土壤有机质与土壤固碳

郑聚锋 陈硕桐

全球地表以下至1米深的土层储存碳约25 000亿吨（15 500亿吨有机碳和9500亿吨的无机碳）[1]。其中有机碳库为大气碳库（7500亿吨）的2倍，接近陆地植被生物量碳的1.8倍。土壤有机碳库是地球表层系统中最大、最具有活性的生态系统碳库，其微小变化将对大气二氧化碳浓度产生巨大影响。据统计，全球每年因土壤呼吸（包括土壤生物呼吸和土壤中植物根系呼吸）釋放的二氧化碳为500亿～760亿吨，占陆地生态系统与大气间碳交换总量的2/3，接近于大气碳库的1/10[2]。可见，土壤有机碳的保持与稳定对全球气候变化起着重要的调节作用，并影响着陆地生态系统的分布、组成、结构和功能。

土壤有机碳库主要集中在植物根系分布的表层。由于气候、植被和土壤类型等不同，土壤有机碳储量地理差异较大。例如，干旱区农田土壤有机碳密度较低，仅为30吨/公顷，而在高纬度草原地区可高达80吨/公顷以上。据估算，全球土壤表层（20厘米以内）有机碳储量约为6150亿吨，占土壤剖面（1米）有机碳总储量的40%。土壤表层碳密度易受到人为活动的强烈干扰，因而土壤碳管理在全球环境管控中具有重要地位。

土壤有机质与土壤碳库

土壤有机质及其类型

一般来说，土壤有机质主要来源于植物残体、根系及其分泌物，以及土壤微生物及其代谢产物，是不同分子大小和碳链结构的糖类、单宁、脂质、木质素、蛋白质和芳香族化合物等类群的有机物质的集合体。有机质组分在土壤中经历不同的分解与转化过程，同时与土壤矿物质和团聚体结合并受其保护作用。以闭蓄态或包被态等物理形式保护在土壤团聚体内和团聚体间的有机质，称为颗粒态有机质，属于潜在快速更新的碳库；而主要以化学结合态固定存在于矿物质组分的有机质，称为矿物结合态有机质，它们分解程度较高、分解较慢，属于抗性有机质，为慢更新碳库。因此，颗粒态有机质富集植物来源的较新鲜有机质，微生物利用性较高，而矿物结合态有机质，因植物源有机质组分基本分解，主要为微生物来源的有机组分。另外，微生物分解产物短期可能仍以分解中间状态的小分子有机组分存在，环境中迁移性较强，这部分主要是可溶性有机质。土壤中微生物生物体，在测定土壤有机质时也被检测到，且可以采用单独的熏蒸提取而测出来，这部分活的和死亡的微生物成为微生物生物量碳。一般地，微生物生物量碳占土壤有机碳的1%～3%，特殊情形下可能占5%。有机质丰富的土壤，颗粒态有机碳可能占主导地位，反之，以微生物来源为主的矿物结合态碳占优势。最近十多年气候变化研究日益证明，土壤中有机质积累实际上是植物源有机质不断被土壤/团聚体结合保护的结果，因此，土壤有机质与团聚体发育不可分割，土壤有机质的保持实际上是土壤团聚体的发育和稳定的过程，这将碳库与土壤结构紧密地联系起来。

土壤团聚体与土壤有机质连续体概念模型

土壤团聚体是矿物质—有机质—微生物相互作用形成的土壤基本颗粒，是土壤生物地球化学循环及土壤肥力和质量的基本反应单元，是土壤有机质储存的重要场所。团聚体的建成可以理解为有机分子与矿物质颗粒的结合，先形成有机—无机复合体，后通过新有机质（颗粒态有机质）胶凝为更大的团聚体。大团聚体是土壤中有机质—微生物—生物活性的功能活跃区域[4]，因为栖于其中的微生物往往选择保持有可利用碳组分（如颗粒态有机碳）的微生境。土壤有机碳库形态的多样性分布和有机质分子组成的多样化构成了土壤生物多样性，并潜在影响土壤的生态系统功能多样性。随着团聚体保护与封存在土壤固碳中越来越得到重视，了解团聚体尺度有机碳的稳定与微生物活性的关系是理解土壤固碳与生态系统功能协调关系的核心问题。

美国土壤学家莱曼（J. Lehmann）等人提出的土壤有机质连续体概念模型[5]，展现了土壤有机质理论应用的前景。该模型提出的观点涉及两个方面：一是土壤有机质分子的微生物分解与有机质分子在团聚体中的分布和空间隔离有关；二是有机质分子在团聚体中的存在与其和土壤矿物结合保护而避免微生物挖掘利用有关。因此，进入土壤的有机质的分解序列与其在团聚体中分布和结合稳定的序列存在契合关系。土壤中有机质是一系列既处于不同分解阶段又结合或保护于不同粒径团聚体的生命来源的有机分子集合。考虑到有机质的分解程度和微生物参与分解的区系序列，分解程度较低的生物大分子和主要参与初期分解的真菌及其残体多存在于粒径较大的团聚体中，而充分降解释放的较小分子以及主要参与后期分解的细菌及其残留物趋向于向较小团聚体集中。团聚体结构中土壤微生境多样性，可能赋予了土壤有机质的分子多样性与微生物区系及种群的多样性。

土壤有机质的功能

土壤有机质的积累改善了土壤质量并促进土壤功能，这尤其体现在农业生产力和土壤管理的可持续性方面。作为土壤的关键组成部分，有机质通过对土壤结构发育和地球生物化学过程的双重控制，对各种土壤过程起着调节作用，发挥着多种生态服务功能。这些功能主要表现在：①保障生物量生产和能源生产； ②维持土壤生物多样性；③提供养分、保水和保肥的功能；④固碳和稳定气候变化功能；⑤改善土壤物理结构的功能；⑥生物激活功能，即刺激土壤生物（包括根系）代谢活动的功能，也包括可矿化有机质对土壤微生物的激发效应。随着对土壤有机质含量、组成、结构和功能研究的深入和有机分子分离、检测和定量等有机化学分析及鉴定技术的提升，剖析土壤有机质的丰度、组成、结构及其生物活性的条件日益成熟，有机质研究终将由“黑箱”抵近“白箱”。

不同生态系统中的土壤有机碳库

陆地生态系统主要包括森林生态系统、草原生态系统、湿地生态系统与农田生态系统等。其中全球森林、草原和农田生态系统碳储量分别约占整个陆地生态系统碳储量的46%～56%、29%～31%和5%～8%。这些生态系统中土壤有机碳储量所占比例较大，其有机碳库变化和调控是陆地生态系统碳循环与气候变化反馈的核心机制。

森林生态系统 这是陆地生态系统中最大的碳储库和碳吸收汇。森林土壤按1米深估算，其有机碳储量达7900亿～9300亿吨，是全球土壤有机碳储库的主要贡献者[3]。按照生态系统的碳库估算，全球森林土壤层持有的有机碳库分布为：北方针叶林 4710亿吨，热带亚热带森林4800亿吨，温带森林1000亿吨，可见在全球碳库中，保护北方森林和热带森林具有优先地位。在中国，森林土壤有机碳主要储存于东北黑土区和热带亚热带红黄壤地区。北方苔原土壤碳库对日益加剧的全球变化最为敏感，而热带森林土壤碳库因植被退化最不稳定，所以温带森林土壤可能是大气二氧化碳浓度的主要调节者。

草原生态系统 这是世界上分布最广的植被类型。据估算，世界草原面积约为35亿公顷，有机碳储量达到7600亿吨，约占陆地生态系统总有机碳储量的15%，其中近90%以有机碳的形态贮存在草原土壤层中。在草原生态系统中，土壤有机碳的来源主要是植物残根和凋落物。草原中土壤有机碳主要集中于0～20厘米的表层土壤中，其中0～10厘米土壤有机碳含量是深层土壤（80～100厘米）的4～10倍。草原土壤随着水分递减，碳密度也在逐渐降低，其中黑钙土、暗栗钙土、栗钙土与同纬度的森林土壤碳密度相当[6]。

农田生态系统 全球农田耕地面积约为13.7亿公顷，其有机碳贮量约为1700亿吨，超过全球陆地有机碳贮量的10%。不同土地利用方式下土壤碳储量存在较大差异。例如，水稻土作为长期水耕熟化下形成的人为土壤，固碳能力显著高于其他农业土壤。在我国，近30万公顷的水稻土碳库为13亿吨，碳密度46吨/公顷以上，而农业土壤的平均有机碳密度仅为36吨/公顷左右。从农田土壤有机碳在剖面的丰度分布来看，表层土壤由于容易受到农业固碳措施的影响，其含量大大高于深層土壤。

湿地生态系统 这也是陆地生态系统的重要组成之一，尽管全球湿地面积仅占陆地面积的4%～6%，但因湿地植物较高的生物量生产率和较低的分解率，湿地土壤能够储存大量的有机碳。全球湿地土壤总碳库为5500亿吨，占全球陆地土壤碳库的1/3[7]。如果这些有机碳全部释放到大气中，大气二氧化碳浓度将增加约50%，全球平均气温将升高0.8～2.5℃。研究表明，湿地土壤有机碳密度，一般在150吨/公顷以上，很多沼泽和泥炭湿地的碳密度高达300吨/公顷。在一些泥炭沼泽湿地，表层土壤有机质含量高达50%以上。全球湿地碳绝大多数储存在泥炭地中，主要分布于北半球温带及寒带地区。湿地作为温室气体的储存库、排放源和吸收汇，对全球气候变化具有重要的影响，湿地开发因造成温室气体排放而越来越受到诟病。

农业土壤固碳措施

联合国政府间气候变化专门委员会第四次评估报告指出，农业温室气体减排潜力90%是通过土壤固碳，因此，通过适当的农业管理措施，农业土壤可以发挥较大的固碳作用，从而减少农业生产引起的土壤温室气体排放。农业上主要的土壤固碳措施有以下几种。

秸秆还田 它是常见的农业管理措施，也是重要的土壤固碳途径之一。作物秸秆是农业生产过程中的主要副产品，含有丰富的氮、磷、钾等营养元素和其他微量元素，是一种宝贵的可再生有机资源。秸秆还田不仅能改善土壤结构，增加土壤团聚体稳定性，提高土壤中养分含量，而且能促进作物生长，增加作物产量，尤其重要的是能增加土壤有机质含量、减少土壤温室气体排放[8]。据估计，秸秆约占生产性农作物总生物量的50%，全球范围内每年农业生产约产生40亿吨秸秆，具有巨大的固碳减排潜能。以中国江苏为例，2014年未被利用的秸秆资源相当于170万吨标煤，若将其全部还田，所返还的养分替代化肥可抵消36万吨二氧化碳当量温室气体的排放；若将其全部进行热裂解炭化，则可以生产近130万吨生物质炭，发电9.19亿千瓦时，所生产的生物质炭有机碳含量为77万吨，施入土壤相当于固碳280万吨二氧化碳当量。综合土壤固碳和稻田甲烷减排，推广秸秆“旱重水轻”还田技术（即主要还田于旱作季，尽量少还田于稻作季），中国农田每年可减少二氧化碳排放当量约2.1亿吨，相当于2000年中国全年二氧化碳排放量的6.2%。

生物质炭 它是有机物质在完全或部分缺氧的条件下低温热裂解生成的固态混合物，原料可包括作物秸秆、树木枝干、畜禽粪便和稻壳等，其在农业应用实现土壤固碳的技术近年来受到了广泛关注。由于生物质炭较为稳定，难以被微生物降解，使得其成为土壤的惰性碳库，只有5%的碳会通过土壤微生物的作用重新释放到大气，而土壤多固定了20%的碳。研究估计如果能将作物秸秆、树木枝干等转化为生物质炭施于土壤，而不是直接燃烧，全球尺度下碳排放将降低12%～84%。国际生物质炭组织估计，到2040年平均每年仅利用农林废弃物就可以减少3.67亿吨二氧化碳当量温室气体排放。就全球作物秸秆的利用情况来看，发展以及推广应用低温热裂解生物质炭技术，对于农业应对气候变化和实现粮食生产可持续发展具有重要的意义。

保护性耕作 自20世纪30年代以来，保护性耕作已经为世界各国广泛采用。据联合国粮农组织统计，目前全球保护性耕作面积约为1.7亿公顷，占总耕地面积的11%。随着全球气候变化加剧，人类逐渐认识到自身活动，特别是耕作对土壤温室气体排放的贡献，保护性耕作作为一项有效减少温室气体排放的措施受到特别关注。最新的研究表明，土壤有机质分解的关键在于有机质在土壤中失去团聚体的保护而被微生物所分解，在常规耕作模式下，土壤结构的破坏以及频繁的干湿交替作用，使原来受到团聚体保护的土壤有机碳暴露而被土壤微生物利用，导致土壤有机碳矿化速率提高，加速了土壤碳的释放。实施保护性耕作后，减少了对土壤的扰动，一方面降低了土壤有机质的矿化分解，另一方面还能够促进土壤团聚体的发育。研究表明，通过采用保护性耕作和其他农田管理措施，大约60%～70%的损失碳可被重新固定。全球范围内，如果采用保护性耕作等碳管理措施，每年从大气中吸收固定的碳量为 4亿～12亿吨，相当于全球每年排放量的5%～15%[9]。以美国为例，57%的耕地采用保护性耕作技术时，美国土壤的碳收集能力达到0.8亿～1.3亿吨；若有76%的耕地采用保护性耕作措施，美国土壤的碳收集能力将达到3亿～5亿吨，由此可见保护性耕作对于增加土壤碳汇和应对全球气候变化的重要意义。

土壤固碳与可持续农业

土壤有机质是耕地地力最重要的性状之一，是土壤质量和功能的核心。在农业生产中， 土壤有机质是至关重要的决定因子。对于我国一些粮食主产区来说， 年平均粮食单产水平与其耕地土壤的平均有机质水平密切相关。我国耕地面积约为1.3亿公顷，约占我国国土面积的1/8。以占全球不到9%的耕地养活了全球1/5的人口，我国农业一直担负着保障不断增长人口的粮食安全的重任。然而，就碳密度来说，我国土壤总体上低于世界平均值。因此，提高我国农业土壤的碳密度对提升土壤肥力和保障粮食生产具有重要意义。

提升土壤固碳本质上看是从其量的平衡角度关注有机碳在土壤的封存，因而增加有机质储存成为农业固碳减排的主要途径。通过改善农业发展模式、发展可持续农业、提高农田土壤碳储量，实现温室气体减排是应对全球气候变化的必然要求，同时，也是提升土壤质量和作物产量的必然选择。以生物质炭为例，因其具有良好的理化性质和高度稳定性，在农田应用中不仅实现短期土壤增碳的目标，而且还能改良土壤、降低土壤污染、改善作物的生长环境而提升产量和品质。

可持续农业要求实现生态环保、高效多元化发展。在应对全球气候变化的大背景下，只有将生产效益和生态效益相统一，探索固碳与保持土壤健康、提高作物产量协同的可持续发展农业道路，发展一种全新的以低能耗和低污染为基础的绿色农业经济，才能全面实现农产品优质化、营养化、功能化，从而达到农业生态系统的持续良性循环。

[1]方精云， 郭兆迪， 朴世龙， 等. 1981～ 2000年中国陆地植被碳汇的估算. 中国科学， 2007， 37（6）： 804-812.

[2]Post W M， Emanuel W R， Zinke P J， et al. Soil carbon pools and world life zones. Nature， 1982， 298（8）： 156-159.

[3]Dixon B R， Wisniewski E J， Houghton P J， et al. Carbon pools and flux of global forest ecosystems. Science， 1994. DOI： 10.1126/ science.263.5144.185

[4]Jastrow J D， Miller R M. Soil aggregate stabilization and carbon sequestration： Feedbacks through organomineral associations.// Rattan L， John M K， Ronald F F， et al. Soil processes and the carbon cycle. Washington： CRC Press， 1998： 207-223.

[5]Lehmann J， Kleber M. The contentious nature of soil organic matter. Nature， 2015， 528（7580）： 60-68.

[6]王紹强， 周成虎， 李克让， 等. 中国土壤有机碳库及空间分布特征分析. 地理学报， 2000， 55（5）： 533-544.

[7]Bridgham S D， Megoniga J P， Keller J K， et al. The carbon balance of North American Wetlands. Wetlands， 2006， 26 （4）： 899-916.

[8]田慎重， 宁堂原， 王瑜， 等. 不同耕作方式和秸秆还田对麦田土壤有机碳含量的影响. 应用生态学报， 2010， 21（2）： 373-378.

[9]Lal R. Soil carbon sequestration impacts on global climate change and food security. Science， 2004， 304（11）： 1623-1627.

关键词：土壤有机质 土壤碳库 土壤固碳 可持续农业 ■