壤的水溶態(tài)、交換態(tài)、有機結(jié)合態(tài)鈣和酸溶態(tài)4種鈣形態(tài)與SOC均沒有相關(guān)性；添加碳酸鈣對土壤有機碳礦化有顯著的激發(fā)效應[38]。由此可以認為，一般來講，鈣與土壤有機碳含量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，影響SOC積累與轉(zhuǎn)化的主導鈣形態(tài)是交換態(tài)和有機結(jié)合態(tài)鈣。但也有報道認為，施用石灰后土壤微生物活性增強，礦化量增加，土壤有機碳含量降低[39]。

3.2 鈣與土壤有機無機復合體

自然條件下土壤中的礦物質(zhì)顆粒和有機質(zhì)顆粒極少是單獨存在的，它們均是通過一定的作用力而相互結(jié)合在一起，形成有機物質(zhì)和礦物質(zhì)的結(jié)合物-土壤有機無機復合體[40-42]。進入土壤中的有機質(zhì)通過微生物的礦質(zhì)化和腐殖化過程形成有機膠體，后者與土壤中的礦質(zhì)（無機）膠體通過鈣和鐵鋁的鍵橋作用形成有機無機結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)，其中鐵鍵結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)抗氧化性最強，鈣鍵結(jié)合態(tài)居中，鋁鍵結(jié)合態(tài)最弱[9]。這部分有機質(zhì)相對含量較高，一般占土壤有機質(zhì)的61%～76%左右[10]。由于土壤有機無機復合體對土壤有機碳的化學結(jié)合保護機制，使得土壤有機碳抵抗礦化和微生物分解的能力增加，周轉(zhuǎn)速率慢，被認為是土壤碳庫中的惰性碳庫，在土壤有機碳積累和固存中起著極其重要的作用[43]。土壤中鈣鍵復合體和鐵、鋁鍵復合體含量呈現(xiàn)有規(guī)律的地帶性分布，鈣鍵復合體主要是在較干燥和鹽基飽和度較高的條件下生成。因此，鈣鍵復合體在石灰性土壤和中性土壤中含量較高，而且鈣鍵復合體含量與鈣、鎂含量、鈣飽和度、pH呈顯著正相關(guān)[10]。

3.3 鈣與土壤團聚體

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤的重要組成部分，土壤團聚體的物理保護導致的生物與有機碳的空間隔離是土壤有機碳主要的穩(wěn)定機制[44]。團聚體的膠結(jié)劑是形成土壤團聚體和維系團聚體穩(wěn)定性的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，它一般被分為粘粒、無機膠結(jié)劑和有機膠結(jié)劑3大類，膠結(jié)劑類型不同直接影響著土壤團聚體的穩(wěn)定性，其中無機膠結(jié)劑有碳酸鹽、氧化物等，有機膠結(jié)劑有土壤有機物、植物根系、真菌菌絲和細菌等[45-47]。鈣離子可以在有機膠體和礦物表面形成離子橋，增強土壤的團粒結(jié)構(gòu)性[48]。土壤碳酸鹽通常是土壤中的鈣離子的主要來源，與大氣中的CO2相平衡的碳酸鹽會為土壤提供0.5 mmol/L的鈣離子，可以中和有機酸，例如由真菌和根系所產(chǎn)生的草酸等。不然這些有機酸會增加土壤粘粒的有效負電荷，使得粘粒在孔隙水中分散[49]。在凡爾賽，起始于1929年壤質(zhì)土壤上試驗的研究結(jié)果也證實，由于橋連作用，鈣離子提高了中性和堿性土壤土壤團聚體的穩(wěn)定性[50]。更有研究指出，土壤微團聚體的水穩(wěn)性與土壤粘粒含量相關(guān)，當有機質(zhì)含量大于5%～6%，大團聚體的水穩(wěn)性與有機質(zhì)含量相關(guān)，而當土壤有機質(zhì)含量小于5%～6%，大團聚體的水穩(wěn)性則與碳酸鹽含量相關(guān)[46]。有研究表明，土壤有機碳含量與鈣含量正相關(guān)，特別是與交換態(tài)和有機結(jié)合態(tài)鈣含量。土壤有機無機復合體和土壤團聚體的保護作用是土壤有機碳固持的主要機制，這可能是因為鈣離子可在有機膠體和礦物表面通過橋連作用形成有機無機復合體，鈣、鎂碳酸鹽再次沉淀形成次生碳酸鹽絡合物，將原生土粒膠合在一起，提高了中性和堿性土壤土壤團聚體的穩(wěn)定性。

4 展望

從19世紀末開始，中國土壤肥力下降的問題越來越嚴重。土壤有機質(zhì)含量作為評價土壤肥力的指標之一，能夠反映土壤肥力的高低，土壤中的有機質(zhì)含量通過測定有機碳來確定。因此，對土壤中的有機碳進行研究是很有必要的，了解清楚如何提高土壤中的有機碳，能夠增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤肥力。

目前，關(guān)于土壤中鈣與有機碳之間相互作用的研究已有一些報道。然而，還存在一些土壤鈣含量對土壤團聚性無明顯影響或負面影響的報道。同時，有關(guān)土壤鈣含量及形態(tài)對土壤有機碳固持的作用與機制；土壤團聚體中的鈣、有機碳與團聚體數(shù)量及穩(wěn)定性偶聯(lián)關(guān)系；土壤有機無機復合體中的鈣與腐殖質(zhì)含量的關(guān)系及鈣對土壤腐殖質(zhì)組分的影響等方面不系統(tǒng)、不深入，仍需進行全面深入的研究，特別是在鈣含量相對豐富的西北干旱和半干旱地區(qū)。