土壤有机碳库及其控制因子的研究进展

维普资讯 http://www.cqvip.com 第ｌ８卷　第３期　黑龙江八一农垦大学学报　ｌ８（３）：ｌ０～ｌ２　２００６焦　６月　Ｊ．ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ａｕｇｕｓｔ　Ｆｉｒｓｔ　Ｌａｎｄ　Ｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｊｕｎｅ　２００６　文章编号：１００２－２０９０（２００６）０３－００１０－０３　土壤有机碳库及其控制因子的研究进展　宫占元，刘春梅，王艳杰　（黑龙江八一农垦大学植物科技学院，　大庆　１６３３　１９）　摘　要：土壤碳库的动态平衡影响作物产量和土壤肥力的高低，是土壤肥力保持和提高的重要研究内容。本文简　要评述了气候、植被、土壤理化特性和农业生产对土壤有机碳分解的影响，介绍了土壤有机碳库及其控制因子的研　究进展。　关键词：土壤有机碳库；气候；植被；土壤理化性质；农业生产　中图分类号：Ｓ１５３．６２１　文献标识码：Ａ　Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　Ｓｏｉｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｓｔｏｒｅｈｏｕｓｅ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｆａｃｔｏｒ　ＧｏＮＧ　Ｚｈａｎ－ｙｕａｎ，ＬＩＵ　Ｃｈｕｎ－ｍｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｙａｎ－ｊｉｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｏｒｅｈｏｕｓｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃｒｏｐ　ｏｕｔｐｕｔ　ａｎｄ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ，ｓｏ　ｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｆｅｒｔｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｌｉｋｅ　ｃｌｉｍａｔｅ，　ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ，ｓｏｉｌ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ’ｓ　ｄｅｃａｙｉｎｇ　ｗｅｒｅ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｂｒｉｅｆｌｙ．Ａｎｄ　ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｏｒｅｈｏｕｓｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｖｅ　ｆａｃｔｏｒ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｏｉｌ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃａｒｂｏｎ　ｓｔｏｒｅｈｏｕｓｅ：ｃｌｉｍａｔｅ；ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ：ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｏｉｌ；ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　０前言　土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库。据估算，全球ｌ　ｍ深度的土壤中贮存的有机碳量约为　ｌ　５００　Ｇｔ，超过了植被与大气有机碳储量之和ｎ　。在２～３　ｍ深度范围的土层中还贮存着约８４２　Ｇｔ的　有机碳　。土壤有机碳不仅为植被生长提供碳源、维持土壤良好的物理结构，同时也以ｃ０ｚ等温室气　体的形式向大气释放碳。由于土壤有机碳的库容巨大，其较小的变幅即能导致大气ｃ０ｚ浓度较大的　波动，因而在全球碳循环过程中起着极其重要的作用。　我国耕地有机碳含量普遍很低，南方约为０．８％～１．２％，华北约为０．５％～０．８％，东北约为１．０％～　１．５％，西北绝大多数在０．５％以下。而欧洲农业土壤大都在１．５％以上　。我国耕地平均有机碳含量低　于世界平均值　３０％以上，低于欧洲５０％以上。土壤有机碳不是一种单纯的化合物，它包括植物、动　物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和土壤腐殖质。土壤有机碳的储量则是进入　土壤的植物残体量及其在土壤微生物作用下分解损失量二者之间平衡的结果　，其库容的大小受气　候、植被、土壤理化特性以及人类活动等诸多物理、生物和人为因素的影响，尤其是这些因子间的　相互作用对土壤有机碳的动态变化至关重要。　１　气候因素对土壤有机碳的影响　在土壤有机碳的蓄积过程中，气候因子起着重要的作用。一方面，气候条件制约植被类型、影　响植被的生产力，从而决定输入土壤的有机碳量；另一方面，从土壤有机碳的输出过程来说，微生　物是其分解和周转的主要驱动力，气候通过土壤水分（同时影响土壤通气状况）和温度等条件的变　收稿日期：２００６—０４—２９　作者简介：宫占元（１９７２一），男，助理研究员，黑龙江八一农垦大学在读硕士研究生。　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　宫占元等：土壤有机碳库及其控制因子的研究进展ｌｌ　化，影响微生物对有机碳的分解和转化　’　。气候变化可能提高光合作用速率以及水分利用和养分利　用效率而提高植物的生产力，增加土壤有机碳库的输入，也可能提高植物呼吸速率降低土壤有机碳　库的输入，并加速土壤有机质的分解而降低土壤有机碳含量。　ＣＥＮＴＵＲＹ模型对草原化草甸植被下黑土的模拟结果表明，在温度升高２℃的条件下，无论降水　量不变、减少２０％还是增加２０％，都会导致土壤有机碳含量下降　。白人海　研究了近５０年来松嫩　平原降水和温度变化，各地降水变化趋势并不一致，总的来看有机质有所减少，但是减少的幅度很　小。温度变化就不同了，各地一致升高，而且升高的数值接近２℃左右，土壤有机碳含量平均下降　２７．３　ｇ／ｋｇ，大约为３８．７％。虽然各地气候变化趋势比较接近，不同气候区域有机碳含量的变化却不　相同，湿润地区变化相对较小，平均为３３．６％１亚干旱地区变化较大，平均为４２．７％。这种差别与土　壤含水量的差别有关，干旱地区温度升高蒸发加大，不利植物生长，枯落物减少；同时温度升高会　提高土壤有机质的分解速率，加速土壤的碳排放速率，从而导致土壤有机碳含量减少。　２植被对有机碳的影响　不同植被条件下，土壤中有机碳的含量有很大变化。不同植被类型之间光合产物的分配模式相　差较大，草原植被光合作用所同化的有机产物中的９２％以上分布在地下，而森林植被光合产物分配　到地下部分的比例则较低。植被有机质进入土壤的方式也有所不同，森林的枯枝落叶一般在地表就　已分解，而草原土壤有机碳的主要来源残根，因在土中较深，分解速率较小，导致草原土壤有机碳　密度往往比森林土壤的要高。在气候相同时，草原土壤有机碳约为森林土壤有机碳的２倍ｎ…。对于　耕作土壤，由于作物秸杆在收获时移出和淋溶损失较高、作物残体分解能力弱等原因，其有机碳密　度较森林土壤低㈨。　植被的物种组成在某种程度上控制着土壤有机碳分解的速度。土壤有机碳主要来源于植被地上　部分的凋落物及其地下部分根的分泌物和细根周转产生的碎屑。这些碳化合物均具有各自的化学特　性，从而导致其在土壤中分解速率各不相同。如植物碎屑的分解速度与其木质素和Ｎ素的相对含量　密切相关。木质素不仅自身难于分解，而且还对易分解的土壤有机碳具有屏蔽保护的作用，因而，　随着碎屑中木质素的含量增加，其分解速率呈下降趋势　’　。　３土壤理化特性对有机碳的影响　土壤理化特性在局部范围内影响土壤有机碳的含量…，其中研究最多的是土壤质地与有机碳蓄　积的关系。一般认为，土壤中的有机碳量随粉粒和粘粒含量的增加而增加。这主要反映在粉粒对土　壤水分有效性、植被生长的正效应及其粘粒对土壤有机碳的保护作用；而粘粒的保护作用则主要是　通过与有机碳结合形成有机一无机复合体实现的。另外，土壤质地不仅影响土壤中有机碳的蓄积量，　还影响其在土壤有机碳的各组分中的分配。但也有研究表明，土壤质地与土壤有机碳量之间没有明　显关系，说明质地对土壤有机碳的影响在不同的地区有明显的差异，也体现了当前研究的不足。　４农业生产对有机碳的影响　４．１施肥对有机碳的影响　施肥将改变土壤中碳氮的可矿化量、微生物碳、氮、磷含量及其微生物活性。施肥对土壤有机　碳的影响因肥料的种类而异。一般来说，施有机肥或与无机肥配合施用，既补充输入了有机碳源又　改善土壤物理性状，不仅土壤有机碳的总量增加，而且活性有机碳的含量增加；而长期的单独施用　无机肥，尤其是无机氮肥，虽然促进了根的生长、增加了植物根茬等的残留，但由于土壤的Ｃ／Ｎ值　下降、土壤微生物的活性提高，加速了土壤原有碳和新鲜的有机碳的分解矿化，不仅土壤中有机碳　总量下降，而且轻组有机碳量的减少大大超过重组碳，结果土壤中难氧化有机碳含量上升、土壤有　机质老化。连续４年不施肥，农田土壤有机碳亏缺主要来自松结态有机无机复合体及缩合程度较低　的腐殖质，单施化肥农田土壤有机碳亏缺主要来自稳结态和紧结态的腐殖质，而有机无机配施农田　土壤有机碳盈亏处于动态平衡　。　维普资讯 http://www.cqvip.com １２　黑龙江八一农垦大学学报　第ｌ８卷　４．２耕作措施对有机碳的影响　传统的耕作方式破坏土壤的团聚体结构，使土壤有机碳失去保护暴露出来；耕作中表层的土壤　充分混合，干湿交替的频度和强度增加，土壤的通气性及孔性变好，土壤水分及其温度状况均得到　一定改善，微生物活性提高，加速土壤有机碳的分解…。其次，作物相对于多年生牧草及林木，光　合产物向地下部分分配的比例下降；收割又使得以地面凋落物形式进入土壤的有机碳量下降。耕垦　还增加了土壤的易受侵蚀性，也导致了土壤有机碳量的下降。对于不同的地区、不同的土壤类型以　及不同的开垦年限，开垦对土壤有机碳含量产生影响的程度有所不同，其下降变化幅度介于ｌ０％～　６０％之间，其中土壤表层下降幅度最大（３２％～６０％）。　～一～一一一～轮作包括粮草轮作和林粮轮作，选择具有较高的生物量的植物与作物轮作，辅之以秸杆还田措　施，可以增加根系及其残体的数量、改变残体的化学质量，影响其矿化固定，从而降低传统种植制　度对土壤有机碳的衰减效应。而且，轮作改变了根际的微生物群落组成，有减轻或消除病害的作用　。～　一　免耕也称为零耕作或者直接播种，不扰动土层，土壤团聚体的数量和稳定性增加，从而减少了　团聚体内部有机质的分解作用。免耕还有效地抑制了土壤的过度通气，减少了有机碳的氧化降解，　还可以防止土壤侵蚀…。因此，免耕的土壤有机碳的含量比传统耕作的土壤高。而且，长期连续免　耕使土壤耕层变浅，植物根系多集中分布于表土层；植物的残体及连年施入的有机肥也主要积累于　表土中，所以有机碳含量的增加在土壤表层更显著“　。　５　结束语　综上所述，气候、植被、土壤的理化特性及其人类活动等诸多因子影响着有机碳在土壤中的动　～　～　态平衡。土壤有机碳含量由于人类活动和气候变化不断变化，可能将造成土壤贫瘠化或更加肥沃，　这些都需要对土壤碳循环各个过程进行深入的调查和研究，进一步了解土壤与大气、植被碳库之间　的碳交换过程和相互关系，从而可以揭示土壤碳库在全球陆地碳循环中的作用。　～　～　一一．一一一一～～～～