砒砂岩与沙复配土体中碳库组分的研究方向

郭 振

(1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710075；2.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075；3.国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室，陕西 西安710075；4.陕西省土地整治工程技术研究中心，陕西 西安710075)

1 引言

毛乌素沙地被称为“沙漠之城”，位于鄂尔多斯高原东南部和陕西省榆林市长城一线以北，是我国沙漠化严重地区之一。在为毛乌素沙地寻找优质胶体资源的过程中，科学家们发现，在陕、晋、蒙地区，分布着被当地人称为“砂岩”的松散岩层，给毛乌素沙地治理带来了新的希望[1]。砒砂岩，具体指古生代二叠纪、中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪的厚层砂岩、砂页岩和泥质砂岩组成的沉积岩石互层。它的主要矿物组成包括石英、钙蒙脱石、长石和方解石，以及无机氧化物矿物。从物理组成上说，粘粒和细粉粒含量较高，而粘粒和细粉粒正是土壤中胶体物质的重要组成部分[2]。从化学成分上看，砒砂岩的化学成分主要为稳定的二氧化硅、氧化铝和氧化铁，它们的质量分数超过了89%。但此外，还含有不稳定的氧化钠、氧化钾和氧化钙，这些成分虽含量低，但是他们异常活泼，极易破坏岩体结构，使岩体抗侵蚀的能力极大减弱[3]。砒砂岩作为一种利用率低的资源，因为其容易风化、结构强度比较低且成岩程度比较低，胶体含量的不足使其具有颗粒易分散的特点，虽然这么多的不利因素导致了其利用率低，但是持水能力强和保水能力好却是其一大特色，若岩层的贮水量多，则能充分为植物的生长提供水分。风沙土则具有质地均一的颗粒组成性状，其结构较砒砂岩而言比较疏松，且水分在土层空间内的分布也变得比较均匀，如此一旦风沙土中的水分供应不足，伴随着较大的蒸发量，土体就会出现整体性的缺水。根据砒砂岩与沙两者的自身特点，充分利用其互补的特性，将砒砂岩与风沙土按照一定的比例进行混合成土，既可以减少水分在沙地中的渗漏，又可削弱砒砂岩坚硬板结的现象，达到改良土壤物理特性，进而达到治理沙地的目的。

2 砒砂岩与沙复配土体研究的新方向

近年来，研究团队以“改土”为主要方向，将砒砂岩和沙这两种资源进行复配整治，成功开辟了沙地资源化利用的新前景，以高标准农田建设为目标，形成了一套毛乌素沙地高效节水灌溉与现代农业技术为一体的新模式，为土地综合整治领域做出了重要贡献。尽管砒砂岩与沙复配成土技术研究取得了很多研究成果，但研究主要局限于物化机理方面[4]，目前砒砂岩与沙复配土仍处于培肥固碳阶段，通过碳库活性组分的矿化来研究其复配土的稳定性和碳固存机制还尚未开展。在成土过程当中，土壤伊始并非就具有肥力特性，也并不是可以直接供绿色植物的生长，而是和其他生物的发育过程一样，也有一系列从发育到成熟的过程，其中土壤所含有机质含量的多少(有机碳含量)是权衡土壤肥力水平的一个重要指标，它和矿物质紧密地结合在一起[5]。在有机碳的积累过程中，微生物通过分解作物的根系残渣、凋落物和施入土壤中的有机无机物料，使其腐败分解释放出养分元素供植物吸收利用，并且形成腐殖物质，其量越大，则生物体内的含碳量越多，土壤也越肥沃[6]。目前在全球变暖的环境下，对砒砂岩与沙复配土体中的碳库分布与转化、碳库固持与损失以及碳库管理指数等内容进行重点分析，对于明确碳库组分影响因素和碳库矿化的生态学效应有重要意义，为合理使用有限的土壤资源和有效缓解土壤温室气体的排放提供理论依据，以期为复配土质量提升和土地合理规划提供现实依据。

3 碳库矿化

土壤有机碳矿化作为土壤中微生物主导的一个生物化学过程，与养分元素的释放与维持、土壤质量的可持续利用与发展以及全球气温升高的变化趋势密切相关[7]，土壤有机碳经微生物分解释放出CO2是温室气体的一个重要来源，因为陆地生态系统碳库约为植物碳库的2～3倍，另一方面，土壤有机碳的固定则对温室气体起到了碳汇的功效，所以，全方位的了解土壤有机碳矿化的动态变化规律和主导环境因子则对土壤养分的科学管理和减缓气候变暖具有重要意义。针对砒砂岩与沙不同复配比土体中的碳库组分稳定性及矿化机制方面的研究尚轻，尤其在用活性有机碳的动态变化来评价土壤碳库活度方面属于空白，而碳库活度又能反映碳库管理指数的高低，因此借用碳库管理指数可以表征不同复配土的肥力特征。有研究表明，借鉴传统方法，可以用SPMC(土壤潜在矿化碳)和SMBC(土壤微生物量碳)之和来表征碳库活度中反映的土壤活性有机碳含量[8]，固然SPMC和SMBC两种组分在土壤有机碳中所占比例很小，但是其在土壤中拥有极不稳定、转移速度快、容易发生氧化和矿化等特点，因而有机碳可以敏感的对环境条件的改变做出响应，能够作为在不同管理措施下反映土壤质量变化的重要指示性指标[9]。虽然SPMC和SMBC组分不同，但又密切相关，SPMC能够广泛地评价土壤微生物的活跃程度，SMBC能够标志性的反映生物体内含碳量，因此，一直以来它已被用作土壤微生物的总活度指标或作为土壤肥力的衡量指标[10]，因此，针对砒砂岩与沙不同比例的复配土，分析碳库总量及其组分的变化特征，探讨土壤有机碳及其活性组分对砒砂岩与沙不同复配比的响应及其敏感性特征，为实现农业可持续发展和土壤碳库固定提供依据。

农田中合理的耕作管理措施不仅可以增加土壤碳的库存，减少CO2等温室气体的排放，而且还能够改善土壤质量并且增加作物产量，此外由于陆地生态系统碳库储量较大，近年来对其碳循环过程的研究普遍得到重视。碳循环过程研究的主要指标有土壤总碳和有机碳、SPMC和SMBC等，其中对土壤碳储量的测定是研究土壤质量好坏和生产力高低的紧要组成部分[11]。虽然有机碳含量在土壤中占有相当大比重，但随着长期耕种管理措施和时间的推移，有机碳含量年际变化缓慢，单独依靠有机碳指标往往不能够快速地反映出土壤养分变化状况。而SPMC和SMBC作为土壤有机碳中的生物活性组分，随时间的变化会产生明显的变异，对它们的测定可以充分地反映土壤质量和生产力的变化。SPMC又被称作生物降解碳[12]，主要利用微生物活性来对有机物质进行分解，通过测定碳损失量并通过拟合来求得可矿化碳的含量，对SPMC的测定可以反映土壤有机碳的矿化速率和累积矿化率，并且也能够对土壤养分的供应和土壤微生物的活性状况进项判断。SMBC则是指土壤中活的生物细胞包括细菌、真菌和土壤动物等体内所含的碳，其数目因土壤条件的变化而有所差异，反之土壤性质的变化及养分分解又会受土壤微生物的作用而有所区别，因此，通过对SMBC的动态进行定期监测，可以预测出土壤总有机碳的变化趋势[13]。通过对SPMC和SMBC的测定可以评价耕作措施、管理体系和氮肥施用等所引起的土壤有机质变化。

4 结语

通过土壤碳库指标和碳库活度指标的结合来计算土壤碳库管理指数，既能反映出土壤有机碳变化对外界监管环境的响应，也可以反映出土壤有机碳组分的变化情况。土壤碳库管理指数上升表明土壤肥力上升，反之则表明土壤肥力下降[14]。目前，在土壤有机碳的累积固定和矿化方面，国内外已经开展了大批研究，这些成果为深入了解土壤有机碳库的活动规律奠定了科学基础。针对砒砂岩与沙复配土，基于微生物量碳和矿化的动态变化来研究不同比例复配土的潜在可矿化碳的分布特征，可以揭示砒砂岩与沙复配成土后，不同复配比土壤从碳源到碳汇的生态差异，初步从微生物尺度来反映不同时期土壤碳库管理指数的变化，为提高复配土质量和增强农业固碳减排潜力提供理论依据。