温度和水分对有机质及活性炭组分的影响

丛 山

（吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）

温度和水分对有机质及活性炭组分的影响

丛 山

（吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）

文章通过阐述气候变化背景下，温度和水分对有机质及其活性炭组分的影响，发现温度和水分通过影响微生物活性来参与土壤有机质的分解，而活性有机碳由于对外界条件的反应敏感，可以作为评估土壤有机质对温度和水分变化响应的重要指标。

温度 水分 土壤有机质 活性有机碳

全球气候变化已受到当今世界各国的密切关注，气候变化带来的变化包括地球平均温度上升、降雨的区域性和季节性不均衡、极端气候灾害增多等，全世界已经深切地感受到其带来的严重影响。18世纪至今，人类与自然的相互作用，造成大气中CO2的浓度不断上升，地表温度也呈现上升的趋势［1］。气候变化的主要表现为温度上升，夏季降雨减少，极端气候灾害频发。有研究报道表明，在过去的100年里，地球表面温度线性趋势是0.6℃，这种变化在北半球高纬度地区表现极其显著，北极地区升温速率近似于地球平均升温速率的3倍［2］。根据IPCC最新公布的结果显示，在今后100年的时间里，地表面温度可能上升1.4～5.8℃［3］。我国多数区域增温幅度在1.0～1.5℃之间，东部和西部可能会超过这个范围，而南方的增温幅度将低于这个范围［4］。气候变化也引起了全球降水的改变。从整体上看，地球年平均降雨量不断增大，但降雨的时空性不均衡。高纬度地区和南北两极降雨的增幅大于全球其他地区，并随季节振荡加剧［5］，具体表现为夏季降水减少导致土壤含水量下降，冬季反而上升。在全球其他区域，虽然降雨量变大，可是在气候变暖的背景下，水分蒸发加快，冬季降雪减少且溶化过早，导致夏季干旱，土壤含水量降低，内陆干旱将成为一个严峻的问题。

温度和降水是影响土壤有机质分解的两个重要环境因素，气候变化必将对有机质产生强烈影响。土壤有机质是各种植物所需养分元素的源泉，其分解所导致的有机质含量减少会降低土壤肥力，并且使土壤的物理性状恶化，从而对粮食的生产和安全造成不利的影响。该文通过总结前人研究结果，综述了温度和水分对有机质及其活性炭组分的研究进展，为适应气候变化的土壤培肥措施提供理论依据。

1 温度和水分对有机质的影响

土壤有机质主要指存在于土中的各类微生物，经过漫长演变，动、植物残体也成为有机质的重要组成部分。土壤有机质由土壤中不同种类的含碳有机物构成，虽然含量极少，但与其它营养元素共同构成土壤的营养库，同时也影响着土壤的各种属性［6］。土壤微生物是有机质分解过程的主要参与者之一。水热条件影响有机质的分解过程，归根结底是影响微生物的活性。土壤有机质的分解还需要酶的参与才能完成，而酶只有在适宜的温度条件下才能充分发挥生理功能。在对土壤有机质分解机理的研究过程中，由于全球气候变暖问题越来越严重，引起人们对有机碳矿化的重视［7，8］。在过去一段时间里，一部分研究者认为有机质的分解速率随温度的增加而变快。Briones等发现温室效应提高了微生物的数量，间接加快了土壤有机碳矿化的速率［9］。但是有些研究者并不认同这种规律。如Kirschbaum总结前人实验结果指出，在较低的温度条件下升温加快有机碳的分解速率，而在高温下升温土壤有机质分解速率几乎保持不变［10］。该结果是由于低温限制了微生物和酶的活性，从而限制有机碳的矿化分解，而在较高的温度下，其不再影响有机碳矿化，其他条件可能限制了有机碳的矿化。Rustad等在对不同陆地生态的持续升温实验中也发现温度升高的前期促进了有机碳的矿化分解，经过一段时间后，有机碳矿化速率对温度的变化反应不强烈［11］。升温实验前期，土壤中存在着较多的不稳定的有机质，可以被快速利用，温度升高使微生物非常活跃，加快了有机碳矿化速率，升温后期，土壤活性有机质被分解殆尽，微生物缺少可利用的物质，使有机碳的矿化速度趋于稳定。Giardina等通过室内增温实验发现升温对有机质分解没有明显影响［12］。我国科技工作者也针对温度对有机质的矿化影响做了大量研究，如李玉强等对科尔沁退化沙质草地不同生境的土壤实验室培养试验发现，温度升高促进有机碳的矿化分解［13］。黄耀等在不同水热条件下的培养实验也发现，在低温条件下升温加快了土壤有机碳的矿化分解，高温条件下升温则减弱了这种影响［14］。王彦辉等在研究水热因子对有机质分解的影响过程中发现，土壤有机质分解的最适宜温度是25～35℃［15］。

水分是陆地生态中所有生理活动必不可少的，可以影响土壤有机质分解。王彦辉等指出水分明显影响森林土壤有机质的分解，并且水分的作用强于其他影响因素［15］。土壤水分通过改变土壤微生物的代谢作用、土壤中水溶性物质的运移和土壤的透气性等，从而影响土壤有机质的分解［16］。土壤缺水会使本身溶液浓度上升，引起微生物的生理干旱，降低其活性，从而减慢有机质分解的速率。土壤的干湿变化也会对有机碳矿化产生明显影响。在这个过程里，前期有机碳矿化速率迅速加快，经过一段时间后保持稳定。另外，干湿交替瓦解了土壤结构体，使本来被土壤矿物保护的有机质暴露出来，受到微生物分解［17］。水分过高则会降低土壤的透气性，使土壤中氧气的含量减少，土壤有机质进行嫌气分解，降低土壤有机质分解的速率，这说明土壤水分过多和过少都无益于土壤有机碳的矿化。Ponnamperuma指出稻田土壤处在淹水状态，透气性降低，使有机质的分解速率减慢［18］。除此之外，Gulledge等野外试验研究发现，排水好的土地与较湿润的土地相比，土壤有机碳矿化对温度的敏感性较低［19］。这表明，气候变化对土壤有机质分解产生的影响，在较湿润地区大于干旱地区。有些研究表明水分对有机碳矿化没有明显影响。Isirimah等在不同水分条件土壤的室内培养试验中发现，水分对有机质的分解速率没有影响［20］。

温度和水分之间联系非常密切。温度升高会促进水分蒸发，土壤水分过多也会降低土壤的温度，但是关于在土壤有机质的分解过程中谁的影响更大，还存在着许多争议。现在普遍被人们所接受的是，水分可能影响温度变化对有机质分解的作用，温度越高，水分的影响越明显［21，22］。Zak等通过不同温湿条件土壤的室内试验表明，有机质分解对温度的响应比水分更大［23］。而王彦辉等研究结果则表明，气候因子对土壤有机质分解的影响较强，其中土壤含水量的影响最强［15］。还有一种观点是，如刘绍辉等指出水分在适宜范围之内不会影响温度对有机质分解的作用，当水分超过或低于这个范围的时候，温度和水分共同影响土壤有机质的分解［24］。Fang等研究则表明水分不影响温度变化对有机质分解的作用［25］。

2 温度和水分对活性有机碳组分的影响

土壤有机碳即包含组成稳定，不易被矿化，很难被生物和植物利用的组分，还有一部分活性较高，可以被直接利用的组分［26］。人们在对土壤有机碳的研究过程中，发现有一部分碳受土壤条件影响剧烈、稳定性差、可以被微生物直接利用，称为土壤活性有机碳。动、植物残体，根系分泌物等是土壤活性有机碳的主要来源。Currie等试验表明，土壤活性有机碳的含量具有随季节变化的趋势，这可能是进入到土壤中的植物枯落物数量不同造成的［27］。Cortina等研究也证实了土壤中活性有机碳的浓度受植物枯落物的影响［28］。但是，这个结果可能忽略了水热状况对活性有机碳这种变化的影响［29］。而Schwesig等则发现土壤活性有机碳虽然受植物枯落物的影响，但两者并不是相关［30］。土壤微生物和酶对活性有机碳浓度也有明显影响。微生物不光本身参与有机碳的矿化，其死后就成为活性有机碳的来源。而酶主要通过动、植物残体腐解来影响活性有机碳［31］。土壤活性有机碳不仅仅代表的是一种碳，而是土壤中有相似作用和性质的碳总称［32］。

之前，在对有机质的研究过程中，活性有机碳的重要作用早已被人们所认识，活性有机碳是土壤生理和化学反应的参与者，也是微生物维持正常活动所需能量的源泉。有机质虽然在土壤中占据一定比例，但是其对外界改变的非常不明朗，活性有机碳组分虽然在土壤中非常少，但是对环境以及土地管理方式变化及其敏感，它可以代替有机碳来表现土壤对外部条件改变的响应。而土壤中活性炭组分可以作为一个重要指标来衡量土壤有机质对温度和水分变化的响应。关于气候变化对土壤活性有机碳组分的报道还很少，系统的研究二者之间的关系，有助于我们在全球变暖的大背景下，弄清两者的作用机理，对改善土壤碳循环和提高土壤肥力具有重要作用，进而降低全球变暖对陆地生态系统有机碳库的不利影响。

2.1 温度水分对微生物量碳的影响

微生物量碳是土壤中微生物所含的碳，它的数量是微生物量的象征。虽然土壤微生物在土壤中占的比例非常少，但它极为活跃，几乎参与到所有土壤生化反应过程中，所以具有非常重要的作用。微生物量碳可以影响土壤肥力和碳循环，近来受到了研究者的特别关注。温度升高会提高微生物活性，促进其新陈代谢，加速有机碳的矿化。Insan等指出微生物量碳对温度和水分变化的反映及其强烈［33］。Anderson等实验也表明总有机碳含量与微生物量碳具有密切关系［34］。所以，温度升高导致有机质减少，也会引起微生物量碳减少。同时，水分对微生物量碳也有影响。Mensah研究发现干旱的土壤因为水分进入而变得湿润后，土壤微生物碳的数量激增［35］。杨贵生等研究结果表明土壤淹水情况下，土壤总的微生物量减少影响土壤有机质的分解［36］。

2.2 温度水分对可溶性有机碳的影响

可溶性有机碳作为一种活性极高的活性炭组分，为土壤有机碳矿化提供能源，并且对维持微生物的正常活动有重要作用。水溶性有机碳不仅在土壤中大量存在，还广泛存在于水中，为土壤中各种污染物的移动提供条件。虽然全球变暖对陆地生态系统碳库产生了明显的影响，但其对可溶性有机碳的作用并不明确。这主要是因为温度升高可能加剧了土壤有机质分解，从而提高可溶性有机碳含量，但同时也使其分解加快［37］。李玉武在对不同类型植被下土壤有机碳及其活性组分季节变化特征的研究中发现，可溶性有机碳浓度具有随季节变化的特征，夏季明显多于冬季［38］。夏季气温上升，微生物活动加强，土壤可溶性有机碳浓度变大。季节变化主要改变了土壤的温度和水分条件，以及微生物活性和植物残体的输入。而Michalzik等则指出温度增加，活性有机碳量反而降低［39］。同时水分也对可溶性有机碳产生影响。Cronan等指出，在土壤渗透性好的地区，随温度升高可溶性有机碳量降低；而在渗透性不好的地区，温度升高可溶性有机碳量也升高［40］。Tipping实验结果也显示，干旱的土壤得到适当的水分补充后，土壤可溶性有机碳的浓度升高［41］。黄黎英等研究表明可溶性有机碳量随降水增多而减少，降水对其具有淋失作用［42］。

2.3 温度水分对易氧化有机碳的影响

易氧化有机碳是土壤有机碳中极易被氧化的一部分碳，性质活泼，可以被植物直接利用，是有机碳中的不稳定组分，含量非常少，但由于其特性，对维持植物生产，提高土壤肥力具有重要作用。易氧化有机碳可以通过高锰酸钾氧化法（333 mmol/LKMnO4）测定。人们很久以前就开始了对易氧化有机碳的研究［43～46］。王清奎等在对活性有机质及其与土壤质量的关系中发现，易氧化有机碳与土壤有机碳呈相关关系［47］。Anderson等在研究土层深度对活性有机碳组分的影响中也发现，易氧化有机碳与总有机碳呈相同的变化趋势［48］。这就说明了易氧化有机碳与总有机碳对水热改变的反映是一致的，易氧化有机碳因为其含量少，极其活跃，所以可以作为研究有机质对全球气候变化的反映的一个敏感指标。

综上所述，气候变化背景下的温度和水分变化会对有机质产生强烈影响。国内外对气候变化对土壤有机质的影响众说纷纭，这可能是因为各地环境因素和土地类型不同造成的。土壤活性有机碳虽然在含量较少，但因其对外界条件改变反应灵敏，可以作为评价土壤有机质对温度和水分变化响应的主要依据。这些研究结果将为适应气候变化的土壤培肥技术提供理论基础。

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