土壤肥力的重要指標是土壤有機碳,它影響土壤本身具有的物理、化學及生物特性,能調節土壤的質量和功能[1].人類對土壤有機碳的研究可追溯到 200 年前[2],主要是針對土壤有機碳的肥力特性、周轉包括有機物質的輸入、有機碳組分的分解與產物的轉化途徑等[3-7].以往研究有機碳時,注重其對農業生產的作用,而如今的研究更注重其對于生態環境的意義.

土壤有機碳的增加有利于進行農業可持續發展和緩解溫室氣體排放,而土壤有機碳的固定和儲存是由其穩定性來控制[8].所以想應對全球氣候變化或制定溫室氣體減排措施時,必須對土壤有機碳的穩定性有所了解.本文在總結前人研究的基礎上,對土壤有機碳的穩定機制及影響因素進行了綜述.

1 土壤有機碳的穩定機制

土壤有機碳穩定性是指在當前條件下土壤有機質的抗干擾以及恢復原有狀態的能力[9].對于有機碳穩定機制的研究,國內外的報道不是很多,較早的是 Sollins\\(1996\\)提出的將有機碳穩定機制分成三個類別[10]:\\(1\\)有機碳內在的難降解性,指其功能團、分子組成等對酶作用和微生物的抗性;\\(2\\)化學的交互作用導致的穩定,指有機質其他無機分子之間或有機質分子之間與分子間交互作用,致使微生物對基質的不能利用;\\(3\\)基質由于物理保護而導致的微生物及酶的易接近性下降,指土壤團聚體等對基質的閉蓄作用.陳小紅[11]對土壤有機碳的物理穩定機制、化學穩定機制和生物穩定機制及相互作用進行了詳細的論述.劉滿強等[8]結合以前和最新的研究進展,分 4 個方面對土壤有機碳的穩定機制進行論述:\\(1\\) 有機碳的難降解性;\\(2\\)金屬氧化物、黏土礦物與有機碳之間的相互作用;\\(3\\)土壤團聚體的物理保護導致的生物與有機碳之間的空間隔離;\\(4\\)土壤生物自身對有機碳穩定性的貢獻.總結國內外相關的研究報道[12-13],發現對土壤有機碳穩定性機制的研究主要從土壤生物、有機碳特性和土壤結構特性等幾個方面進行考慮.

目前,大多數學者認為,增加土壤有機碳穩定的重要機制之一是團聚體的物理保護作用[14],因為土壤團聚體的穩定性對土壤有機碳有保護作用.

幾十年來,國內外土壤研究者對土壤有機、無機、膠結物和土壤團聚體形成的關系作了大量的研究工作,得到了關于團聚體形成機制的不同觀點[15].Elliott[16]認為大團聚體中碳的高含量是由有機質把微團聚體膠結合成大團聚體引起的,相對而言大團聚體中有機質處于非穩定狀態.Cambardella等[17]認為大團聚體所含有的有機質屬于輕組微粒有機質或者相對密度較小、且與黏土礦物之間的結合并不緊密.緊結態及有機質的黏粒影響著小粒級的微團聚體形成,而松結態的有機質和多糖物質影響著大粒級的微團聚體形成.關連珠等[18]則認為,微團聚體的粒級決定了膠結物質的作用程度.Tisdall 等[19]的試驗結果證明,黏結的團聚體\\(由菌絲分泌物的大分子多糖類物質的\\)比團聚體\\(由菌絲本身纏繞的\\)的穩定性較弱一些.Puget 等[20]認為有機質\\(如脂肪族化合物、不穩定碳水化合物、真菌菌絲體\\)可以增加大團聚體的穩定性.雖然研究人員已認識到土壤中團聚體的穩定性受到一些因素的影響,但這些研究未能進一步解釋這些因素的影響過程.

2 土壤有機碳穩定性的影響因素

影響土壤有機碳穩定的因素是多方面的,概括起來為自然因素\\(植被類型、水分、溫度、土壤質地、土壤微生物等\\)和人為因素\\(耕作、施肥等\\).自然條件下,氣候條件比如年均氣溫和年降水會直接影響植被類型的生長,而植被類型直接決定了進入土壤中的有機殘體數量,有機殘體量越高,土壤有機物質量也相應增加[21];土壤理化特性在很大程度上影響著土壤有機碳的含量[20],不同土壤類型土壤有機質分解效率和恢復周期的差別很大,受其土壤本身質地的影響,土壤中的有機碳總量和有機碳的組分分配均有不同程度的差異[22],也使土壤有機碳的穩定性發生了改變;土壤本身特性和外在環境因子相互作用對土壤中有機碳的穩定性具有重要的影響.人為因素對土壤有機碳的影響是綜合的,也是比較復雜的.種植作物和耕作是影響空氣狀況和土壤濕度、溫度變化的重要因素,因此人為因素對土壤有機碳穩定性的影響有著不同的機制.

2.1 土壤微生物

微生物既是土壤的重要組成部分,又是形成土壤中團聚體最活躍的生物因素,在土壤有機碳的形成與轉化中起到非常重要的作用.土壤微生物對有機碳的利用和轉化主要有真菌和細菌主導的兩種途徑,由于微生物對基質的選擇利用,真菌對碳的存儲能力更強[23].相關研究表明,土壤有機碳與真菌和細菌的相對組成有關,可能是影響土壤有機碳穩定性的主要原因,但其影響機制是相當復雜的.土壤微生物主要是通過影響團聚體的穩定性、土壤黏粒礦物的形成以及有機物料的可降解性來影響土壤有機碳穩定程度的.

土壤中的微生物,特別是真菌,對于大團聚體的穩定性和形成起著重要作用[24].Birgitte 等[25]研究表明,真菌菌根能有效提高土壤結構和土壤中團聚體的穩定性.Degens 等[26]利用電子顯微鏡發現,菌絲能夠使團聚體中的砂粒聯結起來,同時也證實了,增加菌根真菌和腐生真菌的菌絲長度有利于沙土進行團聚.菌根菌絲體和其它根際微生物產生的有機化合物,可使微團聚體進一步膠結成大團聚體.由 Pojasak 等[27]報道可知,玉米根系分泌物的大分子多糖類可以使大團聚體的穩定性增強.總體來說,微生物對土壤中團聚體穩定性機理可分為以下幾點[28]:土壤顆?？梢员患毦a生的多聚物吸附;被土壤顆粒表面吸附的真菌菌絲能與土壤顆粒膠結在一起;微生物的群落間植物根系間的相互作用,使土壤中團聚體更加穩定,土壤有機碳的穩定性增強.

2.2 土壤黏粒礦物

土壤有機碳的穩定性受土壤中以鐵鋁氧化物為代表的金屬氧化物、黏粒含量以及黏土礦物的影響[15].土壤有機碳與土壤黏粒礦物緊密結合,可以抵抗土壤微生物對有機碳的降解作用.不同的土壤礦物,因為結構不同,表面電荷不同,所以對有機碳的吸附作用不同.通過大量調查發現酸性土壤底土層,土壤有機碳的穩定性由草酸中提取的非晶形鐵鋁氧化物通過配位體置換決定的.此外其他實驗證明,鋁 - 有機質也可以形成生物穩定復合體[16].McConkey 等[29]對美國溫帶地區免耕土壤進行了研究,研究結果表明土壤有機碳的增加和黏粒含量呈正相關的關系.鐵鋁氧化物是土壤中的活躍成分,供給土壤正電荷,可以作為膠結物質,有效地使黏粒膠結在一起.Oades[22]發現,堿性離子\\(如 Ca\\) 和鐵鋁氧化物與土壤有機碳含量之間存在著關聯性,自此之后土壤金屬氧化物、特別是鐵鋁氧化物對有機碳的保護日漸受到學者的關注.鐵鋁氧化物巨大的比表面積和大量的表面電荷具有強烈的吸附力,是有機碳保護的實質.Kaiser 等[30]發現鐵鋁氧化物對水溶性有機質\\(DOM\\)具有一定的吸附作用,而 DOM 是有機碳積累的關鍵所在.Schwesig 等[21]做了進一步的研究,發現 DOM 的礦化受到鋁\\(Al\\)的抑制,而 Kahle 等[31]研究表明,鐵鋁氧化物與有機碳呈現出顯著的負相關性.因此,金屬氧化物對有機碳的影響不能簡單的一概而論,可能存在地域上或其他因素上的差異.

2.3 進入土壤中有機物質的種類和性質

研究表明,土壤有機碳的主要來源是死亡的生物殘體碳,牲畜糞肥、人糞肥、綠肥和餅肥等有機物料.土壤中生物殘體的分解大抵可分為快速分解和緩慢分解.生物殘體分解后一部分礦化掉了,一部分殘存在土壤中.殘存在土壤中的有機碳可以在土壤微生物的進一步作用下經緩慢而復雜的轉化 - 縮合等過程后形成難分解的腐殖質.它在分解的同時也將改變土壤中原有的有機碳的分解速率.已有的研究結果表明,每百公斤不同有機物料能形成的土壤有機碳量以作物根茬最多,平均可達 31 kg;其次是豬糞,約 24 kg;再其次是作物秸稈,平均為 22 kg;每公斤綠肥能形成的土壤有機碳最少,平均僅為 18 kg[32].

土壤的植物殘體本身的分解程度、化學組成以及分解者生物群落等諸多因素決定了有機碳的難降解性[11].也決定了土壤有機碳的穩定性.進入土壤中的有機物還在微生物及酶的選擇作用下,最先分解的為蛋白類物質和碳水化合物, 有機物的顆粒變小,碳氮比也下降,致使較難降解的復雜化學結構物質產生富集[13].有機物的難降解性使土壤中有機碳的穩定性增強.Tan 等[33]用 6MHCl酸解得到 NHC,證明難降解性保護機制\\(該文稱生化保護機制\\) 對土壤有機碳的穩定性具有最重要的作用.由于 HCl 酸解法的簡捷性,至今仍被廣泛使用.在土壤有機碳穩定機制中,有機碳難降解性的地位及利用該機制來調控土壤有機碳的穩定性有待更多的研究[34].

2.4 耕作措施

對土壤進行頻繁耕作,改變了土壤有機碳的分布和微生物的生存環境,為土壤有機物質的分解和轉化創造了有利的條件,及由此造成的團聚體的變化,可促進土壤有機質周轉隨耕作強度增加而增大,降低土壤團聚體的發生[35].與傳統耕作相比,免耕土壤的團聚性更強,表現為 >1 mm 時能夠增加水穩性的團聚體,>1 mm 時凈團聚體量和 <1 mm 時均能顯著提高黏粒團聚度[36].與常規耕作相比,保護性耕作提高表層土壤的生物活性,提高團聚體內部碳、氮的含量,增大其結構的穩定性.保護性耕作制度下,土壤微團聚體的顆粒有機質的濃度明顯高于常規耕作,大團聚體的含量則是常規耕作的 2~3 倍[37].周虎等[38]對華北平原地區做了研究,采用保護性耕作制度對土壤中團聚體的穩定性、大小和數量的影響,結果表明,免耕處理促進了表層土壤團聚體的形成.

2.5 土地利用

土地利用主要通過影響土壤有機物質的來源和種類等來影響土壤有機碳的穩定性.因利用方式不同,同一母質發育的土壤,其團聚體的組成和數量都存在著很大的差異性,這說明土地的利用方式很大程度上影響著土壤團聚體的形成[39].分別對耕地、林地和草地的土壤中團聚體的含量作了比較,發現草地的團聚體含量大于耕地和林地的含量,特別是土壤中大團聚體的含量.劉夢云等[40]又對天然草地、灌木林地、果園、農地和人工草地的土地的利用方式、微團聚體的結構和土壤中團粒的結構做了研究和分析,發現它們的土壤中團聚體的總量依次減小 \\(即天然草地 > 灌木林地 >果園 > 農地 > 人工草地\\).Singh 等[41]在印度的干熱地區分別對森林、草原及農田進行研究和分析,其結果顯示森林的生態系統中大團聚體組分含量最大,草原與農田在后,但微團聚體卻恰好相反.而當草地被開墾成耕地時,土壤的微域環境更有利于微生物的分解,團聚體的穩定性因此下降,水穩性團聚體減少的主要誘因是有機質分解加快.

3 問題與展望

雖然已經認識到土壤有機碳穩定性的重要作用,且有關有機碳穩定機制的研究已取得了一定的成就,但是由于土壤有機碳受土壤類型、土層深度、土壤管理措施、土壤生物活性及生物群落組成等多種因素的影響,導致了土壤有機碳穩定機制的復雜性,有機碳穩定機制的內在機理和各機制之間的相互關系還沒有全面的了解.通過物理、化學分組方法獲得的有機碳組分對有機碳穩定的貢獻也沒有很好的闡述過.針對不同生態系統土壤有機碳庫穩定多集中在森林、草原生態系統.對農田生態系統有機碳穩定性研究較少,從已有的研究看,多集中在南方的水稻土上,而且對于南方水稻土固碳潛力及固碳機制的研究日益深入, 對黑土的有機碳穩定性的研究還較少.今后的研究重點應放在以團聚體與化學結合機制及相互關系的研究,物理、化學及生物穩定相互作用機制的研究.

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