农田土壤有机碳储量的影响因素研究

李俊超++靳静静

摘 要：土壤是陆地生态系统的核心，农田土壤有机碳储量的多少直接影响陆地碳库的收支平衡，其储量受自然因素（气候、地形、土壤理化性状）和人为因素（农田管理措施、土地利用变化）等诸多方面影响而呈动态变化。通过对农田土壤有机碳储量的影响因素探究，以期找到维持和提高土壤有机碳库的有效措施，为我国土壤资源的可持续开发利用提供参考，最终达到土壤固碳和农业增产的目的。

关键词：农田；土壤有机碳；储量；影响因素

中图分类号：S154 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20170432050

土壤有机质（SOM）中所含的碳称为土壤有机碳（SOC）。目前，全球气候变化中碳循环的研究受到越来越多的关注，成为当前全球变化研究的三大热点之一。陆地生态系统碳循环是全球碳循环的重要组成部分，土壤碳库是最大的碳库。据Eswaran 等人初步估计，全球以SOM形式储存在土壤中的碳大约有1400Pg左右，是大气碳素总量的2倍，其中，农田中的土壤碳储量占土壤碳储量的9%左右[1]。

虽然全球范围内土壤碳库的储量还相对较多，但只有陆地生态系统中农业土壤碳库易受人类行为影响。因此，若要研究CO2在农业生态系统中的源汇效应，必须从研究农业土壤碳库着手。合理并有效地利用农业SOC库成为了诸多科研工作者研究的新领域。要有效地利用土壤碳库，揭示土壤碳动态变化过程，就需先对影响SOC储量的因素进行研究。

陆地生态系统农田碳库的变化主要取决于SOC输入与输出的相对数量，而决定农田SOC分解量和生成量的主要因素可分为自然因素（气候、地形、土壤理化性状）和人为因素（农田管理措施、土地利用变化）。

1 影响农田土壤有机碳储量的自然因素

1.1 气候

温度。温度主要通过影响土壤呼吸的进程和微生物活性而影响SOC含量。农田生态系统SOC库随温度增加表现出指数下降趋势。年均温较高的时期，土壤呼吸和土壤微生物生物量碳也相对较高。不同区域SOC对温度变化的呈不同的敏感性，如西北生态脆弱区，对温度变化较敏感，而南方变幅较小。

水分。土壤含水量通过影响土壤透气性，改变外源碳的分解和矿化。较高的年降水量易形成较低的土壤呼吸，进而产生较少的微生物碳。另外，降水季节分布不均匀的地方，易干湿交替，破坏团聚体，在短时间内大幅度提高呼吸强度，使SOC的矿化分解量增加。南方水田和北方旱地SOC分解存在明显差异，前者属于厌氧型分解，释放能量少，有机碳降解慢，后者刚好相反。因此，水稻土SOC含量比旱地高，具有较大的固碳潜力。

温度和水分对SOC的作用不是独立的，它们互相影响、互相制约。因此，在研究农田土壤固碳的過程需综合考虑这两个方面的因素。

1.2 地形和海拔

地形。地形对SOC的影响机理较为复杂。国外对坡耕地SOC进行动态研究，结果表明从坡顶到坡脚，坡地水溶性有机碳与总有机碳的分布呈显著相关。在排水不良的部位各层胡敏酸含量相对较少。反之，在排水条件较好的坡顶和坡肩胡敏酸相对积累。另外，降雨会加速土壤碳在不同坡位中分布的差异，说明地形对SOM的分布和迁移有显著影响。

海拔。海拔高度对SOC矿化的影响也存在一定的差异。虽然海拔对SOC矿化率会产生一定影响，但未表现出海拔高度上的规律变化，客观说明了影响SOC矿化的因素比较复杂。因此，不能片面地从海拔因子的角度对土壤的CO2释放进行单一研究，应将其与其他因素综合考虑，正确认识土壤CO2释放机理。

1.3 土壤理化性状

在影响SOC库容量的自然因素中，土壤的理化性状的影响最大，其中又以土壤质地表现最突出。

土壤质地。SOC含量受土壤质地的影响较明显。粘粉质土壤比砂土含有更多的SOC，产生这一现象的原因可能是土壤粘粒能吸附SOC，二者可形成有机—无机复合体，对SOC起到物理保护作用，即SOC含量与粘粒多少呈显著的正相关。但有人研究得出，在非石灰性土壤中SOC含量与粘粒相关，而在石灰性土壤中二者关系不大[2]。因此，粘粒含量对SOC的影响会因土壤类型的不同而不同。

土壤结构。大多数的研究者认为土壤结构是陆地生态系统中最能影响微生物分解过程的因素之一。同时，也是影响土壤碳固定及其稳定性的重要因素。土壤结构中的团聚体通过物理保护机制对SOC进行吸持，还可通过钙键或铁铝键与有机碳化学键合，并协调土壤中的水、肥、气、热来影响微生物活性、SOC的稳定及分解。因此，SOC含量会随团聚体粒径增加而增大。

黏土矿物类型。SOC含量也受黏土矿物类型的影响。2：1型黏土矿物类型比1：1型的阳离子交换量和比表面积更大，故2：1型矿物对SOC的吸附强度较高，SOC的稳定性也较高。

土壤pH。不同土壤pH值存在差异，土壤微生物的活性不同，导致土壤有机碳矿化分解的速率存在差异。过高或过低的pH值都会降低微生物的活性，抑制其活动，减缓有机碳的周转。在我国，SOC储量的分布随纬度增加而增加，其与纬度的相关性达到显著水平（0.70），即北方地区相对高，南方相对低，其中一个原因是pH值基本呈北高南低。

土层深度SOC储量和土层深度存在显著相关性，随土层深度增加逐渐下降。

2 影响农田土壤有机碳储量的人为因素

2.1 农田管理方式和管理措施

耕作方式。大多数研究结论表明，耕作方式的差异会显著影响SOC储量。常规耕作方式会经常扰动土体，破坏良好的土体结构，使SOC脱离土壤结构体的束缚，加速SOC分解矿化过程。过度耕作能显著减低SOC数量和质量，尤其是降低活性SOC数量。而将常规耕作方式转变为以免耕或少耕为主的保护性耕作，超过10a实施后，可增加7%～10%表层SOC含量，亦可增加土壤固碳潜力。

轮作制度。作物轮作通过影响作物根系和植物残体归还的数量和质量，从而影响SOC的矿化和固定过程，最终影响碳储量。国外的定位试验结果表明，豆科与玉米轮作相较单作玉米，地上部分植物生物量较大，有机物质的归还量和SOC含量显著提高，同时，土壤地力和生物生产力也有所增加。

施肥。在农业管理措施中，施肥对SOC储量的影响最大。肥料的特性、施肥量和施肥方式等都会引起SOC含量的变化。马成泽[3]等关于施肥对SOC影响的研究结果显示，有机肥单施或有机—无机配施，不但可以改善土壤理化性状，而且能增加SOC总量。秸秆还田也能显著改良土壤结构，增加SOC含量。秸秆焚烧可直接导致土壤碳释放、加快SOC储量的损失。

灌溉。合理灌溉，可以提高土壤含水量，降低盐渍化程度，增加土壤生物量，提高生物生产力，有利于固定SOC，进而增加SOC储量。

休闲和撂荒。休闲和撂荒主要通过地表植被的自然演替达到地力恢复的效果。但也有研究发现，夏季休闲，会因温度高、土壤微生物活性强，导致SOC分解加速、含量下降。Knops等[4]的研究结果显示：休闲或撂荒时，进行秸秆还田或者增加地面覆盖可有效减少土壤侵蚀，改善土壤养分循环，增加碳储量，最终为植物提供更好的生长环境。

2.2 土地利用方式转变

土地利用方式转变通过影响SOC矿化，进而影响SOC储量。一般研究认为，林地或草地转变为耕地会使SOC的含量降低，而退耕还林还草可以增加SOC积累。毛艳玲等[5]的研究结果表明，亚热带地区林地转变为农田后会大幅度降低SOC含量。另有研究显示，将小麦—玉米轮作转变为种植苜蓿后，其农田SOC含量会有一个显著的提高。

3 讨论与结论

目前，越来越多的研究集中在农田SOC库的变化和碳库动态变化对陆地生态系统及大气的源汇效应。因此，为了揭示土壤碳库的源汇效应，需要对影响SOC的因素和机制进行分析阐明，这样才能为维持并提高SOC储量和土壤固碳潜力提供科学的理论依据。SOC转化和固定既受自然因素（温度、水分、土壤理化性状）的影响，又受农田管理措施等多种因素的交互影响。相较自然因素的影响，农田管理措施尤其是不同的耕作措施和的施肥水平对SOC积累的影响更大，二者单独对SOC的影响已经有了诸多研究，但二者的综合效应及机理还不清楚，需在今后的研究中重点探讨。

在农业可持续发展的时代背景下，如何平衡增加农业输出与减少土壤退化之间的关系是一个极大的挑战。目前，我国主要的耕作制度和农田管理措施已引起了农田SOC储量的减少，且造成质量上的损失。SOM的损失在一定程度上既能加剧耕地质量的退化，又能增大碳排放。基于本文提到的SOC的影响因素，我们应注重秸秆还田，增加有机物料的输入，如种植绿肥、增施有机肥等，同时，通过合理轮作、坡改梯、退耕还林还草并结合保护性耕作措施，进而提高SOC储量，提高土地生产力，促进农业健康可持续发展，确保国家粮食安全。

参考文献

[1]方華军，杨学明，张晓平.农田土壤有机碳动态研究进展[J]. 土壤通报，2003（06）：562-568.

[2]林心雄，文启孝，程励励.土壤中有机物质分解的控制因素研究[J].土壤学报，1995（增）：41-47.

[3]马成泽，周勤，何方.不同肥料配合使用土壤有机碳盈亏分布[J].土壤学报，1994（01）： 34-41.

[4]Knops J M H，Tilman D.Dynamics of soil nitrogen and carbon accumulation for 61 yeans after agricultural abandonment[J]. Ecolgy，2000（01）：88-89.

[5]毛艳玲，杨玉盛，刑世和，等.土地利用方式对土壤水稳性团聚体有机碳的影响[J].水土保持学报，2008（04）： 132-137.