土壤固碳管理研究

王汝梅，張俊閣，韓雷，張丹

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)場，遼寧沈陽 110161）

土壤有機(jī)質(zhì)儲(chǔ)量的長期下降始于人類耕種的第一步，現(xiàn)在估計(jì)已經(jīng)以二氧化碳的形式向大氣貢獻(xiàn)了116 Pg的碳，同時(shí)也向海洋和淡水沉積物貢獻(xiàn)了少量的氧化碳[1]。目前，隨著耕地面積的增加，土壤有機(jī)質(zhì)的流失還在繼續(xù)，尤其是在東北黑土。30年來，研究東北典型黑土地區(qū)有機(jī)碳密度與儲(chǔ)量下降的成果顯著，尤其是前20年，黑土有機(jī)碳的含量快速下降，近10年有所緩解[2]。土壤科學(xué)的相關(guān)研究一直致力于減少土壤有機(jī)質(zhì)的持續(xù)損失，并減少溫室氣體排放到大氣中，但是多數(shù)的農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐過程中有許多產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)。如保護(hù)性耕作，雖然可以減少農(nóng)業(yè)機(jī)械的排放，但在增加土壤的碳儲(chǔ)量方面收效甚微[3]。玉米-大豆輪作土地上實(shí)行免耕措施可以減少約2%的二氧化碳排放，幾十年的農(nóng)業(yè)改良減少了但沒有消除農(nóng)業(yè)作為大氣二氧化碳來源的作用。土壤有機(jī)碳的碳固存潛力可以定位為在特定氣候、土壤類型下，土壤有機(jī)碳可以達(dá)到的最大增加量。由于其自身性質(zhì)的不同，不同類型土壤根據(jù)氣候變化、成土母質(zhì)等條件有不同的固碳潛力。韓冰等[4]用DNDC模型估算了中國農(nóng)田土壤碳庫及變化量，分析了我國農(nóng)田土壤碳庫的固碳潛力，發(fā)現(xiàn)我國南方熱帶亞熱帶地區(qū)的水稻土有機(jī)碳含量相對北方旱田有機(jī)碳含量更高，有更大的固碳能力。

1 農(nóng)田管理方式對土壤固碳的影響

不同的施肥方式極大影響著土壤中有機(jī)碳的含量，研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥的施用可以顯著提升土壤有機(jī)碳的含量，實(shí)現(xiàn)固碳管理，尤其是在高量的有機(jī)肥混合施用化肥的處理上。陳錦盈等[5]研究了土地利用變化對土壤物理組分中有機(jī)碳分配的影響，結(jié)果表明天然林地變成農(nóng)田，顆粒有機(jī)碳含量顯著降低，而退耕還林卻使顆粒有機(jī)碳含量增加，且不同土地利用方式土壤有機(jī)碳含量在土壤剖面也表現(xiàn)出一定的層次性。史奕等[6]對不同經(jīng)營方式和施肥模式下黑土顆粒有機(jī)碳的變化情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)氮、磷肥和循環(huán)豬圈肥處理土壤顆粒有機(jī)碳含量最高，深松處理耕層顆粒有機(jī)碳含量最高。

對稻麥輪作區(qū)的砂壤土的研究發(fā)現(xiàn)，秸稈和糞肥的施用提高了土壤有機(jī)碳的濃度，尤其是在化肥配合施用的條件下?；实氖┯靡矊μ岣咄寥拦烫计鸬搅艘欢ǖ淖饔?。例如施氮量高，預(yù)計(jì)生物量就高，返還土壤的部分也多，因此最終提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量。大部分研究者認(rèn)為秸稈還田可以增加土壤有機(jī)碳的固持，但是秸稈還田對有機(jī)碳含量增加的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如有機(jī)肥的施用來得直接，主要也是受到秸稈還田量以及秸稈的腐熟程度還有氣候溫度這些環(huán)境因素的影響。生物炭作為一種土壤改良劑在農(nóng)藝和環(huán)境管理中的應(yīng)用日益普及，低周轉(zhuǎn)率和高碳含量的生物炭及其對土壤理化性質(zhì)和生物群落的潛在有益影響，引起了研究人員對其土地利用的興趣。生物炭可能成為構(gòu)建土壤、提高水質(zhì)和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分，同時(shí)實(shí)現(xiàn)土壤碳的固定，緩解全球氣候變化[7]。

2 土壤不同組分固碳研究進(jìn)展

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是有機(jī)碳存在的主要場所。李海波等[8]研究發(fā)現(xiàn)草地＞2 000 μm團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和平均重量直徑顯著高于裸地和一般農(nóng)田，表明草地植物細(xì)根系的連接和絆纏作用對＞2 000 μm團(tuán)聚體的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用，因而提高了土壤的團(tuán)聚化。土壤團(tuán)聚體固定有機(jī)碳的穩(wěn)定性高度依賴于土壤質(zhì)地和添加有機(jī)碳源，秸稈碳的加入能有效提高旱地大團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量（＞250 μm），增強(qiáng)其穩(wěn)定性和對土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，尤其是對傳統(tǒng)耕作土壤的影響更大[9]。相關(guān)研究表明，耕作可以降低土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)速率，耕作工具的定期擾動(dòng)和土壤環(huán)境的干濕交替會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚體中的物理保護(hù)的有機(jī)質(zhì)暴露并分解。微團(tuán)聚體包裹的有機(jī)碳，由于其內(nèi)部氧氣通透性差，有機(jī)質(zhì)被固定在微團(tuán)聚體內(nèi)部。耕作破壞了團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致微團(tuán)聚體有機(jī)碳被氧化，有機(jī)碳含量降低。土壤中的粘粉粒組分被認(rèn)為是固定土壤有機(jī)碳的主要機(jī)制，該組分的結(jié)合碳能力或者說固碳容量是土壤固碳自然潛力的物理接觸，因此，免耕被認(rèn)為是增加有機(jī)碳的主要農(nóng)業(yè)管理措施。

3 土壤固碳研究展望

雖然各種形式的土壤碳固存的農(nóng)業(yè)管理措施都有其積極作用，但如何在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐過程大規(guī)模的實(shí)現(xiàn)土壤碳的固存仍然存在難度，甚至不太可能[10]。目前，還沒有一個(gè)連貫的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略能夠促使廣大農(nóng)民在幾十年的時(shí)間跨度范圍采用和保持規(guī)定的做法，如何制定一個(gè)有效且合理的農(nóng)業(yè)管理措施，以提高土壤有機(jī)碳含量，達(dá)到緩解氣候變化，保障糧食安全的目標(biāo)，是未來研究的重點(diǎn)方向。