中国西南地区土壤有机碳研究现状与展望

王 星, 段建军

(1.贵州大学农学院, 贵州 贵阳 550025；2.贵州大学烟草学院/贵州大学烟草品质研究重点实验室，贵州 贵阳 550025)



■研究进展

中国西南地区土壤有机碳研究现状与展望

王 星1, 段建军2

(1.贵州大学农学院, 贵州 贵阳 550025；2.贵州大学烟草学院/贵州大学烟草品质研究重点实验室，贵州 贵阳 550025)

土壤有机碳是反映土壤肥力和评价土壤质量的重要指标，同时对环境的可持续发展发挥着重要作用。文章主要从土壤有机碳库及碳储量、西南地区喀斯特地区土壤有机碳研究、有机碳分组方法的应用等几方面对我国西南地区土壤有机碳的研究现状进行了分析总结，为提升西南地区农田土壤肥力、固碳潜力及农田的可持续利用提供指导及理论依据。

土壤有机碳；碳储量；西南地区

土壤有机碳由动物、植物及微生物的生物残体及其部分分解产物和土壤腐殖质组成，其中土壤和沉积物中形成的腐殖质是地球上最大的土壤有机碳库(生物圈的四倍)。土壤有机碳不仅为微生物和植被生长及腐生动物生活提供碳源，也是重要的生态因子[1]，可以维持良好的土壤物理结构，保持土壤生物多样性等。

近年来人们对土壤有机碳的关注度越来越高，对土壤有机碳的研究不仅关系到农业生产，还与水土保持、荒漠化治理有着密切的联系。西南地区属于亚热带季风气候，全年雨量充沛，湿度较大。该地区的成土母质主要为砂页岩、石灰岩、花岗岩，在此基础发育的土壤结构疏松，持水性差。另外，该地区主要以山地为主，地形破碎，坡地易发生水土流失。其独特的地形和地貌条件、水热条件以及土壤的发育条件等为土壤有机碳的研究提供了理想场所。现就多年来国内对西南地区土壤有机碳的探索研究做总结分析，从而为西南地区土壤可持续利用和进一步稳定提高土壤有机碳库储量提供理论参考。

1 土壤有机碳研究意义

1.1 农田土壤有机碳库动态研究的意义

土壤有机碳作为农田系统中土壤肥力的重要组成部分，是反映土壤肥力和评价土壤质量的重要指标，在调节土壤理化性质、改善作物养分、优化土壤结构、作物产量维持与质量保证、降低对环境的负面影响方面都起到重要作用。土壤有机碳的含量及其动态均衡也是导致土壤肥力和作物产量的高低的直接因素[2]。因此，农田土壤有机碳的动态研究既可为农田土壤固碳提供技术指导，对于减缓和整治农田土壤退化及土壤生产力有关的一系列问题提供理论支持。

1.2 土壤有机碳对生态系统的作用

土壤与大气、陆地生物群落共同构成陆地生态系统中碳的主要储蓄库和交换库。土壤有机碳的数量与质量变化的过程研究，对土地资源可持续利用以及对土壤碳循环与全球气候变化的互相作用研究都有着重要意义。陆地碳循环影响系统生产力的形成，同时也关系到整个地球系统的能量均衡，是陆地生态系统结构和功能的整体体现。对化石燃料的开采使用、焚烧植物、湿地破坏、不合理土体开采等活动，对碳在地球各圈层，尤其是对大气圈和土壤圈的动态关系产生了显著的影响，造成大气CO2浓度的连续升高，并可能影响到全球气候的变化[3]。目前在全球变化的背景下，对土壤有机碳存储量、布局、转变、衰退机理进行研究，并展示其影响因素和生态效应，将有助于寻求如何科学地开发和保护有限的土壤资源，减少土壤中温室气体排放、提高土壤碳存储、提升土壤质量，对已发生退化土地的修复及环境整治和保护等都有重要的意义。

2 西南地区土壤有机碳研究进展

2.1 有机碳储量及影响因素

进入土壤的动植物残体等有机物质与以土壤微生物分解作用为主的有机物质的亏损之间的平衡就是土壤有机碳的含量。全球土壤碳库大约有1550 Pg有机碳和750 Pg无机碳(0-1m 土层)，其中大气碳库的占土壤碳库的三分之一，生物碳库占土壤碳库的十九分之五，成为地球表层最大的有机碳库[4]。对于我国陆地的土壤总有机碳储量，2004年香山会议上，众多土壤学家讨论后提出将90 Pg作为中国土壤总有机碳库的默许值[5]。

张勇等[6]利用798个土壤剖面及1：50万土壤图估算了云南省、贵州省和广西壮族自治区的土壤有机碳储量。结果表明，云南省、贵州省和广西壮族自治区的表土层(0～0.2m)的土壤有机碳储量分别为4.39 Pg、土壤剖面(0～1m)的土壤有机碳储量为10.91 Pg；表土层的土壤有机碳密度为56.2Mg/hm2、剖面土的土壤有机碳密度为139.8 Mg/hm2，高于全国平均水平。主成分析结果表明环境因子为影响土壤有机碳密度的第一因子，并且在各环境因子中，降雨对土壤有机碳密度的影响小于气温，其中海拔和纬度的变化导致了气温和降雨的变化。除气温和降雨外，土壤有机碳密度的变化还与其它随海拔或经纬度而变化的因子的变化有关，并且这种变化要大于降雨对土壤有机碳密度变化的影响。黄一敏等[7]从空间尺度对西南地区土壤碳储量的空间变化及其与相应环境因素变化之间的关系进行了研究，结果表明西南地区喀斯特森林地区土壤有机碳含量为32. 3 g/kg，土壤有机碳含量主要受土壤容重、地形海拔和有机质 C/N的影响。刘楠等[8]研究发现，土壤有机碳的含量和密度随随土壤深度减少有增加的趋势，常绿阔叶林、针阔混交林和灌木林土壤有机碳大都存储于土壤的第一层，毛竹林土壤有机碳主要存储于土壤的第一、第二层。

2.2 西南地区喀斯特地区土壤有机碳研究

中国西南部是喀斯特生态系统中心，因为受到亚热带季风气候的影响和人类对大自然破坏的加剧，其喀斯特生态系统已出现不同程度的石漠化。土壤有机质在土壤侵蚀与退化过程中扮演了十分重要的角色。石漠化过程中矿质组分的有机碳低于土壤轻组和颗粒组分，其中的有机碳含量随石漠化程度的降低而增加，与石漠化过程有一致性。樵采石漠化的颗粒组分主要是有机质与黏粉粒结合成的有机无机复合体，其中的有机质易被保护。开垦石漠化中的颗粒组分大部分都是有机质与砂粒的结合，其中有机质腐殖化程度低，易被分解。

廖洪凯[9]等研究表明，在不同植被类型下贵州西南部喀斯特山区土壤的固碳能力及有机碳稳定性较弱，土层浅薄易被人为干扰引发有机碳流失，土壤质量存在下降或退化风险。罗海波[7]等对贵州中部喀斯特地区森林生态系统的小生境进行了研究，结果表明植被类型是影响喀斯特土壤有机碳变化的主要原因。李菲[10]等研究发现，土壤有机碳的含量在不同植被类型下具有显著性差异，且春秋两季的有机碳含量高于夏冬两季。魏媛等[11]分析了喀斯特地区植被与土壤有机碳的关系，随着喀斯特植被的破坏，土壤微生物量降低，碳源平均利用率降低。李龙波等[12]以贵州喀斯特地区两种土壤类型为研究对象,实验结果表明，黄壤剖面相应层次有机碳含量低于石灰土剖面，且黄壤剖面土壤有机碳随剖面深度变化的速率高于石灰土。

2.3 土壤有机碳分组方法的应用

土壤有机碳的分组技术主要包括：物理分组技术、化学分组技术、生物分组技术和物理-化学联合分组技术。西南地区有机碳组分的研究主要采用了物理分组技术和物理-化学联合分组技术。其中，物理-化学分组技术综合考虑了土壤有机碳的多种稳定机制，能明显地表现出各组分有机碳土壤对总有机碳的响应特征，在西南地区的应用将会是大势所趋。

李鉴霖等[13]采用物理分组技术对我国西南地区缙云山的4种土地利用方式下土壤有机碳组分含量进行了研究，结果表明在林地和撂荒地中粗颗粒有机碳和细颗粒有机碳组成的活性碳库分配比例最高；而在果园和坡耕地中<53 um的粉+黏颗粒有机碳组成的化学保护有机碳库分配比例最大，表明坡耕地及果园土壤有机碳的活性远远低于林地和撂荒地。廖洪凯等[14]采用物理分组技术对贵州喀斯特地区不同植被类型下土壤中不同粒径土壤颗粒有机碳的变化进行了探讨，结果表明，颗粒有机碳占矿物结合态有机碳的比例均为：灌木林>乔木林>草丛>裸地，而且在植被演化过程中，土壤颗粒有机碳含量的增加以砂粒及粉砂粒有机碳为主，有机碳稳定性较弱且易受外界干扰而引发有机碳的流失。

张丽敏[15]等利用有机碳物理-化学联合分组方法对贵州省农科院的黄壤性水稻土进行了研究，实验表明施肥可以提高土壤的总有机碳含量，其中有机无机肥配施对提高黄壤性水稻土有机碳水平的贡献率最大，并且物理保护有机碳增幅最大，强化了土壤有机碳的物理稳定机制。

2.4 提高土壤有机碳的农业措施

在不同农田管理方式下，有机碳组分的化学组成和储量会产生分异，进而对土壤有机碳沉积速率产生不同的影响。与传统耕作相比对与农田秸秆还田、免耕覆盖处理，均可以增加土壤碳库、改善土壤理化性质。国内外的相关研究表明长期进行秸秆还田、免耕覆盖处理可以避免传统耕作引起的土壤干湿交替，并且对土壤有机物的矿化速率、降解速率影响不大。但也有部分研究表明连续免耕会是土壤平均重量直径降低，适时耕作有利于土壤结构的发育[20]。另外，施肥也可以增加土壤有机碳含量，改善土壤结构，提高土壤肥力。具体应与当地实际情况相结合制定合理措施。陈洁华等[16]对重庆市农田土壤有机碳库现状、变化趋势及固碳潜力研究表明施用秸秆比施用其他有机肥更有利于累积。高岩红等[17]研究发现，普定县农田土壤有机碳密度的差异比较大，可以通过保护性耕作、合理轮作和套作、合理施肥和灌溉等措施对有机碳密度较低的农田土壤进行改进，增加有机碳的储量。

3 展望

从2009年的哥本哈根气候峰会到雾霾天气席卷半个中国，北京将要成为下一个雾都的压力下，节能减排、合理开发利用资源已经迫在眉睫。加之全球气候变暖，引起了众多学者的关注。建立资源友好型社会，不仅需要政府的引导，还需要各界人士的共同努力。土壤圈与大气圈、水圈、岩石圈、生物圈共同构成自然环境的五大圈，是与人类关系最密切的一种环境要素。整个陆地生态系统全部是发展于土壤圈。其具有的宽广性使我们不易对其整体研究，从而分地区研究。因此，笔者针对我国西南地区土壤有机碳研究提出展望：

(1)西南地区作为我国为数不多的污染较小地区，如何合理开发利用以及保护土壤碳库资源，尽量避免重复东部地区先开发后治理的发展模式，打造生态之城，已经是时候值得我们思考。

(2)在西南地区多为丘陵山地，每遇降水，土壤中的有机碳都会随着流水被带向低洼地带，如水土流失一般。而高处的土壤却只能得到养分较差的岩石风化产物，加之山顶植被较少土壤有机碳更加不易固定。因此，探寻如何增加山体固碳能力，不仅对提高山腰与河漫滩上农田的肥力有利，还可以提高植被覆盖率，增加山体稳定性，改善生态环境。

(3)西南地区对土壤有机碳的研究比较多，不仅关注土壤总有机碳的数量，而且还关注其质量，及他们的组成或组分及其稳定性等，因此许多研究者从化学结构、溶解性、氧化性、比重等方面对土壤有机碳展开分组研究。但是物理分组本身也存在着一定的问题，物理分组很难呈现出有机质和矿质之间的相互作用的差异程度，并且很难保证稳定有机碳组分的回收率。目前应用比较多的Stewart土壤有机碳的物理-化学联合分组方法，较好的分离了游离活性、物理保护和矿物结合态有机碳组分，但是该方法分组过程中并没有考虑水溶性有机碳组分，而且其粗颗粒组分中也包含了稳定性团聚体破碎部分，需要进一步细分。因此，在今后的研究中，探寻更新更好的分组方法仍将是土壤有机碳研究的重要问题。

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The Status and Prospect of Soil Organic Carbon in Southwest China

WANG Xing1，DUAN Jian-jun2

(1.CollegeofAgriculture,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China; 2.CollegeofTobaccoScience,GuizhouKeyLaboratoryforTobaccoQuality,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)

Soil organic carbon is an important indicator of reflecting soil fertility and evaluating soil quality , meanwhile, it plays an important role to the sustainable development of the environment.This paper mainly from the soil organic carbon pool and carbon storage, soil organic carbon in Karst area in Southwest China, the present situation of the research on soil organic carbon in Southwest China, several aspects of the application of organic carbon fractionation methods were analyzed and summarized, in order to improve soil fertility in southwest area, to provide guidance and theoretical basis for the sustainable utilization of carbon sequestration potential farmland.

soil organic carbon; sarbon storage;the southwest

2016-10-11

国家自然科学基金(41361.64)

王星(1990-)，女，在读硕士，主要从事土壤与环境方面的研究。

段建军(1976-)，男，教授，从事土壤养分循环，技术农业应用等研究。