碳循环调控土壤肥力质量研究综述

宋洪福 袁红 张亮

摘 要：土壤碳库是全球最大碳库之一，土壤碳循环过程调控可以有效改善土壤肥力质量。其关键因子在于土壤的有机质。本文基于土壤碳循环过程中环境因子的控制对有机质土壤养分水平、土壤结构体形成、土壤理化性质改变的影响，分析了碳循环过程中，对有机质输入和输出、有机质转化过程、施肥方式与人为管理等3个方面的行为进行调控，可以有效的改善土壤生态环境，调节土壤的碳源、碳汇，优化土壤结构和功能。由此阐明土壤碳循环过程调控在促使土壤形成良好的团聚体结构，进而提高土壤的水肥调控能力和肥力水平方面具有重要意义。

关键词：碳循环;土壤肥力;有机质;调控

中图分类号：S15

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190830001

碳循环（Carboncycle）是指碳元素在自然界中的循环存在状态。对于地球生物圈而言，碳循环主要是指植物通过呼吸作用由空气中吸收二氧化碳（CO2），再经光合作用轉化为葡萄糖，最后释放出氧气（O2）的过程[1]。它是地球系统科学研究的主要任务，主要内容是光合作用过程中大气吸收的碳（C）被固定在陆地生态系统中;土壤呼吸过程中的C通过一系列生物地球化学过程，以CO2的形式排放到大气层中。这些碳素在地球大气圈、岩石圈、水圈、生物圈、土壤圈层中循环流动，从而构成了完整意义上的碳循环[2]。其中非生物库指的是大气圈碳库和土壤圈碳库。有研究表明，土壤是C的主要蓄积库之一，是全球植物碳库的2～3倍，全球大气碳库的2倍。近年来，土壤碳库对大气CO2的作用过程、贡献率等研究报告较多，是全球气候变化发展研究的重点内容。而土壤碳循环中各环境因子的转变对土壤质量的调控研究相对较分散[3]。

农业土壤的有机碳库及碳循环过程和土壤理化性质影响因子密切相关。其中，直接影响因子主要为土壤有机质（SOM），间接因子则主要为其他物理化学性质及人为管理方式 [4]。本文基于土壤碳循环过程中控制性因子--SOM展开分析，从SOM输入和输出、转化过程及施肥方式、人为管理措施等方面阐述土壤肥力质量转变与土壤碳循环的协同效应，进而为土壤培肥、土壤退化修复提供理论基础。

1 土壤碳循环过程因子分析

1.1 碳循环与土壤有机质

SOM转化的生物化学过程是土壤碳循环的本质过程。它一直是土壤的重要组成部分，从功能来讲，它既是植物矿质营养与有机营养的源泉，同时也是土壤中寄养型微生物能源物质，[5]。土壤的众多功能都与SOM含量和组成有关系[6]。比如，土壤有机物质在好气微生物作用下，通过矿质化过程使有机物质分解，释放能量、CO2和H2O，由此植物和微生物获取了养分;一部分最后产物和中间产物成为腐殖化过程的原料，从而产生能改善土壤理化性状的腐殖物质（腐殖质、腐殖酸、胡敏酸等），直接或间接地影响土壤的其它性质，为土壤保肥性、保水性、缓冲性、耕性和通气状况等提供了基础。此外，土壤有机质含有绝大多数的活性基因，对土壤阳离子交换量（CEC）有很大的贡献 [7]。因此，由碳循环的角度调控有机质，改善其生物地球化学循环过程，最终对土壤肥力的调控有很大意义。

1.2 碳循环与土壤团聚体

土壤团聚体的结构和数量是影响土壤碳循环的主要物理因子，两者互为因子，即土壤碳循环能有效调控团聚体的形成和保持[8]。土壤团聚体是胶体与土壤颗粒通过有机无机物质凝聚、胶结而成，大、小团聚体数量和组合比例、空间的排列方式等决定了土壤的孔隙性（包括孔隙分布和比例），从而决定了土壤水力学性质，对土壤通气透水性、蓄水性和耕性等物理性状有很好的调控作用[9]。作为土壤团聚体的主要胶结物质—SOM，其在土壤碳循环过程中影响可想而知。自然土壤有机物质的种类及来源的调控、人为施用有机物质、种植绿肥等过程调控为土壤大团聚体形成提供了重要条件，最终对土壤物理性状的改善起到明显的作用。但值得注意的是，该过程是一个长期过程，需经矿质化、腐殖化过程，增加SOM含量、降低表层土壤的容重，增加总孔隙度和物理性粘粒含量，缓慢增强土壤保水保肥的能力，进而提高土壤养分和水分的有效性。有研究发现，施用有机物质增加了土壤的大、中的孔隙度，有机肥处理的大、中孔隙度是化肥处理与不施肥处理的2倍[10，11]。另外，团聚体形成过程中有大量机胶结物质的参与，对改良土壤中团聚体的结构和比例，增加土壤微团聚体的团聚度有重大作用，最终有利于提高了土壤水肥调控能力和肥力水平[12，13]。

1.3 碳循环与施肥管理措施

肥料种类和比例的改变等施肥管理措施可调整土壤碳循环过程。有研究表明，因施肥方式、习惯肥料种类及配比、土壤发育类型和作物轮作方式等不同，SOM含量表现出明显不同的特征[14]。有机肥的施用可提高土壤SOM含量，而纯化肥施用对土壤SOM含量影响不大。有研究显示，长期单施有机肥，或氮磷钾化肥与有机无机肥料配施都可以显著增加SOM含量;只施氮钾肥或者只施氮磷肥，氮肥、磷肥、钾肥单独施用或磷钾配施，土壤SOM含量增加不明显，更甚至于有所下降，但其下降幅度比无肥区小[15]。

2 土壤碳循环调控肥力质量的措施

2.1 土壤有机质调控

SOM的形成和转化都和土壤微生物相关，其数量和活性是反映土壤肥力和土壤质量的重要指标之一。有机肥给土壤微生物的活动提供了碳源、氮源和能量，改善土壤的微生态环境，促进微生物种类的生长和繁殖，增加了微生物数量和活性，优化了土壤微生物群落的结构和功能，最终对土壤有机碳库及碳循环调控具有重要意义[16]。

2.1.1 有机质输入调控

SOM的输入与碳输入的数量和质量、形式等有一定关系，这种关系目前具有不确定性[17]。但土壤有机碳库的平衡是由输入与输出2方面的因素决定是可以确定的，由此可以通过提高作物的生物量来固持土壤碳库[18]。

2.1.2 有機质转化过程调控

有机质转化过程复杂，矿质化与腐殖化过程的中间影响影子众多。从地上生物量的角度来看，土壤SOM含量与叶片、根茎、收获物之间关系密切。如在盐化潮土上的研究表明，SOM含量的提高与叶片间CO2浓度的增加呈显著性正相关关系，两者增加使得植株获得的光量子数目随之增多，光合作用增强、产量增加;该作用使的叶片气孔的阻力加大，可有效提高植株对水分的调控能力，降低作物蒸腾所带来的危害。两者最终都对作物高产高效的形式产生了积极的影响[19]。沈润平等研究指出，SOM组分中活性较强和较易矿化分解的土壤易氧化有机质与水稻生育密切相关：与水稻产量呈极显著相关关系，相关系数达到0.767，p<0.01），有机质总量和产量之间相关系数为0.674，在0.05水平上达到显著性相关系[20]。Johnston研究指出，在化肥施用充足的条件下，有机肥的缺少最终也会导致土壤质量下降与作物减产[21]。张志国等研究证实，坡耕地土壤SOM含量增加对改善土壤结构、防治水土流失和增加作物产量方面有明显效果[22，23]。

2.2 肥料施入调控

不同肥料种类施入量、施肥方式与比例及肥料输入历史对土壤碳库中的碳循环能产生不同的影响。对于草地而言，有研究表明，肥料输入能后，植物的光合作用加速，从而使其地上生物量增加，即增加土壤了植物碳输入量。尽管草地土壤碳的含量低，但外源碳的大量输入补充，有效增加了土壤碳库量[24，25]。植物群落组成和功能多样性也可以随施肥而改变，可增加植物生产力、植物碳的百分比和碳总量，最终植物生态系统功能得以重新定义。David等研究认为，生态系统碳循环功能与施肥及特定植物功能群落的增加与减少存在有或多或少的关联，其循环过程可能是不同物种或者功能群引起的[20]。通过外源性的N输入措施调控，Susana等研究表明，适量、适度施肥对有机质分解的作用很小，但是对有机质输入碳库的促进作用却较大，有利于土壤碳库吸存能力的提高，对温带草原碳库的调控起到重要作用[26]。长期施用化肥和有机肥对SOM也有很大影响[27，28]。有机无机肥料配施可明显增加土壤SOM的含量[29，32]。单施有机、无机化肥也能提高SOM，其原因在于两者都能使作物生长茂盛，地上和地下生物量增多，如根茬和枝叶等残留量[33]。这与黑土上的长期定位试验结果相一致，如高洪军等人发现，施用有机肥或有机肥配施化肥，可使表层（0～20cm）土壤有机质的总量增加[34，35]。

2.3 人为管理措施调控

人为管理前提下，管理措施的改变、施肥方式的调整等对土壤固碳能力产生明显影响，即提高土壤中有机和无机碳的含量，增加土壤对大气CO2的固持能力[36]。如传统耕作方式使土壤有机碳失去平衡，加速了SOC的分解，而SOC含量的减少直接导致土壤肥力的下降，进而影响农业土壤的生产力和土壤固碳能力。通过减少干扰等途径，或者通过降低农田土壤碳的分解速率等方法，可调节土壤肥力，同时也是提高土壤固碳能力的有效途径之一。大量实验结果表明，有机碳库的储量与农业耕作措施密切相关[37]。如保护性耕作能有效促进SOC的积累，并提高土壤固碳能力，使表层土壤中作物的根系生物量提高1.0%～142.9%，土壤微生物的生物量增加2.2%～140%[38]。同时，土壤的呼吸强度显著降低，降幅在0.9%～72.6%之间，碳的损失减少了，土壤团聚体的数量提高，有利于有机碳在土壤中的保持[39]。秸秆还田可以增加SOM的输入量，使秸秆腐解的形成有机碳储存在土壤之中，增加了SOC的含量[40]。水旱轮作条件下，秸秆还田旋耕比秸秆还田免耕更有利于SOC的提高[41]。路文涛等发现，0～60cm土层土壤有机碳含量有高低顺序：无秸秆<低量秸秆<中、高量秸秆。秸秆还田还增加了土壤活性的SOC绝对含量和相对的含量[42]。陈鲜妮等研究表明，在施化肥的条件下，秸秆直接还田和施用厩肥都可以降低SOC氧化的稳定性，最终胡敏酸的能态升高并且保持相对的稳定性[43]。

3 展望

自然界中，土壤因子如土壤有机质、土壤物理结构性及人为管理等是诸多地球化学和生物过程的控制性因子，能为地球关键带植被恢复、气候调控、土壤质量恢复等提供科学依据。调控土壤有机碳库及碳循环改良土壤肥力质量在现有的研究基础上，可引入地球关键带的研究，通过土、水、气、岩相互作用的过程了解土壤中的物质和能量转移;可“细化”土壤有机碳库的发生过程，探讨与土壤肥力变化的协同修复效应。

参考文献

[1] IPCC.Climate Change 2013：The Physical science basis.Contribution of working group me to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M].Cambridge，United Kingdom and New York， NY，USA：Cambridge University Press，2014.

[2]Luo Z， Wang E L，Sun J X.Soil carbon change and its responses to agricultural practices in Australian agro-ecosystems： A review and synthesis[J]. Gendarme， 2010， 155（3/4）： 211-223.

[3]Piao S，Fang J， Ciais P，etal. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China[J]. Nature， 2009， 458（23）：1009-1013.

[4]Reichstein M， Ciais P， et al. Climate extremes and the carbon cycle[J]. Nature， 2013， 500（7462）： 287-295.

[5]史吉平，张夫道，林葆.长期施肥对土壤有机质及生物学特性的影响[J].土壤肥料，1998（3）：7-11.

[6]林心雄.中国土壤有机质状况及其管理-土壤科学与农业持续发展[M].北京：中国科学技术出版社，1994.

[7]郝小雨，高伟，王玉军，等.有机无机肥料配合施用对设施菜田土壤N2O排放的影响[J].植物营养与肥料学报，2012，18（5）：1073-108.

[8]唐继伟，林治安，许建新，等.有机肥和无机肥在提高土壤肥力中的作用[J].中国土壤与肥料，2006（3）：44-47.

[9]秦晓波，李玉娥，刘克樱，等.长期施肥对湖南稻田甲烷排放的影响[J].中国农业气象，2006，27（1）：19-22.

[10]解宏图，付时丰，张旭东，等.土壤有机质稳定特征与影响因子研究综述[J].土壤通报，2003（5）：459-462.

[11]陈芝兰，张涪平，蔡晓布，等.秸秆还田对西藏中部退化农田土壤微生物的影响[J].土壤学报， 2005，42（4）：696-699.

[12]王飞，林诚，何春梅，等.不同有机肥对花生营养吸收土壤酶活性及速效养分的影响[J].中国土壤与肥料，2011，（2）：57-60.

[13]王飞，林诚，李清华，等.长期不同施肥对南方黄泥田水稻子粒与土壤锌、硼、铜、铁、锰含量的影响[J].植物营养与肥料学报，2012，18（5）：1056-1063.

[14]Sommerfel T，Chang G，Long-term annual applications increase soil organic matter and nitrogen and decrease carbon to nitrogen ratio[J]. Soil Science Society ofAmerica Journal，2008， 52（6）：1668-1672.

[15]林葆，林继雄，李家康.长期施肥的作物产量和土壤肥力变化[M].北京：中国农业科技出版社， 1996.

[16]邓祥征，韩健智，王小彬，等.免耕与秸秆还田对中国农田土壤有机碳贮量变化的影响[J]. 中国土壤与肥料，2010（6）：22-28.

[17]万晓晓，石元亮，依艳丽.长期秸秆还田对白浆土有机碳含量及腐殖质组成的影响[J].中国土壤与肥料，2012（3）：7-11.

[18]宋永林，袁锋明，姚造华. 化肥与有机物料配施对作物产量及土壤有机质的影响[J].华北农学报，2002，17（4）：73-76.

[19]Gunderson，Jonas，etal.Impactofnitrogen， Depositionnitrogen cycling inforests：Asynthesisofinterdict[J].Forest ecologyandmanagement，1998，101（1/3）：37-56.

[20]Frisk，Fakest，j.Microbial biomassandnitrogen cycling responses tofertilization and litterremoval in young northern hard wood forests[J].Biogeochemistry，2001，53（2）：201-223.

[21]Rollin，Mummery.corniced. soil structure[J].New philologist，2006（171）：41-53.

[22]周学东，沈景林，高宏伟，等.叶面施肥对高寒草地产草量及牧草营养品质的影响[J].草业学报，2000，9（4）：27-31.

[23]Waldron，Maker. Response of oxidative enzyme activities to nitrogen exposition affects soil concentrations of dissolved organic carbon[J]. Ecosystem，2006（9）：921-933.

[24]德科加，周青平，徐成体.不同施肥量对天然草场牧草产量影響[J].青海畜牧兽医杂志，2001，31（3）：12-15.

[25]王平，盛连喜，燕红.植物功能性状与湿地生态系统碳汇关系的研究[J].生态学报，2010，30（24）：6990-7000.

[26]姚源喜，杨延蕃，刘树堂，等.长期定位施肥对作物产量和土壤肥力的影响[J].莱阳农学院学报（自然科学版），1991，8（4）：245-251.

[27]宋永林，袁峰明，姚造华.化肥和有机肥配施对作物产量及土壤有机质的影响[J].华北农学报，2002，17（4）73-76.

[28]庄恒扬，刘世平，沈新平，等.长期少免耕对稻麦产量及土壤有机质与容重的影响[J].中国农业科学，1999，32（4）：39-44.

[29]Govind， M. Francios， O. Ciavatta， C. Sequi， P. Influenceof long term residue and fertilizer applications on soil holmic substances：Astudy by electro–focusing[J].Soil Science.1992，154（1）：8-13.

[30]Sommefel G.ChangG. Long tern manuals application sin crease soil organic matter and nitrogen and decrease carbon to nitrogen ratio[J].Soil Science Society of America Journal.1988，52（6）：1668-1672.

[31]林葆，林繼雄，李家康，等.长期施肥的作物产量和土壤肥力变化[M].北京：中国农业科技出版社，1996.

[32]曾木祥，金维续，姚源喜，等.从长期定位试验看有机-无机肥料配合施用的优越性[J].土壤肥料，1992（1）：1-6.

[33]王旭东，张平，吕家珑，等.不同施肥条件对土壤有机质及胡敏酸特性的影响[J].中国农业科学，2000，33（2）：75-81.

[34]张电学，韩志卿，长期不同施肥制度下土壤有机质质量动态变化规律[J].土壤通报，2007，2（38）：251-255.

[35]史吉平，张夫道，长期施肥对土壤有机质及生物学特性的影响[J].土壤肥料，1998（3）：7-11.

[36]曾木祥，金维续，姚源喜，等.从长期定位试验看有机-无机肥料配合施用的优越性[J].土壤肥料， 1992（1）：1-6.

[37]Schwab，A.P，OwensB Y，KulaYingYong S. Changing soilchemicalpropertiesdueto 40 years of fertilization[J].Soil Science，1996， 149（1）：35- 43.

[38]Kris dhnamoorthy，K. Review of soil Research in India[J].Soil Science，2006，38（3）：453-464.

[39]崔婷婷，窦森，杨轶囡，等.秸秆深还对土壤腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响[J].土壤学报，2014，51（4）：718-725.

[40]路文涛，贾志宽，张鹏，等.秸秆还田对宁南旱作农田土壤活性有机碳及酶活性的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（3）：522-528.

[41]肖生胜，董云社，齐玉春，等.草地生态系统土壤有机碳库对人为干扰和全球变化响应研究进展[J].地球科学进展，2001，24（10）：1138-1149.

[42]CHOUDHURY S G，SRIAVSTAVA S.Tillage Andresiduemanagementeffect soil aggregation organic carbon dynamicsandyield attributeinrice-wheat cropping systemunderreclaimed sodic soil[J].Soil&Tillage Research，2014（136）：76-83.

[43]MAZZONCINI M，SAPKOTA T B，BARBERI P，etal.Long-termeffectoftillage，nitrogen fertilization and cover crop son soilorganic carbonandtotal nitrogencontent[J].Soil&Tillage research，2011（114）：165-174.