農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量的影響因素研究

李俊超++靳靜靜

摘 要：土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的核心，農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量的多少直接影響陸地碳庫的收支平衡，其儲量受自然因素（氣候、地形、土壤理化性狀）和人為因素（農(nóng)田管理措施、土地利用變化）等諸多方面影響而呈動態(tài)變化。通過對農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量的影響因素探究，以期找到維持和提高土壤有機(jī)碳庫的有效措施，為我國土壤資源的可持續(xù)開發(fā)利用提供參考，最終達(dá)到土壤固碳和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田；土壤有機(jī)碳；儲量；影響因素

中圖分類號：S154 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170432050

土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）中所含的碳稱為土壤有機(jī)碳（SOC）。目前，全球氣候變化中碳循環(huán)的研究受到越來越多的關(guān)注，成為當(dāng)前全球變化研究的三大熱點(diǎn)之一。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，土壤碳庫是最大的碳庫。據(jù)Eswaran 等人初步估計(jì)，全球以SOM形式儲存在土壤中的碳大約有1400Pg左右，是大氣碳素總量的2倍，其中，農(nóng)田中的土壤碳儲量占土壤碳儲量的9%左右[1]。

雖然全球范圍內(nèi)土壤碳庫的儲量還相對較多，但只有陸地生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)土壤碳庫易受人類行為影響。因此，若要研究CO2在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的源匯效應(yīng)，必須從研究農(nóng)業(yè)土壤碳庫著手。合理并有效地利用農(nóng)業(yè)SOC庫成為了諸多科研工作者研究的新領(lǐng)域。要有效地利用土壤碳庫，揭示土壤碳動態(tài)變化過程，就需先對影響SOC儲量的因素進(jìn)行研究。

陸地生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)田碳庫的變化主要取決于SOC輸入與輸出的相對數(shù)量，而決定農(nóng)田SOC分解量和生成量的主要因素可分為自然因素（氣候、地形、土壤理化性狀）和人為因素（農(nóng)田管理措施、土地利用變化）。

1 影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量的自然因素

1.1 氣候

溫度。溫度主要通過影響土壤呼吸的進(jìn)程和微生物活性而影響SOC含量。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)SOC庫隨溫度增加表現(xiàn)出指數(shù)下降趨勢。年均溫較高的時(shí)期，土壤呼吸和土壤微生物生物量碳也相對較高。不同區(qū)域SOC對溫度變化的呈不同的敏感性，如西北生態(tài)脆弱區(qū)，對溫度變化較敏感，而南方變幅較小。

水分。土壤含水量通過影響土壤透氣性，改變外源碳的分解和礦化。較高的年降水量易形成較低的土壤呼吸，進(jìn)而產(chǎn)生較少的微生物碳。另外，降水季節(jié)分布不均勻的地方，易干濕交替，破壞團(tuán)聚體，在短時(shí)間內(nèi)大幅度提高呼吸強(qiáng)度，使SOC的礦化分解量增加。南方水田和北方旱地SOC分解存在明顯差異，前者屬于厭氧型分解，釋放能量少，有機(jī)碳降解慢，后者剛好相反。因此，水稻土SOC含量比旱地高，具有較大的固碳潛力。

溫度和水分對SOC的作用不是獨(dú)立的，它們互相影響、互相制約。因此，在研究農(nóng)田土壤固碳的過程需綜合考慮這兩個(gè)方面的因素。

1.2 地形和海拔

地形。地形對SOC的影響機(jī)理較為復(fù)雜。國外對坡耕地SOC進(jìn)行動態(tài)研究，結(jié)果表明從坡頂?shù)狡履_，坡地水溶性有機(jī)碳與總有機(jī)碳的分布呈顯著相關(guān)。在排水不良的部位各層胡敏酸含量相對較少。反之，在排水條件較好的坡頂和坡肩胡敏酸相對積累。另外，降雨會加速土壤碳在不同坡位中分布的差異，說明地形對SOM的分布和遷移有顯著影響。

海拔。海拔高度對SOC礦化的影響也存在一定的差異。雖然海拔對SOC礦化率會產(chǎn)生一定影響，但未表現(xiàn)出海拔高度上的規(guī)律變化，客觀說明了影響SOC礦化的因素比較復(fù)雜。因此，不能片面地從海拔因子的角度對土壤的CO2釋放進(jìn)行單一研究，應(yīng)將其與其他因素綜合考慮，正確認(rèn)識土壤CO2釋放機(jī)理。

1.3 土壤理化性狀

在影響SOC庫容量的自然因素中，土壤的理化性狀的影響最大，其中又以土壤質(zhì)地表現(xiàn)最突出。

土壤質(zhì)地。SOC含量受土壤質(zhì)地的影響較明顯。粘粉質(zhì)土壤比砂土含有更多的SOC，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是土壤粘粒能吸附SOC，二者可形成有機(jī)—無機(jī)復(fù)合體，對SOC起到物理保護(hù)作用，即SOC含量與粘粒多少呈顯著的正相關(guān)。但有人研究得出，在非石灰性土壤中SOC含量與粘粒相關(guān)，而在石灰性土壤中二者關(guān)系不大[2]。因此，粘粒含量對SOC的影響會因土壤類型的不同而不同。

土壤結(jié)構(gòu)。大多數(shù)的研究者認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最能影響微生物分解過程的因素之一。同時(shí)，也是影響土壤碳固定及其穩(wěn)定性的重要因素。土壤結(jié)構(gòu)中的團(tuán)聚體通過物理保護(hù)機(jī)制對SOC進(jìn)行吸持，還可通過鈣鍵或鐵鋁鍵與有機(jī)碳化學(xué)鍵合，并協(xié)調(diào)土壤中的水、肥、氣、熱來影響微生物活性、SOC的穩(wěn)定及分解。因此，SOC含量會隨團(tuán)聚體粒徑增加而增大。

黏土礦物類型。SOC含量也受黏土礦物類型的影響。2：1型黏土礦物類型比1：1型的陽離子交換量和比表面積更大，故2：1型礦物對SOC的吸附強(qiáng)度較高，SOC的穩(wěn)定性也較高。

土壤pH。不同土壤pH值存在差異，土壤微生物的活性不同，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳礦化分解的速率存在差異。過高或過低的pH值都會降低微生物的活性，抑制其活動，減緩有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。在我國，SOC儲量的分布隨緯度增加而增加，其與緯度的相關(guān)性達(dá)到顯著水平（0.70），即北方地區(qū)相對高，南方相對低，其中一個(gè)原因是pH值基本呈北高南低。

土層深度SOC儲量和土層深度存在顯著相關(guān)性，隨土層深度增加逐漸下降。

2 影響農(nóng)田土壤有機(jī)碳儲量的人為因素

2.1 農(nóng)田管理方式和管理措施

耕作方式。大多數(shù)研究結(jié)論表明，耕作方式的差異會顯著影響SOC儲量。常規(guī)耕作方式會經(jīng)常擾動土體，破壞良好的土體結(jié)構(gòu)，使SOC脫離土壤結(jié)構(gòu)體的束縛，加速SOC分解礦化過程。過度耕作能顯著減低SOC數(shù)量和質(zhì)量，尤其是降低活性SOC數(shù)量。而將常規(guī)耕作方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐悦飧蛏俑麨橹鞯谋Ｗo(hù)性耕作，超過10a實(shí)施后，可增加7%～10%表層SOC含量，亦可增加土壤固碳潛力。

輪作制度。作物輪作通過影響作物根系和植物殘?bào)w歸還的數(shù)量和質(zhì)量，從而影響SOC的礦化和固定過程，最終影響碳儲量。國外的定位試驗(yàn)結(jié)果表明，豆科與玉米輪作相較單作玉米，地上部分植物生物量較大，有機(jī)物質(zhì)的歸還量和SOC含量顯著提高，同時(shí)，土壤地力和生物生產(chǎn)力也有所增加。

施肥。在農(nóng)業(yè)管理措施中，施肥對SOC儲量的影響最大。肥料的特性、施肥量和施肥方式等都會引起SOC含量的變化。馬成澤[3]等關(guān)于施肥對SOC影響的研究結(jié)果顯示，有機(jī)肥單施或有機(jī)—無機(jī)配施，不但可以改善土壤理化性狀，而且能增加SOC總量。秸稈還田也能顯著改良土壤結(jié)構(gòu)，增加SOC含量。秸稈焚燒可直接導(dǎo)致土壤碳釋放、加快SOC儲量的損失。

灌溉。合理灌溉，可以提高土壤含水量，降低鹽漬化程度，增加土壤生物量，提高生物生產(chǎn)力，有利于固定SOC，進(jìn)而增加SOC儲量。

休閑和撂荒。休閑和撂荒主要通過地表植被的自然演替達(dá)到地力恢復(fù)的效果。但也有研究發(fā)現(xiàn)，夏季休閑，會因溫度高、土壤微生物活性強(qiáng)，導(dǎo)致SOC分解加速、含量下降。Knops等[4]的研究結(jié)果顯示：休閑或撂荒時(shí)，進(jìn)行秸稈還田或者增加地面覆蓋可有效減少土壤侵蝕，改善土壤養(yǎng)分循環(huán)，增加碳儲量，最終為植物提供更好的生長環(huán)境。

2.2 土地利用方式轉(zhuǎn)變

土地利用方式轉(zhuǎn)變通過影響SOC礦化，進(jìn)而影響SOC儲量。一般研究認(rèn)為，林地或草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦貢筍OC的含量降低，而退耕還林還草可以增加SOC積累。毛艷玲等[5]的研究結(jié)果表明，亞熱帶地區(qū)林地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田后會大幅度降低SOC含量。另有研究顯示，將小麥—玉米輪作轉(zhuǎn)變?yōu)榉N植苜蓿后，其農(nóng)田SOC含量會有一個(gè)顯著的提高。

3 討論與結(jié)論

目前，越來越多的研究集中在農(nóng)田SOC庫的變化和碳庫動態(tài)變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)及大氣的源匯效應(yīng)。因此，為了揭示土壤碳庫的源匯效應(yīng)，需要對影響SOC的因素和機(jī)制進(jìn)行分析闡明，這樣才能為維持并提高SOC儲量和土壤固碳潛力提供科學(xué)的理論依據(jù)。SOC轉(zhuǎn)化和固定既受自然因素（溫度、水分、土壤理化性狀）的影響，又受農(nóng)田管理措施等多種因素的交互影響。相較自然因素的影響，農(nóng)田管理措施尤其是不同的耕作措施和的施肥水平對SOC積累的影響更大，二者單獨(dú)對SOC的影響已經(jīng)有了諸多研究，但二者的綜合效應(yīng)及機(jī)理還不清楚，需在今后的研究中重點(diǎn)探討。

在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代背景下，如何平衡增加農(nóng)業(yè)輸出與減少土壤退化之間的關(guān)系是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。目前，我國主要的耕作制度和農(nóng)田管理措施已引起了農(nóng)田SOC儲量的減少，且造成質(zhì)量上的損失。SOM的損失在一定程度上既能加劇耕地質(zhì)量的退化，又能增大碳排放?；诒疚奶岬降腟OC的影響因素，我們應(yīng)注重秸稈還田，增加有機(jī)物料的輸入，如種植綠肥、增施有機(jī)肥等，同時(shí)，通過合理輪作、坡改梯、退耕還林還草并結(jié)合保護(hù)性耕作措施，進(jìn)而提高SOC儲量，提高土地生產(chǎn)力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展，確保國家糧食安全。

參考文獻(xiàn)

[1]方華軍，楊學(xué)明，張曉平.農(nóng)田土壤有機(jī)碳動態(tài)研究進(jìn)展[J]. 土壤通報(bào)，2003（06）：562-568.

[2]林心雄，文啟孝，程勵勵.土壤中有機(jī)物質(zhì)分解的控制因素研究[J].土壤學(xué)報(bào)，1995（增）：41-47.

[3]馬成澤，周勤，何方.不同肥料配合使用土壤有機(jī)碳盈虧分布[J].土壤學(xué)報(bào)，1994（01）： 34-41.

[4]Knops J M H，Tilman D.Dynamics of soil nitrogen and carbon accumulation for 61 yeans after agricultural abandonment[J]. Ecolgy，2000（01）：88-89.

[5]毛艷玲，楊玉盛，刑世和，等.土地利用方式對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2008（04）： 132-137.