碳循環(huán)調(diào)控土壤肥力質(zhì)量研究綜述

宋洪福 袁紅 張亮

摘 要：土壤碳庫(kù)是全球最大碳庫(kù)之一，土壤碳循環(huán)過(guò)程調(diào)控可以有效改善土壤肥力質(zhì)量。其關(guān)鍵因子在于土壤的有機(jī)質(zhì)。本文基于土壤碳循環(huán)過(guò)程中環(huán)境因子的控制對(duì)有機(jī)質(zhì)土壤養(yǎng)分水平、土壤結(jié)構(gòu)體形成、土壤理化性質(zhì)改變的影響，分析了碳循環(huán)過(guò)程中，對(duì)有機(jī)質(zhì)輸入和輸出、有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程、施肥方式與人為管理等3個(gè)方面的行為進(jìn)行調(diào)控，可以有效的改善土壤生態(tài)環(huán)境，調(diào)節(jié)土壤的碳源、碳匯，優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)和功能。由此闡明土壤碳循環(huán)過(guò)程調(diào)控在促使土壤形成良好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高土壤的水肥調(diào)控能力和肥力水平方面具有重要意義。

關(guān)鍵詞：碳循環(huán);土壤肥力;有機(jī)質(zhì);調(diào)控

中圖分類號(hào)：S15

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)于地球生物圈而言，碳循環(huán)主要是指植物通過(guò)呼吸作用由空氣中吸收二氧化碳（CO2），再經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，最后釋放出氧氣（O2）的過(guò)程[1]。它是地球系統(tǒng)科學(xué)研究的主要任務(wù)，主要內(nèi)容是光合作用過(guò)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(guò)程中的C通過(guò)一系列生物地球化學(xué)過(guò)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(dòng)，從而構(gòu)成了完整意義上的碳循環(huán)[2]。其中非生物庫(kù)指的是大氣圈碳庫(kù)和土壤圈碳庫(kù)。有研究表明，土壤是C的主要蓄積庫(kù)之一，是全球植物碳庫(kù)的2～3倍，全球大氣碳庫(kù)的2倍。近年來(lái)，土壤碳庫(kù)對(duì)大氣CO2的作用過(guò)程、貢獻(xiàn)率等研究報(bào)告較多，是全球氣候變化發(fā)展研究的重點(diǎn)內(nèi)容。而土壤碳循環(huán)中各環(huán)境因子的轉(zhuǎn)變對(duì)土壤質(zhì)量的調(diào)控研究相對(duì)較分散[3]。

農(nóng)業(yè)土壤的有機(jī)碳庫(kù)及碳循環(huán)過(guò)程和土壤理化性質(zhì)影響因子密切相關(guān)。其中，直接影響因子主要為土壤有機(jī)質(zhì)（SOM），間接因子則主要為其他物理化學(xué)性質(zhì)及人為管理方式 [4]。本文基于土壤碳循環(huán)過(guò)程中控制性因子--SOM展開(kāi)分析，從SOM輸入和輸出、轉(zhuǎn)化過(guò)程及施肥方式、人為管理措施等方面闡述土壤肥力質(zhì)量轉(zhuǎn)變與土壤碳循環(huán)的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)而為土壤培肥、土壤退化修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 土壤碳循環(huán)過(guò)程因子分析

1.1 碳循環(huán)與土壤有機(jī)質(zhì)

SOM轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過(guò)程是土壤碳循環(huán)的本質(zhì)過(guò)程。它一直是土壤的重要組成部分，從功能來(lái)講，它既是植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)與有機(jī)營(yíng)養(yǎng)的源泉，同時(shí)也是土壤中寄養(yǎng)型微生物能源物質(zhì)，[5]。土壤的眾多功能都與SOM含量和組成有關(guān)系[6]。比如，土壤有機(jī)物質(zhì)在好氣微生物作用下，通過(guò)礦質(zhì)化過(guò)程使有機(jī)物質(zhì)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(chǎn)物和中間產(chǎn)物成為腐殖化過(guò)程的原料，從而產(chǎn)生能改善土壤理化性狀的腐殖物質(zhì)（腐殖質(zhì)、腐殖酸、胡敏酸等），直接或間接地影響土壤的其它性質(zhì)，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(chǔ)。此外，土壤有機(jī)質(zhì)含有絕大多數(shù)的活性基因，對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量（CEC）有很大的貢獻(xiàn) [7]。因此，由碳循環(huán)的角度調(diào)控有機(jī)質(zhì)，改善其生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程，最終對(duì)土壤肥力的調(diào)控有很大意義。

1.2 碳循環(huán)與土壤團(tuán)聚體

土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)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(diào)控團(tuán)聚體的形成和保持[8]。土壤團(tuán)聚體是膠體與土壤顆粒通過(guò)有機(jī)無(wú)機(jī)物質(zhì)凝聚、膠結(jié)而成，大、小團(tuán)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(xué)性質(zhì)，對(duì)土壤通氣透水性、蓄水性和耕性等物理性狀有很好的調(diào)控作用[9]。作為土壤團(tuán)聚體的主要膠結(jié)物質(zhì)—SOM，其在土壤碳循環(huán)過(guò)程中影響可想而知。自然土壤有機(jī)物質(zhì)的種類及來(lái)源的調(diào)控、人為施用有機(jī)物質(zhì)、種植綠肥等過(guò)程調(diào)控為土壤大團(tuán)聚體形成提供了重要條件，最終對(duì)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(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，需經(jīng)礦質(zhì)化、腐殖化過(guò)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(qiáng)土壤保水保肥的能力，進(jìn)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(jī)物質(zhì)增加了土壤的大、中的孔隙度，有機(jī)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(tuán)聚體形成過(guò)程中有大量機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的參與，對(duì)改良土壤中團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和比例，增加土壤微團(tuán)聚體的團(tuán)聚度有重大作用，最終有利于提高了土壤水肥調(diào)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(diào)整土壤碳循環(huán)過(guò)程。有研究表明，因施肥方式、習(xí)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(jī)肥的施用可提高土壤SOM含量，而純化肥施用對(duì)土壤SOM含量影響不大。有研究顯示，長(zhǎng)期單施有機(jī)肥，或氮磷鉀化肥與有機(jī)無(wú)機(jī)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(dú)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(wú)肥區(qū)小[15]。

2 土壤碳循環(huán)調(diào)控肥力質(zhì)量的措施

2.1 土壤有機(jī)質(zhì)調(diào)控

SOM的形成和轉(zhuǎn)化都和土壤微生物相關(guān)，其數(shù)量和活性是反映土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。有機(jī)肥給土壤微生物的活動(dòng)提供了碳源、氮源和能量，改善土壤的微生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)微生物種類的生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)和功能，最終對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)及碳循環(huán)調(diào)控具有重要意義[16]。

2.1.1 有機(jī)質(zhì)輸入調(diào)控

SOM的輸入與碳輸入的數(shù)量和質(zhì)量、形式等有一定關(guān)系，這種關(guān)系目前具有不確定性[17]。但土壤有機(jī)碳庫(kù)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(guò)提高作物的生物量來(lái)固持土壤碳庫(kù)[18]。

2.1.2 有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程調(diào)控

有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程復(fù)雜，礦質(zhì)化與腐殖化過(guò)程的中間影響影子眾多。從地上生物量的角度來(lái)看，土壤SOM含量與葉片、根莖、收獲物之間關(guān)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(guān)關(guān)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(qiáng)、產(chǎn)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(duì)水分的調(diào)控能力，降低作物蒸騰所帶來(lái)的危害。兩者最終都對(duì)作物高產(chǎn)高效的形式產(chǎn)生了積極的影響[19]。沈潤(rùn)平等研究指出，SOM組分中活性較強(qiáng)和較易礦化分解的土壤易氧化有機(jī)質(zhì)與水稻生育密切相關(guān)：與水稻產(chǎn)量呈極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.767，p<0.01），有機(jī)質(zhì)總量和產(chǎn)量之間相關(guān)系數(shù)為0.674，在0.05水平上達(dá)到顯著性相關(guān)系[20]。Johnston研究指出，在化肥施用充足的條件下，有機(jī)肥的缺少最終也會(huì)導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降與作物減產(chǎn)[21]。張志國(guó)等研究證實(shí)，坡耕地土壤SOM含量增加對(duì)改善土壤結(jié)構(gòu)、防治水土流失和增加作物產(chǎn)量方面有明顯效果[22，23]。

2.2 肥料施入調(diào)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(duì)土壤碳庫(kù)中的碳循環(huán)能產(chǎn)生不同的影響。對(duì)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(bǔ)充，有效增加了土壤碳庫(kù)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(chǎn)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(rèn)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(guān)聯(lián)，其循環(huán)過(guò)程可能是不同物種或者功能群引起的[20]。通過(guò)外源性的N輸入措施調(diào)控，Susana等研究表明，適量、適度施肥對(duì)有機(jī)質(zhì)分解的作用很小，但是對(duì)有機(jī)質(zhì)輸入碳庫(kù)的促進(jìn)作用卻較大，有利于土壤碳庫(kù)吸存能力的提高，對(duì)溫帶草原碳庫(kù)的調(diào)控起到重要作用[26]。長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥對(duì)SOM也有很大影響[27，28]。有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施可明顯增加土壤SOM的含量[29，32]。單施有機(jī)、無(wú)機(jī)化肥也能提高SOM，其原因在于兩者都能使作物生長(zhǎng)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(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果相一致，如高洪軍等人發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥或有機(jī)肥配施化肥，可使表層（0～20cm）土壤有機(jī)質(zhì)的總量增加[34，35]。

2.3 人為管理措施調(diào)控

人為管理前提下，管理措施的改變、施肥方式的調(diào)整等對(duì)土壤固碳能力產(chǎn)生明顯影響，即提高土壤中有機(jī)和無(wú)機(jī)碳的含量，增加土壤對(duì)大氣CO2的固持能力[36]。如傳統(tǒng)耕作方式使土壤有機(jī)碳失去平衡，加速了SOC的分解，而SOC含量的減少直接導(dǎo)致土壤肥力的下降，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)土壤的生產(chǎn)力和土壤固碳能力。通過(guò)減少干擾等途徑，或者通過(guò)降低農(nóng)田土壤碳的分解速率等方法，可調(diào)節(jié)土壤肥力，同時(shí)也是提高土壤固碳能力的有效途徑之一。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)碳庫(kù)的儲(chǔ)量與農(nóng)業(yè)耕作措施密切相關(guān)[37]。如保護(hù)性耕作能有效促進(jìn)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(shí)，土壤的呼吸強(qiáng)度顯著降低，降幅在0.9%～72.6%之間，碳的損失減少了，土壤團(tuán)聚體的數(shù)量提高，有利于有機(jī)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(jī)碳儲(chǔ)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(jī)碳含量有高低順序：無(wú)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(duì)含量和相對(duì)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(duì)的穩(wěn)定性[43]。

3 展望

自然界中，土壤因子如土壤有機(jī)質(zhì)、土壤物理結(jié)構(gòu)性及人為管理等是諸多地球化學(xué)和生物過(guò)程的控制性因子，能為地球關(guān)鍵帶植被恢復(fù)、氣候調(diào)控、土壤質(zhì)量恢復(fù)等提供科學(xué)依據(jù)。調(diào)控土壤有機(jī)碳庫(kù)及碳循環(huán)改良土壤肥力質(zhì)量在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，可引入地球關(guān)鍵帶的研究，通過(guò)土、水、氣、巖相互作用的過(guò)程了解土壤中的物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)移;可“細(xì)化”土壤有機(jī)碳庫(kù)的發(fā)生過(guò)程，探討與土壤肥力變化的協(xié)同修復(fù)效應(yīng)。

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