不同利用方式土壤有机碳及其组分研究进展

李 菡，袁 红，宋洪福，张 亮，段良霞，盛 浩

(湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128)

作为陆地生态系统中最大的碳库，土壤碳库对人类生活和全球变化无时无刻不在产生影响。土壤有机碳是土壤有机质的一个组成部分，是评价土壤肥力的重要指标之一。土地利用方式的改变是人类干扰地表土壤的主要形式，也是影响全球碳储量和分布的一大因素[1-3]。然而当土壤总有机碳值非常大时，很难使用总有机碳值来评估土地利用方式的变化对土壤有机碳的影响，因此，近年来对土地利用方式变化十分敏感的土壤有机碳组分的研究引起了人们的广泛关注[2,4]。

1 有机碳及其组分

1.1 土壤有机碳组分

按其化学性质可将土壤有机碳分为活性有机碳和惰性有机碳。活性有机碳占总有机碳的比重较少，它稳定性差、周转速度快，易氧化和矿化，但生物活性高，对土壤的微小变化也反应灵敏，可以直接参与土壤的生化过程[5]。活性有机碳包括可溶性有机碳、易氧化有机碳、颗粒有机碳和微生物量碳等[1,6]。可溶性有机碳是土壤有机质中移动最大的组分，可以直接被土壤微生物利用，有一定的溶解度，在土壤中移动迅速，易于分解和矿化，因此很容易流失。易氧化有机碳周转最快，受地上凋落物和地下根系影响较大，它的分解极易受环境的影响。易氧化有机碳占总有机碳的比率越高，说明养分循环速率越快，土壤碳的稳定性越差，不利于土壤碳库的积累。土壤微生物量碳则是最活跃的组分，控制着所有有机质的转化，它是一个简单易测的土壤成分，地上植被类型被认为是影响土壤微生物活动的重要因子[7-9]。惰性有机碳是土壤有机碳库中较稳定的部分,是分解周期最长的矿物结合态有机碳，其含量越高越有利于土壤有机碳的积累[5]。土壤碳库变化主要发生在活性碳库中。

1.2 有机碳分组方法

有机碳组分是一个复杂的概念，不同研究方法获得的土壤有机碳成分各不相同。20世纪60年代以前对土壤有机碳组分的研究主要根据其化学组成和化学性质进行分组[10]。20世纪60年代之后，出现了物理分类方法[11,12]。20世纪80年代，出现了将土壤有机碳按比重分为轻组有机碳和重组有机碳的分组方法。自20世纪70年代起，土壤微生物体受到重视，由此出现了对土壤有机碳的生物分类法，但相关研究较少。

1.2.1 按有机碳的化学特性分类 根据3种不同浓度的KMnO4(33、167、333 mmol/L)氧化土壤有机碳的数量，Logninow等把易氧化有机碳分成 3个级别。Lefroy[13]和Blair[14]等研究发现在这3个级别中，能被333 mmol/L KMnO4氧化的有机碳在种植作物时变化最大，因此将能被333 mmol/L KMnO4氧化的有机碳称为活性有机碳，不能被氧化的称为非活性有机碳。Chan等[15]根据3种不同浓度的H2SO4(6.0、9.0、12.0 mol/L)和K2Cr2O7氧化土壤有机碳的数量，把可氧化有机碳分成4个组分。霍莲杰等[11]依据土壤有机碳周转速率的快慢将土壤有机碳分成活性碳库、慢性碳库(缓效性碳库)和惰性碳库(表1)。

表1 有机碳组分的化学分类方法[11]

1.2.2 按有机碳的物理学特性分类 土壤固相由不同形态和大小的土壤团聚体和原生土壤颗粒组成[16]。有机碳的物理分组包括团聚体分组和颗粒碳分组两种方式，或者两者结合起来，先进行团聚体分组，然后再进行颗粒碳分组。在土壤颗粒分级过程中，土壤团聚体被破坏，构成团聚体的土壤颗粒被分散为原生土壤颗粒，根据这一性质，Tiessen等[17]将这些原生土壤颗粒分为砂粒、粗粉砂粒、细粉砂粒、粗粘粒和细粘粒。20 世纪80年代，出现了根据土壤在1.6～2.5 g/mL溶液中的沉降，将土壤有机碳分为轻组有机碳和重组有机碳的分组方法(表2)[10，11]。

表2 有机碳组分的物理学分类方法(颗粒碳分组)

1.2.3 按有机碳生物学特性分类 生物学方法是通过一定方法测定矿化生物和矿化有机残体(如微生物生物量等)的生物量，或者利用将有机碳作为底物的反应来推断土壤中有机碳的生物有效性(潜在可矿化碳)[19，20]。土壤有机碳按生物方法可以分为微生物量碳和潜在矿化碳，通常采用氯仿熏蒸提取法或氯仿熏蒸培养法来测定，但是这种方法易受环境状况影响且培养周期长，很容易导致实验出现偏差甚至失败[18]。

2 不同土地利用方式土壤有机碳及其组分含量特征

当前对土壤有机碳及其组分的研究已经很广泛且深刻，不同的气候类型、植被状况、土壤质地和地形特征影响着土地的利用方式，而利用方式的不同也对土壤有机碳及其组分产生不同的影响，掌握不同利用方式的土壤有机碳的变化趋势和规律对于保护土壤资源，保持土壤肥力，维持土壤资源的可持续发展具有重要意义。

2.1 湿地有机碳及其组分

湿地由于长期处于淹水或水分过饱和状态，积累了更多的活性有机碳，对气候变化更为敏感[21，22]，因此，利用活性有机碳研究土壤碳库的稳定性已成为热点[23]。参照《湿地公约》将中国的湿地划分为近海与海岸湿地、河流湿地、湖泊湿地、沼泽与沼泽化湿地、库塘等5大类28种类型，其中库塘为人工湿地，其余均为自然湿地。

杨文焕等[24]研究黄河包头段-南海湿地(河流湿地)发现，自然生长的芦苇的总有机碳含量最高且稳定性最高，其次是旱柳和向日葵，玉米和裸地的有机碳含量最低。在垂直方向上，随着深度的增加，4种利用方式下的总有机碳含量逐渐接近。旱柳由于没有受人为耕作干扰且表层土壤草类植物较多，因此总有机碳高于除芦苇地外的其他用地。而在江苏洪泽湖湿地(湖泊湿地)中，李亚萍等[25]研究发现河口地区的总有机碳、可溶性有机碳和微生物量碳均显著高于河漫滩和出湖湿地。这是由于河口湿地常年水淹状态加速了土壤有机碳的溶解，增加了可溶性有机碳的含量。张文敏等[26]对杭州湾湿地(滨海湿地)的研究发现，互花米草在20 cm以内深度中，总有机碳和可用性有机碳含量均显著高于相同土层的芦苇、海三棱藨草和裸滩，这是由于互花米草所在位置含水量高，但是几乎不受潮水侵蚀，而含水量同样比较高的芦苇地由于长期受潮水侵蚀，凋落物流失，导致有机碳含量偏低。赵光影等[27]研究发现，小兴安岭森林天然沼泽(沼泽湿地)的活性有机碳组分高于排水湿地、弃耕地和农田。崔东等[28]对伊犁河谷(河流湿地)不同植被状态下的湿地地区研究发现，常年水淹的芦苇湿地的可溶性有机碳、易氧化有机碳、微生物量碳含量均低于同一地区的雀稗湿地和拂子茅湿地。

由此可见，在垂直方向上，活性有机碳组分含量普遍呈现出随土壤深度增加而降低的趋势。在水平方向上，湿地中偏湿润地区的活性有机碳均普遍高于较干燥地区，但是常年淹水的地方土壤呼吸力弱，植被覆盖率偏低且腐殖质少，导致微生物量碳和易氧化有机碳反而偏低；可溶性有机碳由于可以溶解且变化快，因此常年淹水地区土壤可溶性有机碳损失的也较多。在土地利用方式上，自然发育的湿地有机碳及其组分普遍高于受人类活动干扰的湿地(表3)。

表3 不同地区湿地有机碳及其组分含量 g/kg

2.2 林地有机碳及其组分

森林是陆地生态系统的主要碳库。每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3，在调节全球碳平衡和减缓大气中二氧化碳浓度的增加中起着重要作用[29]。

殷有等[30]对辽东山区3种林型的土壤有机碳进行研究，结果表明3种林型的土壤有机碳和活性有机碳含量以及活性有机碳各组分均是天然次生林最高，人工混交林居次，人工纯林最低。对于江苏凤阳山，张勇等[31]的研究显示，常绿阔叶林的总有机碳含量最高，杉木林和柳杉林居次，针阔混交林最低(表4)，主要原因是柳杉林凋落物远大于针阔混交林, 较厚的凋落物层会大大减轻土壤侵蚀强度,并有效防止表土有机碳的流失。而易氧化有机碳在常绿阔叶林中最高，杉木林柳杉林中最低。这与之前学者研究发现的易氧化有机碳与总有机碳有显著正相关性的结果相悖[32,33]，作者认为可能是由于杉木林、柳杉林凋落物中蜡质成分和角质成分多，难分解的有机碳较多，导致易氧化有机碳较低。习丹等[29]在城市化梯度上研究了亚热带常绿阔叶林及其组分，发现生物量碳含量郊区显著高于城区，而可溶性有机碳城区显著高于郊区，城市化促进了土壤活性碳分解，降低了稳定性碳组分，不利于城市土壤碳库的保持。

表4 不同地区林地有机碳及其组分含量 g/kg

由此可见，林地在垂直方向上有机碳及其组分随土壤深度增加而降低；在水平方向上，受人类活动干扰较大的地区土壤有机碳及其组分的变动也较大，打破了原有的土壤有机碳变化规律。天然生长不受人类干扰的森林地区土壤有机碳会高于受人类干扰严重的森林地区，树种丰富的次生林和人工混交林有机碳会高于树种单一的林地。受气候、湿度、地表状况的影响，同一类型的森林在不同地区有机碳及其组分表现各不相同，但差异不大。

2.3 草地有机碳及其组分

我国草地总面积约293万km2,占国土面积的1/3左右，草地是陆地生态系统类型之一，其碳收支对全球碳平衡具有重要意义[34-36]。

刘育红等[35]对青海省退化高寒草甸土的研究发现，随着生态系统的退化，表层土壤中有机碳及其成分的含量发生了巨大变化。随着退化程度的加剧，高寒草甸土壤有机碳含量迅速下降，损失严重。杨君珑等[37]在研究宁夏草地时，观察到山地草甸的土壤总有机碳含量最高，荒漠草原的微生物量碳含量最多，在同层土壤不同土地类型中，土壤易氧化有机碳均以典型草原最多。刘伟等[38]对黄土高原天然草地土壤的研究发现，在不同土层深度，高寒草甸草原的土壤有机碳含量均最高，荒漠草原最少，不同草地类型土壤有机碳均集中在0～40 cm的浅表层，有机碳含量与海拔呈显著正相关，与年均温呈显著负相关，与年降雨量无关(表5)。草原地区由于物种不及湿地和森林地区丰富，外部环境因素对其土壤有机碳组分的影响会更加强烈且明显。草原地区土壤活性有机碳组分与总有机碳组分没有明显的相关关系，而惰性有机碳与总有机碳呈高度正相关关系，说明草地土壤养分循环速率不高，有机碳库较稳定[39]。

表5 不同地区草地有机碳及其组分含量 g/kg

2.4 耕地有机碳及其组分

农业土壤有机碳是全球碳循环的重要组成部分，由于其特殊性，农业土壤频繁受到人类活动干扰，土壤有机碳及其组分处于动态变化当中，它影响着农田生态系统的可持续发展，因此研究农业土壤有机碳及其组分的变动对于选择合理的耕作方式、稳定土壤碳库意义重大[40-42]。

2.4.1 旱地有机碳及其组分 国内学者对于旱作土壤有机碳的研究多集中在秸秆还田和使用有机肥前后土壤状况对比方面。张英英等[43]对陇中黄土高原旱作土壤的研究结果表明，免耕结合秸秆覆盖可有效提高土壤有机碳及活性有机碳含量，有利于该地区旱地生态系统健康发展，减少碳库损失。通过研究宁夏南部旱作农田土壤，路文涛等[44]发现秸秆还田能有效提高当地0～20 cm土层土壤有机碳含量和碳库管理指数，在宁南旱区实施秸秆还田, 既有利于培肥地力, 提高作物产量, 也可以改善农田生态系统循环,促进当地农业的可持续发展。武均等[45]在黄土高原丘陵沟壑区的实验发现，与传统耕作相比，免耕仅对0～20 cm土壤有机碳组分有显著影响，而秸秆添加对0～40 cm土层均有显著影响。虽然耕作模式和秸秆添加对土壤有机碳的提升均有效果，但是秸秆添加的效果高于耕作模式变化带来的效果。张鹏等[46]通过4年的秸秆还田实验，与张英英和路文涛得到了一致的结果，发现土壤有机碳含量明显提高，活性有机碳变化与总有机碳变化趋势基本一致。张延等[16]在吉林省黑土分布区的定位实验得出如下结论：耕作方式的变化对表层土壤有机碳含量有显著影响，但在10～30 cm的土层作用不明显，传统耕作会导致深层土壤有机碳含量下降(表6)。

表6 不同地区旱地有机碳及其组分含量 g/kg

2.4.2 水田有机碳及其组分 在珠江三角洲平原农田，刘红宜等[42]研究发现，土壤有机碳及其组分含量变幅较大且呈极显著的正相关，有机碳随土壤深度增加而逐渐下降，但在潜育层有所回升，这可能是受成土母质和腐烂植物残体埋藏影响造成的。王玺洋等[47]实验发现，长江三角洲典型水稻土上层土壤有机碳组分含量下降速度明显快于下层土壤，惰性碳比例远大于活性碳，他认为水稻土固碳重点在于惰性和慢性碳。在贵州省黄壤性水稻土的长期施肥实验中，王小利等[48]发现，4个施肥处理的土壤有机碳及其组分含量均随时间增长而增加，施用有机肥土壤的有机碳含量年均增加速率和增幅均高于不施肥及单施化肥处理的，总有机碳的年均增加速率分别为不施肥及单施化肥处理的3.5～3.7倍和1.5～1.6倍，他认为常量有机无机肥配施是提升土壤有机碳储量的最有效模式(表7)。

表7 不同地区水田有机碳及其组分含量 g/kg

3 结论与展望

综上所述，尽管土地利用方式各不相同，但土壤有机碳及其组分在垂直方向上的含量特征普遍表现为随深度增加而降低，且浅表层土壤有机碳含量占土壤总有机碳含量的绝大部分。就表层土壤而言，因植被类型、植被覆盖状况和土壤质地、土壤耕作施肥管理等造成的水土气的配比不同，有机碳及其组分的含量变化各不相同，土壤有机碳含量在自然生长的植被类型条件下明显高于人类干扰地区。在人类活动频繁的地区，土壤有机碳及其组分含量的变化更为活跃。耕作管理方式的改变对土壤有机碳含量产生积极的影响，长期秸秆还田能有效提高农田土壤有机碳含量。

由此可见，土壤有机碳及其组分的变化受多种因素的影响[49]，自然要素如母质、气候、生物、地形、时间对土壤的影响是缓慢的，而人为因素对土壤的改变却是迅速且巨大的。未来土壤有机碳的研究，应多关注以下几点：重视土壤有机碳及其组分对人为环境因子变动的响应研究，如免耕、休耕等管理措施改变下土壤有机碳的敏感性研究；探寻增加土壤有机碳的有效人为处理措施，培肥农田土壤、防治土壤退化；阐明农田土壤有机碳的周转模式和机理，及其对地球碳源、碳库的影响。未来可结合多尺度多区域进行研究，实现区域参比。