农田土壤碳饱和机制研究进展

杜章留，张庆忠，任图生

(1.中国农业科学研究院农业环境与可持续发展研究所，北京10008; 2.中国农业大学资源与环境学院，北京100193)

农田土壤碳饱和机制研究进展

杜章留1，张庆忠1，任图生2

(1.中国农业科学研究院农业环境与可持续发展研究所，北京10008; 2.中国农业大学资源与环境学院，北京100193)

农田土壤有机碳是土壤肥力的核心，与全球碳循环和气候变化密切相关。然而，土壤有机碳水平并非无限度增加而是存在一个最大容量，或称之为碳饱和水平。本文综述了土壤有机碳的稳定机制、碳饱和理论及其关联性，总结了土壤碳饱和概念模型和饱和亏缺预测等方面的研究进展，分析了我国农田土壤碳饱和效应研究现状，并对未来研究方向进行了展望。图2，参52。

农田土壤;土壤有机碳;稳定机制;碳饱和

0 引 言

作为全球碳循环过程的重要环节，农田土壤有机碳 (SOC)库的转化和稳定过程深刻影响大气中CO2的浓度、土壤肥力和及其生态功能［1-4］。因此，通过合理管理措施提高土壤碳截留，对缓解气候变化和保障粮食安全具有双重作用［2］。然而，土壤有机碳固持水平并非无限度增加，而是存在一个最大容量，即碳饱和水平［5-6］。尽管土壤固碳数量问题得到了很大关注，但学术界对碳截留机制及其调控因子等关键科学问题的认识仍然不够［7］。文章从土壤碳稳定机制、碳饱和理论和概念模型、碳饱和亏缺预测、我国农田土壤碳饱和效应及未来研究展望几个方面进行了概述。

1 土壤有机碳稳定机制与碳饱和理论

土壤有机碳水平主要取决于有机碳输入和输出的动态平衡。土壤有机碳之所以能较为稳定存在，很大程度上取决于土壤有机质的保护性机制，包括化学稳定(chemical stabilization)、物理保护(physical protection)和生物化学稳定(biochemical stabilization)［5，8-9］。其中，化学稳定性得益于有机质与土壤矿物的化学和物理化学结合，因为土壤有机质的稳定性与粘粉粒含量及矿物类型密切关系;物理保护性则源自土壤团聚体形成与有机质稳定分异过程的互馈机制，团聚体在有机质与微生物、酶及其基质之间形成物理障碍并控制食物网的相互作用和生物周转［10］;生物稳定性则取决于有机质本身的化学成分 (如木质素、多酚等)和化学作用 (如浓缩作用)。因此，土壤固碳既是一个物理过程，也是一个化学过程，更是一个生物学过程［3，9，11］。

土壤固碳潜力(soil carbon sequestration potential)是指土壤在一定环境条件下具有的最大稳定碳库存能力，受区域气候、土壤类型和农业管理措施的综合影响［12］。孙文娟等［11］系统总结了土壤固碳潜力研究的国内外研究，将其归纳为三大类:基于农田管理措施的生物潜力(biological potential)、基于土壤机械组成的物理化学潜力(physicochemical potential)和基于生物潜力及社会经济条件的社会经济潜力(socioeconomic potential)。其中，生物潜力是考虑到当地可能的环境约束(如土地利用变化和生物资源等)和管理措施优化调整 (如有机肥投入、秸秆还田、免耕措施等)条件下，土壤所能固持碳的最大量［13］;物理化学潜力则是基于土壤物理化学性质定义的。研究认为，土壤微形态结构、团聚体、粘粒含量及类型等与土壤有机碳固持存在密切关系［5，14］。土壤碳的物理化学潜力是从有机碳的稳定机制出发的，不同类型土壤的机械组成差异决定了有机碳的结合方式和结合量［11］。文章主要从农田生态系统中生物潜力和物理化学潜力两个方面进行论述。

大量研究表明，合理的农业技术如免耕、秸秆还田和施用有机肥等可以有效地提高土壤碳截留［2，15］。据Sun等［16］估算，在1980年-2000年间，中国农田土壤固定了437 Tg C，平均固碳速率为22 Tg C·yr-1。综合有关管理措施对土壤固碳潜力估算的研究结果，无论采用试验结果外推法还是模型模拟法，SOC水平与外源有机碳投入水平基本呈正比例线性关系［17］。换言之，只要有足够的碳投入，SOC含量就会无限制地增加。然而，也有一些研究指出，在某些土壤 (尤其是碳含量高的土壤)中，尽管碳输入在增加，SOC含量却没有显著变化［18-21］。Campbell等［22］在长达31年的定位试验上的研究表明，在有机碳含量丰富的土壤中，SOC含量并不随碳的输入而增加，而是稳定在某一特定值上。显然，线性模型在预测土壤固碳潜力方面存在一定不足:对于SOC含量很高的土壤或者在长期高碳投入的管理模式下，SOC并非无限度增加，而是存在一个极限值，即碳饱和状态［5-6，23-24］。

图1 土壤有机碳 (SOC)含量随时间和有机碳投入的动态变化Fig.1 Changes of soil organic carbon(SOC)levelwith time under different C input levels(a)，and Changes of SOC level at steady state with C input levels(b)

随着土壤外源有机碳投入的增长，SOC随着时间的动态变化也有所差异。为此，我们从时间和有机碳投入两个角度来阐述碳饱和与SOC动态变化的相关性，见图1。从时间角度看，在相对稳定的外源有机碳投入水平下，SOC含量随时间呈现S形渐近线趋势变化 (图1a):在初期，本底值碳含量较低，SOC含量随有机碳投入急剧增加，表现出一段时间的碳积累;而后SOC累积速率随有机碳投入减缓，并逐步趋于相对稳定状态 (图1a中的稳定状态i)。如果外源碳投入水平再次增加，SOC水平较低的土壤仍有可能在更高水平上重复这一过程，导致SOC含量再次上升并达到新的稳定状态 (图1a中的稳定状态ii)。然而，对于特定的土壤，这种重复累积的过程并非必然，也不是没有限制。事实上，随着外源有机碳水平的增加，SOC含量上升到一定水平后不再因为碳投入的继续增加而变化，并稳定在该水平，此时的稳定状态即为土壤有机碳饱和状态(图1a中的状态iii)。

从外源有机碳投入水平角度分析 (图1b)，伴随着外源有机碳投入水平的上升 (0→I1)，稳定状态下的SOC含量呈现出区域稳定的渐近线趋势上升:在碳低水平投入时，本底值碳含量较低土壤历经有机碳累积后稳定在较低的SOC水平 (图1a中的稳定状态i);而后随着碳投入水平的增加 (I1→I2)，SOC累积量增加，达到稳定状态时SOC水平也提高 (图1a中的稳定状态ii))，但上升速率逐渐变小;在土壤趋向饱和状态后，SOC含量变化趋于零，SOC水平达到最高水平并保持稳定，不再随着外源有机碳投入增加而上升［23］，此时的SOC水平即为该土壤的固碳潜力水平。初始SOC含量较低的土壤，其碳饱和亏缺值较大(saturation deficit，sd)。图1b中，sd1和sd2分别为在碳投入水平I1和I2时，达到新稳定状态下与碳饱和水平的差值，sd1＞sd2。

土壤碳库饱和度与其碳稳定水平密切相关，直接影响土壤有机碳的分解和储存速率。为了更好地描述土壤碳饱和度与固碳数量及速率的关系，Stewart等［23］提出了饱和亏缺(saturation deficit)概念，即有机碳理论饱和值与现有SOC含量之间的差值。土壤碳饱和亏缺的多少决定土壤的固碳效率 (有机碳贮量变化与投入量的比值)。当土壤碳接近饱和时，饱和亏缺下降，导致新投入碳的稳定速率降低。土壤碳距离饱和的程度愈远，对新投入碳的固持能力愈强;当土壤接近饱和时，由于饱和亏缺变小，SOC积累的速率和数量均降低［6，23］。土壤质地和矿物类型决定土壤碳饱和的最终水平以及达到饱和容量的速率。因此，在进行农田碳管理时，需要关注土壤碳饱和效应对土壤碳截留的影响，否则会直接导致土壤固碳潜力的误估。

2 土壤碳饱和概念模型研究进展

对土壤固碳潜力的认识是一个渐近的过程。此前多数研究学者认为，SOC含量和外源碳输入量呈线性相关，即土壤固碳潜力是无限的。随着研究的深入，越来越多的学者逐步认识到SOC固持受土壤本身特征如粘粒含量、矿物组成和土壤结构等内在因素的制约，对此线性增长理论提出质疑。例如，土壤粘土矿物和有机碳结合可以形成有机-矿质复合体，把有机碳密封在微小的孔隙中避免了微生物的分解［25］。然而，在分离的纯粘粒中，Harter和Stotzky［26］发现粘粒表面吸附作用导致的有机碳稳定作用存在有限性。有研究证实，随着粉粒和粘粒含量增加，土壤有机质的残留量不断提高，二者呈一定的正相关关系。在此基础上，Hassink［27］把粉粒和粘粒结合态碳库定义为土壤碳库稳定容量。Baldock和Skjemstad［28］也指出，每种矿物都具有特定的稳定有机碳的能力，这不仅取决于矿物表面对有机质的吸附性，还与矿质组分的化学性质、阳离子存在与否以及土壤结构密切相关。Cater等［29］提出了一个概念性模型。他们将整土碳储存能力与土壤特定组分联系在一起，这些组分包括粉粘粒组分 (＞20μm)、微团聚体 (20μm～250μm)、大团聚体 (＞250μm)和颗粒有机质组分 (＞53μm)。他们的研究表明，随着SOC浓度的增加，粉粘粒结合态碳会达到饱和，进一步的碳积累将发生在团聚体和颗粒有机质组分中。

在大量研究工作的基础上，Six等［5］提出了新的土壤碳库概念模型，见图2。该模型不仅包括与粉粘粒结合、受保护的化学稳定碳(chemical stabilization)，与微团聚体结合的物理保护碳(physical protection)和与有机质本身化学成分有关的生物化学稳定碳(biochemical stabilization)，还包括未被保护的游离态有机碳(non protection)。该四库模型的每个库均有其特定的饱和水平，并且每个库的积累均依赖于其饱和亏缺值。理论上，整体土壤碳库饱和行为的发生是上述四个碳库的累积效应。该土壤碳饱和模型从机理上较好地解释了土壤固碳的动态变化特征。土壤有机碳的稳定性与有机质的组成和分布以及土壤的结构和组成有很大关系。土壤有机碳水平很大程度上取决于土壤中惰性或者受保护有机碳/有机质的绝对含量及其相对比例。

图2 土壤碳饱和四库概念模型 (粉粘粒结合态、微团聚体保护态、生物化学保护态和非保护态碳)Fig.2 The soil carbon saturation conceptualmodel that includes silt and clay protected C pool，microaggregate protected C pool，biochemically stabilized C pool and unprotected C pool

近年来，一些研究基于长期定位试验或室内培养实验对该模型进行了验证了和发展［20，24，30-32］。利用该概念模型，一些学者发现，尽管在整土尺度上碳库并没有表现出饱和效应，但在某些惰性土壤组分中(微团聚体结合态碳、粉粘粒组分)已经呈现出碳饱和迹象［21，24，33］。因此，土壤各组分碳库并非同时达到饱和状态，而呈现明显的分级饱和现象［21，27，29］。类似土壤团聚体形成的等级理论［14］，有学者提出了土壤碳饱和的等级概念模型［31，34］。也就是说，在有机质为主要粘结剂的土壤中，不同土壤颗粒存在不同的碳饱和值，并且按照粒级由小到大的顺序逐级饱和。当土壤接近饱和时，土壤矿质组分均已达到饱和，继续增加外源碳库投入只会使碳截留在非保护的土壤组分中。这些碳库中的有机质稳定性较差并易受到管理措施的改变而分解［6，21，31，33-34］。最先达到饱和的组分被称作 “诊断组分” (如粉粘粒组分和微团聚体组分)。这些易达到碳饱和态的土壤组分，在预测土壤碳饱和潜力和稳定碳库容量等方面具有重要作用。

3 土壤有机碳饱和亏缺预测

土壤碳饱和等级性为研究土壤固碳潜力提供了一个重要契机。以此为基础，一些学者陆续提出了预测土壤碳饱和容量的经验公式和参数指标，用来估算特定区域和管理措施下土壤碳饱和亏缺程度。值得指出的是，在影响土壤有机碳固持的众多因子中 (如机械组成、粘土矿物类型、pH值、物理结构及其养分状况等)，土壤矿物组分能够与有机质通过物理、化学键的作用形成一种稳定状态，称之为化学稳定型(chemical stabilization)［5］，这种有机-无机复合体具有较强稳定性，被视为是固碳容量的控制因素［5，6，21，23，28］。

Hassink［27］最先利用土壤矿质组分 (＜20μm)结合态碳库作为碳库稳定容量，并提出了著名的经验公式:组分C饱和(mg C g-1组分)=4.09+0.37×%矿质颗粒(＜20μm)。这一经验公式随后得到了广泛的应用［35-37］。然而Feng等［38］指出，在利用Hassink［27］经验公式估算理论保护容量时，若忽视矿物类型(1:1或者2:1)将会导致错误的估计。他们提出采用碳负荷法 (C loading method)和边界线性法(boundary linemethod)来预测碳饱和容量。所谓有机碳负荷就是土壤矿质组分所能稳定的碳数量，可用单位矿质组分表面积所能承载的有机碳数量来表示 (mg C·m-2)。Mayer［39］指出，土壤和沉积物中的最大碳负荷为1 mg C·m-2。Beare等［40］进一步指出，矿质颗粒(＜20μm)的表面积(surface area)较其含量能够更准确估算碳库的稳定容量。蔡岸冬等［41］提出利用土壤矿物结合态有机碳 (＜53μm)这一指标评估土壤固碳潜力。他们发现，我国农田、草地和林地中土壤矿物结合态有机碳含量与土壤细颗粒 (＜53 μm)含量均呈极显著的正相关关系，其饱和程度分别为68.4%、58.7%和91.5%。文献分析表明，绝大多数土壤矿物结合态碳库 (＜53μm或＜20μm)还未达到饱和，表明这些土壤仍具有固持较多碳库的潜力［33，35-37］。

总之，矿物结合态碳是土壤有机碳固持的重要机制之一。今后的研究应深入探讨不同区域和管理措施下土壤有机碳及矿物结合态有机碳含量、分配比例及其差异性特征，这对于深刻认识土壤碳库现状、固碳潜力及其未来碳管理均具有重要意义。

4 我国农田土壤碳饱和效应分析

目前，国际上估算土壤固碳潜力主要采用Century、DNDC、Roth-C和EPIC等机理模型。这些模型中均用一级动力学方程模拟土壤有机碳分解，意味着平衡状态下的碳储量与碳投入成正比例增加，而没有考虑到土壤碳饱和状态的存在。West和Six［6］曾指出，土壤对有机碳的固持在远离其饱和点时，一级动力学方程能较好地模拟有机碳的变化，而接近饱和时，渐近线方程则更为恰当，但现有模型多数并没有考虑碳饱和情景。采用全国尺度和省级尺度以及长期试验区域对比分析，国内一些学者指出［15，42-43］，通过调控管理措施 (如增加有机肥、秸秆还田以及有机肥无机肥配施等)可以增加我国农田土壤碳蓄积量。也有一些学者利用外推估算法和模型模拟法估算了我国农田土壤固碳潜力［42，44-46］，但这些研究并没有充分考虑到碳饱和效应对固碳潜力的影响。因此，在基于现有试验和模型外推时土壤固碳潜力一定要谨慎。

近年来，有关土壤碳饱和效应对农田固碳潜力的影响，逐渐受到了我国学者的关注［11-12，47］。一些模型模拟和田间测定表明，有机碳固持在初始几年增加较快，然后变平稳及降低的趋势;在初始SOC含量较低时，随着外源碳投入增加，土壤会固持更多有机碳［43，48-49］。也有一些研究考虑到了碳饱和效应，如韩冰等［47］利用DNDC模型估算了我国分省农田土壤碳库的饱和水平，并分析了不同地区农田土壤固碳潜力的差异性。覃章才和黄耀［12］基于农田土壤碳饱和理论，构建了由气温、降水、土壤粘粒含量和pH驱动的农田土壤固碳潜力模型，并对河南省农田土壤固碳潜力进行了估算。结果表明，该省农田表土 (0～20 cm)碳饱和密度平均约为32 t·hm-2;通过改进农田管理措施，以20世纪90年代的SOC水平为参照，未来可望增加土壤固碳约为100 Tg。基于我国北方6个长期定位试验 (公主岭、乌鲁木齐、张掖、昌平、郑州和徐州)，Zhang等［50］发现，不同肥料管理措施下土壤整土固碳速率与碳投入呈正相关关系，表明这些土壤仍具有固碳潜力。在田块尺度上，一些学者发现，尽管长期施肥后整土有机碳含量仍继续增加，但在一些较稳定碳库组分 (如化学保护态和生物化学保护态碳等)呈现碳饱和迹象［16，33，51-52］。总体而言，我国农田固碳潜力的研究大都集中在宏观尺度上 (田块、区域和全国)，而在微观尺度下土壤固碳潜力与碳饱和机理方面还缺少系统研究，需要在今后的研究中进一步加强。

5 土壤碳饱和研究展望

农田土壤有机碳饱和碳容量受区域气候条件、土壤类型、管理措施和初始有机碳含量等多种因素影响。为了进一步丰富和发展农田生态系统土壤碳截留理论，更好地服务于区域/国家尺度的碳管理决策，今后应加强研究我国特色农田管理下的土壤固碳容量、相关过程及其机理。具体应考虑以下几个方面的问题。

第一，农田土壤有机碳饱和过程、机理及相关影响因子。目前关于土壤碳饱和的研究多集中于有机-矿质复合体水平上，而团聚体物理保护能力作为土壤固碳自然潜力的物理基础，其微观结构中有机碳的存在状态、结合形态及相关的固定机制研究还较少。此外，特定土壤组分结合态有机碳的生物化学特性(如木质素、木栓素和角质含量)与碳饱和之间的关联性尚不清楚，应当予以关注。比如，随着碳饱和亏缺的降低，是否会优先保护惰性成分有机质等。

第二，不同类型农田生态系统中土壤碳饱和效应的驱动因子。由于旱地和水田中土壤团聚体形成和有机碳稳定机制等方面的差异性，二者的土壤碳饱和发生机制和过程可能差别较大。现有研究多集中在温带旱地生态系统，缺乏关于水稻土壤中铁、铝氧化物在团聚性、有机碳稳定机制及其与碳饱和发生机制方面的深入研究。此外，由于土壤碳氮元素之间存在共同依赖、转化和协作关系，土壤氮素状况如何影响有机碳饱和过程将是今后值得进一步深入探讨的问题。

第三，田块尺度土壤碳饱和水平评估方法和区域土壤固碳潜力模型的改进。在田块尺度上，关于土壤饱和水平的评估方法尚不完善。例如，采用Hassink模型还是最大碳负荷法(maximal C loading method)，仍然没有统一标准。在区域尺度上，无论是基于长期定位试验的外推估算法，还是基于情景假设的模型模拟法，估算土壤固碳潜力时大多没有考虑土壤固碳容量的有限性。如何将宏观尺度的有机碳周转模型与微观尺度的土壤碳稳定过程和饱和机制有机结合起来，是进一步探讨土壤固碳潜力研究的重要方向。

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Advances of Soil Carbon Saturation M echanism s in Agroecosystem s

DU Zhang-liu1，ZHANG Qing-zhong1，REN Tu-sheng2
(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China;2.College of Resources and Environmental Sciences，China Agricultural University，Beijing 100193，China)

Soil organic carbon(SOC)sequestration in croplands plays a critical role in enhancing soil fertility，global C cycle and associated climate change.However，soils could potentially sequester additional C following changes in management practices until the maximum soil C capacity，or soil C saturation，is achieved.This paper summarizes the current research advances on SOC stabilization mechanisms，C saturation theory and conceptualmodels，aswell as themethods used to estimate C saturation deficit.Current status of carbon saturation researches of China，and perspectives in future studies are also presented.

agricultural soil;soil organic carbon;stabilization mechanism;carbon saturation

10.11689/j.issn.2095-2961.2015.02.001

2095-2961(2015)02-0049-08

S155.4

A

2015-04-28.

中国博士后基金特别项目 (201104164);国家科技支撑项目 (2012BAD14B01);国家自然基金项目 (31261140367).

杜章留 (1978-)，男，山东鄄城人，副研究员，研究方向为土壤环境质量与碳氮循环.

任图生 (1963-)，男，山西中阳人，教授，研究方向为土壤与环境物理.