水稻田土壤有机碳研究进展

毛 頔

(西南林业大学 生态与水土保持学院，云南 昆明 650224)

1 引言

土壤有机碳作为土壤中最重要的组成部分之一，是土壤质量评价的重要指标[1]，不仅对大气二氧化碳含量产生影响，更对稻田农作物生长起到重要作用。合理的调节稻田土壤碳含量不仅能够减少土壤CO2排放量，改善土壤酸碱平衡，进而提高土壤质量达到粮食高产的目的。我国对土壤有机碳研究相对较晚[2]，对于稻田土壤有机碳研究多存在于含量研究，土壤有机碳变化规律研究以及土壤有机碳矿化作用研究。本文通过对土壤有机碳的重要性以及土壤有机碳影响因素和研究进展进行综述，旨在揭示土壤有机碳作用以及影响土壤有机碳含量因素为今后稻田土壤有机碳相关研究提供参考。

2 水稻田土壤有机碳研究意义

2.1 土壤有机碳概念

土壤有机碳(soil organic carbon)简称“SOC”，是指以各种形态和状态存在于土壤中的含碳化合物。它包括动物、植物和微生物残体以及分解、合成的产物，它是土壤中的细小非生命体形式的天然有机物的总称，实质上包括未改变和部分改变的动植物残体。土壤有机碳含量受到地形地貌、气候、土壤质地、生物和认为活动等多方面影响，其中气候条件是影响土壤有机碳含量及分布的重要外部因素。

土壤有机碳含量是表达土壤质量的重要指标之一。其在土壤肥力、土壤耕作特性以及土壤生产力等方面有着巨大作用。土壤有机碳不仅含有植物生长所需的各种营养元素，还在一定程度上调节土壤理化性质、改善土壤结构、提高土壤稳定性以及改善微生物的生长环境[3]，并且土壤有机碳还为微生物生产活动提供能源。因此，土壤有机碳在农业生产活动和农业生态系统中发挥着重要作用。

2.2 稻田土壤有机碳的研究意义

土壤有机碳作为土壤重要的肥力指标之一，其含量不仅能够影响土壤理化性质，更能对粮食产量产生影响。龚子同[4]等认为，水稻土是我国特色的土壤类型，具有高生产力高质量等特点。在我国农田中，水稻田土壤有机碳含量明显高于旱地土壤。在我国土壤有机碳库的统计研究表明，中国土壤与表层有机碳库约为20 Pg，其中6个土壤表层土壤有机碳库在1.0 Pg以上，水稻土为其中主要类型之一[5]。水稻土具有较高的碳密度以及较强的固碳能力，研究认为水稻对有机碳的快速积累与水稻生产能力的提高从而导致的作物碳源对土壌有机碳的输入的增加有关[6]。因此，研究稻田土壤有机碳，既可补充中国对于土壤有机碳相关研究的空白，又能够了解中国特殊耕作土地中土壤有机碳的变化规律、固碳作用等问题，以期达到增强我国粮食生产潜力和农业产业可持续发展的目的。

3 影响水稻田土壤有机碳含量的因素

3.1 自然因素

3.1.1 气候

气候变化是影响土壤碳储量平衡的重要因素，在土壤有机碳含量模型建立中也被认为是影响土壤有机碳含量的主要因素之一[7]。气候变化主要通过温度变化、降水等气候因子影响土壤中有机碳输入与转化过程进而影响土壤中有机碳含量。水稻田由于耕作的特殊性，气候因素对于农作物生长环境影响巨大。通过对土壤温度、pH值、微生物量和微生物活动强度以及光合作用强度等方面变化，从而影响土壤有机碳的固定和矿化作用。研究表明：不同的气候条件下稻田土壤有机碳含量变化幅度明显[8]。

3.1.2 地形

不同地形地貌以及海拔高度决定了当地的土壤温度等气候因素，对土壤有机碳含量影响较大[9]。不同的海拔高度土壤有机碳含量存在差异，影响因素较为复杂，地形地貌和海拔高度不但影响了参与土壤有机碳固定和矿化作用的微生物量以及微生物组成，也影响着当地土壤温湿度、土壤质地以及其他性质的改变。

3.1.3 灌溉水

水稻田的灌溉方式特殊，不同地域水稻田呈现出不同的灌溉特点。如我国大部分水稻田收获期田内为淹水，云南元阳地区水稻田常年处于淹水状态。灌溉水可直接为水稻田土壤提供有机碳以及外援植物残体和与土壤有机碳相关的微生物。灌溉水对酸碱环境、微团聚体量以及富里酸等化学元素含量改变进而对稻田的有机碳含量产生影响。

3.1.4 生物

生物对水稻田土壤有机碳含量影响主要包括植物与动物。水稻田中农作物是影响土壤有机碳含量的直接因素，不同的农作物种类，不同栽植密度对土壤有机碳的碳源与碳汇有着不同的影响[10]。水稻田土壤有机碳的来源很大一部分是植物残体以及植物根系分泌物。在水稻田中经常会养殖动物其中包括泥鳅、鱼、青蛙等，其动物排泄物也是水稻田土壤有机碳的重要来源之一[11]。

3.1.5 土壤

不同的土壤粒度结构有着不同的通气性和透水性，通过对土壤中矿化作用以及腐殖化作用的影响，从而影响水稻田土壤有机碳含量[12]。土壤粘粒含量的不同对于土壤有机质含量具有重要影响，土壤粘粒具有较大的比表面积以及较大的电荷密度，可与水稻田中有机物质结合形成较为稳定的团聚体结构并附着在土壤层表面，从而降低微生物对土壤有机碳的分解[13]。

3.2 人为因素

3.2.1 施肥

施肥作为农田土地耕作中必不可少的一步，是保障土壤物理性质，改善土壤化学机构以及土壤微生物量的组要人为因素之一[14]。我国大部分地区土壤肥力较弱，通过施用肥料的方式可直接提高土壤肥力，达到增产增收的目的。由于水稻田常年耕作，消耗大量的土壤有机碳以及其它养分，仅通过灌溉水携入有机碳量以及携入枯落物已经无法满足水稻田土壤有机碳的养分平衡[15、16]。曹志洪[17]等人研究认为在不施肥的情况下土地连续耕种会导致土壤有机碳分解转化速率加快，碳素损失增加。长期施用肥料能有效解决因长期耕作引起的土壤贫瘠，土壤性质变差等情况。土壤有机碳量受到其它土壤元素的影响。孟磊[18]等人研究结果表明施用NLJ比例的肥料，能够显著提高土壤中有机碳含量。施肥能显著提高农作物长势以及产量，通过秸秆还田方式使得农田中农作物残留物增加，从而提高土壤中有机碳含量。相反，有研究认为，通过施肥氮素的输入等方式可能破坏了某些团聚体的复合体，加剧了土壤活性有机碳的溶出，从而使得土壤中有机碳含量降低[19]。有研究表明，施用肥料可使土壤中微生物量提升明显，显著增加了土壤微生物碳量，但随着时间的推移微生物量会降低并达到平衡[20]。

3.2.2 耕作

农耕作为影响水稻田土壤有机碳含量必不可少的一部分，在水稻田中不同的农业耕作方式和农业耕作周期对土壤中有机碳含量产生直接的影响[21]。合理的耕作方式不仅能够使得土壤营养损失量降低，还能够提高当地农作物产量，从而达到可持续发展的目的。研究表明，农业耕作是引起土壤有机碳含量下降的主要原因之一，传统的耕作方式会加快土壤氧化和矿化，破坏土壤团聚体结构，从而使得土壤有机碳含量下降[22]。传统耕作方式对土壤扰动较大，加快了土壤呼吸作用[23]。水稻田中土壤翻耕使得部分活性有机碳分解和迁移，使得深层土壤有机碳附着在表层土壤中供农作物吸收。众多研究结果表明，合理的土壤翻耕配合秸秆还田等措施有利于提高土壤固碳潜力以及土壤有机碳含量。Campbell[24]等,研究表明秸秆还田会使得土壤有机碳含量逐年提高。王丙文[25]等,研究结果表明秸秆还田对于农作物生长影响显著。Lou[25]等,对中国北方农业耕地进行相关研究发现，对于表层土壤而言传统耕作方式有机碳含量明显低于其他保护性耕作方式有机碳含量。徐胜祥[26]等对不同耕作方式下土壤固碳潜力研究发现，改变传统耕作方式并结合秸秆还田可有效提高土壤固碳潜力。其他研究表明，免耕、少耕、浅耕可有效提高表层土壤有机碳含量，大多研究结果认为不同的耕作方式对于土壤深层有机碳含量影响不大[27]。

4 水稻田土壤有机碳研究方法与研究趋势

4.1 水稻田土壤有机碳研究方法

当前我国水稻田土壤有机碳相关研究已成为热门话题[28]。由于水稻田的特殊的耕作方式以及特殊的地理位置条件受到国内外专家学者的广泛关注[29]。影响有机碳含量变化是复杂多变的。我国对水稻田土壤有机碳研究起步较晚[30]，研究内容相对单一。我国水稻土有机碳多为区域内有机碳含量研究以及相关性研究，水稻土壤有机碳储量估算以及土壤有机碳含量模型研究。对于土壤有机碳含量变化影响因素研究，水稻田土壤碳循环研究，以及对水稻田土壤有机碳团聚体结构和不同络合产物稳定性等微观研究相对较少。

我国对于南方水稻田土壤有机碳研究主要方式为利用传统统计学和地统计学结合方式。将传统统计学和地统计学方法结合的方式应用于土壤有机碳空间结构性研究越来越普遍。土壤有机碳的影响因素多样，受降水、温度、微生物、等多方面因素影响，产生不同的空间分布。魏孝荣[31]等人，研究结果表明有机碳的分布受到环境条件的直接影响并且通过影响有机碳不同组分之间的关系来改变其分布特征。李凤博[32]等人，研究表明土壤有机碳含量变化收地形、土地利用方式以及土壤化学性状等因素影响。

4.2 水稻田土壤有机碳研究不足及趋势

水稻田是我国南方的主要耕地类型，其面积占比高达80%。在我国保护性耕作制度实行推广后，水田土壤有积碳密度以及土壤有积碳含量均高于旱地土壤有机碳水平。水稻田同样作为我国粮食的主要生产方式，其水稻田的物理化学性质，影响农作物产量方式等备受学术界重视。我国虽在稻田土壤有机碳研究处于起步阶段，但近年相关研究众多，有由浅入深，由单一到复杂的研究趋势。我国南方水稻田土壤有机碳研究现今仅存在于表层，对于机理性研究相对较少。微观上对于土壤中土壤有机碳的固定机制尚不清楚，土壤中碳氮耦合作用及影响因素研究少见，对于稻田土壤有机碳相关性研究缺乏深度，由于人为因素干扰对于土壤有机碳矿化作用研究报道较少。宏观上，我国幅员辽阔，南方水田分布面积大，各地区水田多样，土壤质地较为复杂，自然因素和人为因素影响差异明显，但对于土壤质地、温度、海拔等相关性研究仅存在小流域内，并且研究结果存在差异。同样对于土壤碳储量研究缺乏完整准确的数据，并且土壤有机碳储量公式多样难以形成系统。

5 结语

稻田土壤作为南方最主要的农业生产用地，对我国农业发展进步有着重要作用。土壤有机碳不仅影响稻田土壤质量，对农作物产量起到不可忽视的作用。影响土壤有机碳含量主要有自然因素和人为因素两方面，其中自然因素为气候、地形、灌溉水、生物、土壤等；人为因素主要为农业耕作方式以及施肥。

我国对于稻田土壤有机碳研究处于起步阶段，土壤有机碳研究主要存在于宏观研究。今后水稻田土壤有机碳重点研究领域首先是土壤有机碳时空分布特征和土壤碳库研究。通过长期的田间定位监测，以及普查资料对土壤有机碳动态变化进行系统分析，从而掌握该地区土壤有机碳空间格局以及当地土壤有机碳储量。其次土壤有机碳源汇的物理、化学和生物过程研究，完善土壤碳循环机制。通过对当地土壤有机碳含量检测以及结合影响因素分析，通过室内模拟实验了解演化过程以及微观基础理论。另外利用GIS等平台技术也是当今发展的趋势之一，通过利用数学平台技术在完善基础数据的前提下相互结合得到更可靠的科学结论。