土壤有机碳损失及影响因子研究进展 摘要：综述了国内外关于土壤有机碳储量及分布、土壤有机碳组成及分组、

土壤有机碳的迁移和流失产生的机理及其后果、土壤有机碳矿化及其影响因素、外源物质对土壤有机碳矿化的激发效应及其机理等方面的研究进展。

关键词：土壤有机碳；迁移；流失；矿化；激发效应 - 1 - 1.全球土壤有机碳储量及分布概况 土壤有机质（SOM）是由一系列存在于土壤中组成和结构不均一、主要成分为Ｃ和Ｎ的有机化合物组成。土壤有机质中所含碳为土壤有机碳。现有土壤有机碳的含量是土壤有机碳分解速率 、作物残余物数量、 组成植物根系及其他返还至土壤中有机物的函数。 1977年, Bolin根据不同研究者发表的美国9个土壤剖面的碳含量，推算全球土壤有机碳库存量为710Ｇｔ( 1Ｇｔ=109ｔ=10 15ｇ=1Ｐｇ）；1976年，Bohn利用土壤分布图及相关土组的有机碳含量，估计出全球土壤有机碳库储量2 946Ｇt，1982 年, Bohn和Schleisinger分别重新估计全球SOC库储量为2200Gt和1500Gt(土层深度为1ｍ)；1996年，Batjes将世界土壤图按经度、纬度划分为基本网格单元，计算出全球1ｍ土层的有机碳贮量为1462～1 548Gt。目前，普遍认可和引用的全球土壤有机碳储量为1400～1500Gt。其他学者研究还表明，在 2～3ｍ深度范围的土层中还贮存着约842Gt的有机碳。 土壤有机碳储量在不同类型、不同植被覆盖土壤中差异较大。Houghton研究表明，全球热带森林土壤中有机碳储量为187Gt，温带森林为117Gt，极地森林为241Gt，热带疏林及稀树草原为88Gt，温带疏林草原为251Gt，沙漠为108Gt冻土苔原为163Gt，耕地为131Gt，湿地为145Gt。Trumbor研究表明，热带土壤 0～23cm土层的碳储量与温带土壤相似，但热带土壤在深层存有更多的碳。森林植被下，表土层( 2～7cm)的有机碳含量可达到368mg/kg，其下深厚的腐殖质层 (约40～70 cm)的有机碳含量已较上层急剧减少；草本植被下，土壤有机碳的剖面变化较平缓；灰钙土、漠钙土因植物生物量很少，分解又很强烈，因而全剖面各土层的碳含量均极低[1]。 2.土壤有机碳组成

土壤有机质包括土壤腐殖质、动植物残体和活的有机体(包括土壤动物、作物根系和微生物体)。土壤腐殖质按化学分组可分为2类：①碳水化合物、碳氢化合物如石蜡、脂肪族有机酸、酯类、醇类、醛类、树脂类和含氮化合物等非腐殖质类物质；②土壤特有的腐殖质类物质，根据颜色和溶解性一般被分为富非酸、 胡敏酸、胡敏素。土壤中未分解的动植物残体和活的有机体被称作有机残体或土壤有机物，其中一部分是土壤动物和作物根系，另一部分是土壤微生物体[1]。 3.土壤有机碳储量的变化

土壤中的碳包括有机碳(Organic Carbon)和无机碳(Inorganic Carbon)，其中以 - 2 -

有机碳为主。土壤无机碳主要以碳酸盐的形式存在。土壤有机碳主要包括动、 植物残体以及微生物的排泄物、分泌物等，是土壤有机质的重要组成部分。土壤有机碳不仅能稳定和改善土壤结构、减少土壤侵蚀、提高土壤生产力及农产品质量，而且能为土壤生产力、土壤水文特性及以碳为基础的温室气体收支研究提供非常重要的信息。 近几十年来，由于森林的大面积砍伐、土地利用方式的改变和不科学的土壤管理措施，如耕作、过度放牧、林草地开垦、秸秆燃烧等，大量的土壤有机碳被氧化并以CO2等形式释放到大气中，破坏了土壤有机碳与大气碳间的平衡。Lal 等估计, 由于森林的砍伐，1850～1980年中国森林和草地损失了9.0Pg有机碳，平均每年释放0.07 Pg有机碳到大气中；Lal 指出，在热带地区，土地利用方式改变5 年后，土壤损失了50%有机碳；Bowman 等提出，在温带森林生态系统50年里也流失了同样数量的土壤有机碳。IPCC推算，历史上从土地利用变化过程中流失的土壤有机碳约为55 Pg。 在对全球土壤有机碳储量的估计中，由于不同研究者采用不同的估算方法及估算中存在各种不确定性，导致估计值之间存在较大的差异(表 1)。 表 1 不同研究者估算的全球土壤有机碳储量[2] 作者（年份） 储量 作者（年份） 储量 Robey(1951) 710 Smithetal.(1992) 1158.5 Schlesinger(1977) 1456 Somber ok e(1993) 1200 Bolin(1979) 1672 King(1995) 1537.2 Post(1982) 1395.3 Foley(1995) 1373.2 Moore.et al(1989) 1200 Jingyun Fang(1996) 1472

Prentice&Fung(1990) 1143 Mingkui.etal(1998) 1472 Adam et al(1990) 1395 Crammeretal(1999) 850~120 3.土壤有机碳损失机理 土壤有机碳的损失主要包括迁移、流失、分解矿化。土壤有机碳的迁移、流失主要包括土壤有机碳的扩散、对流和土壤侵蚀导致的土壤有机碳的损失；土壤有机碳的分解矿化主要是土壤有机碳的降解，包括物理、化学和生物降解，其中 - 3 -

主要是生物降解。目前，关于土壤有机碳损失的研究多集中在土壤有机碳矿化方面。 3.1土壤有机碳的迁移、流失

土壤有机碳库储量巨大，且在表层(0～20cm)富集，容易遭受水蚀和风蚀。这使得土壤侵蚀对土壤有机碳变化的影响更加显著。DeJongE等研究表明，全球损失的土壤有机碳大约50%是由于人为活动(加速侵蚀)与水蚀、风蚀、冻融侵蚀共同作用的结果。而在没有人类活动干预下的土壤正常侵蚀，不仅不破坏土壤及其母质，有时反而对土壤起到更新作用。 3.1.1土壤有机碳的扩散 有机碳在土壤中的扩散过程比较复杂，包括3个方面的影响：①生物作用，包括土壤中动物的输送作用和微生物的流通作用而导致有机碳的迁移；②化学作用，即土壤中有机碳的吸附、交换、降解；③物理作用，一部分可溶性有机碳随溶液迁移。因为表层土的微生物作用很强而且相对疏松，扩散率相对高一些，随着土层深度的增加，扩散率降低。 B.J.O’Brien等在研究土壤中有机碳的迁移时，用放射性碳同位素测试技术，得出扩散方程模型，该模型仅考虑到有机碳的扩散作用。法国的Abbas Elzein等进一步考虑对流的作用，建立了对流—扩散—吸附方程模型。模型中引入扩散系数，体现了微生物和物理扩散综合作用。 3.1.2土壤风蚀对土壤有机碳损失的影响机理 土壤风蚀是指松散的土壤物质被风吹起、搬运和堆积的过程以及地表物质受到被风吹起的颗粒的磨蚀等, 是风蚀过程的全部结果。风力侵蚀有巨大的卷挟起沙、搬移输运和空间再分配能力，可引起大规模的土壤有机碳的空间重分布和CO2 释放。风力侵蚀将带走土壤表层富含有机质的表土、破坏地表，一方面直接的减少土壤有机碳的含量，Pimental等研究表明，风蚀物质中SOC的含量是其表层土壤SOC的1.3～5.0倍；另一方面又破坏土壤结构、加速土壤有机碳的分解、减小肥力。Slater和Carleton研究表明，风蚀引起SOC的衰减是氧化损失的18倍。Su等研究沙化草地表明，开垦3年后，加速的土壤风蚀使0～15cm耕作层SOC含量下降了38%。 风蚀沙化首先是表层土壤中粘粉粒和极细沙组分被选择性地移出系统，土壤向粗粒化演变。对科尔沁沙地的研究表明，与粘粉粒结合的SOC含量分别是与 中粗沙和极细沙结合的SOC含量的6. 7倍和4. 1倍；其次，由于风蚀影响土壤 - 4 -

反射率进而改变了土壤湿度和温度条件，从而增加残余SOC的就地矿化速率；同时风蚀沙化降低了土壤持水性能、根系深度以及植物的水分和养分利用效率，土壤生产力下降，相应地归还土壤的有机物质降低，POC(颗粒有机碳)形成量减少。 3.1.3土壤水蚀对土壤有机碳损失影响机理 土壤水蚀是指土壤及其母质在水力作用下，发生的各种破坏、分离、搬运和沉积的现象。在我国，土壤水蚀分布范围涵盖了中东部大部分地区，其中黄土丘陵区的土壤侵蚀模数平均为15000t/km2.a，相当于每年流失掉表土1.2cm厚。土壤中的有机碳以粗有机质、细颗粒状有机质和与土壤矿物质的结合态存在，土壤受到侵蚀时粗颗粒易被破坏，导致土壤有机碳的释放。 水力侵蚀首先在径流的作用下将可溶性的有机碳、比重较轻的植物残体、 凋落物冲刷流失，其次将表土中的土壤颗粒剥蚀、搬运，造成富含有机碳的表层土 壤大量流失，从而直接减少土壤中碳储量。表层土壤大量流失进一步导致表土与亚表土混合，表土与亚表土混合促进了细土壤颗粒(粉粒和粘粒)向下移动，低SOC含量的亚表层混合导致团聚体质量变差，渗透性减慢，增大地表径流，形成恶性循环。 3.1.4土壤侵蚀对土壤有机碳分解矿化的影响 目前对土壤侵蚀过程中碳的分解转化还了解不多。Beyer等报道，在侵蚀迁移和沉积过程中，侵蚀土壤中有70%～80%的有机质将被矿化，而Jacinthe等认为，仅20%左右的迁移有机质被矿化。在对林地、耕地及河流沉积物中的有机碳、易矿化碳研究中，河流沉积物中的有机碳质量分数比森林土壤中的有机碳高 50%左右。在中国黄土丘陵地区，土壤侵蚀造成了有机碳在泥沙中的富集，且富集比大于1，泥沙中有机碳含量与侵蚀强度呈递减的对数关系。 3.2土壤有机碳的分解矿化 土壤有机碳分解是指有机碳在土壤微生物(包括部分动物)，土壤酶的参与下分解和转化的过程。土壤有机碳分解释放CO2的过程被称为碳矿化，它反映了土壤有机碳从有机物变成无机物(CO2)的过程。 目前，土壤有机碳矿化的研究多是为了确定不同土地利用方式或者大幅度区域的碳汇、减缓土壤温室气体排放、支持区域土壤碳平衡的研究以及研究碳循 环及响应环境变化的机理。在我国，对土壤有机碳矿化的研究主要见于土地利用及土地利用变化的影响，温度、水分、海拔的影响，施肥及碳、氮输入的响应以