土壤有机碳损失及影响因子研究进展
微生物对土壤固碳能力的影响研究
微生物对土壤固碳能力的影响研究近年来，随着全球气候变化问题的日益凸显，人们对于减少碳排放和固碳技术的研究越发重视。
而作为地球生态系统中重要的组成部分，土壤在固碳中扮演着至关重要的角色。
而微生物，作为土壤生态系统中功能多样且极为丰富的群体，对土壤固碳能力具有巨大的影响。
本文将探讨微生物对土壤固碳能力的影响，并讨论相关研究成果与前景。
一、微生物在土壤固碳循环中的作用微生物在土壤固碳过程中扮演着重要角色。
首先，微生物通过分解有机物质，将有机碳转化为无机碳，并释放 CO2 到大气中。
此外，微生物的呼吸过程也会产生 CO2。
这一过程被称为土壤呼吸，是土壤碳通量的重要组成部分。
另外，微生物还能够促进植物的生长，并通过植物残体的分解，将有机碳蓄积在土壤中，形成稳定的有机质。
此外，微生物还能够调节土壤的物理结构，增加土壤团聚体的形成，从而有助于碳的固定。
综上所述，微生物在土壤固碳循环中发挥着关键作用。
二、微生物多样性与土壤固碳能力微生物多样性对土壤固碳能力具有重要影响。
研究发现，微生物多样性越丰富，土壤固碳能力越高。
这是因为微生物的种类与功能是互相联系的，不同的微生物在固碳过程中发挥着独特的作用。
种类丰富的微生物群体能够更好地适应环境变化，并参与更多的固碳过程，从而提高土壤固碳能力。
此外，微生物多样性还能够增加土壤生态系统的稳定性，减少对外界环境变化的敏感性，从而维持土壤碳循环的稳定性。
三、微生物的生态功能与影响因素微生物的生态功能与土壤固碳能力密切相关。
首先，微生物的群体特征、生理状况和生物量等对其在土壤固碳过程中的作用起着重要的制约作用。
高生物量和活跃的微生物群体能够更好地参与有机碳的分解和转化，从而提高土壤固碳能力。
其次，土壤环境因子如温度、湿度、土壤质地等也对微生物的功能发挥产生重要影响。
不同的环境因子会改变微生物的生理代谢状况，进而影响土壤固碳能力。
此外，农业管理措施、土壤质量、植被类型等也会对微生物的生态功能产生影响。
土壤中总有机碳的测定
土壤中总有机碳的测定土壤中总有机碳的测定是土壤科学研究中的一个重要内容。
有机碳是土壤中的主要组成部分之一，对于土壤的肥力和生态系统的功能起着重要作用。
因此，准确测定土壤中的总有机碳含量对于土壤质量评价、农田管理和环境保护具有重要意义。
一、总有机碳的定义及意义总有机碳是指土壤中所有有机物质中的碳元素的总量。
有机碳是土壤中的有机质的主要组成部分，包括植物残体、动物残体、微生物体和土壤有机质的分解产物等。
土壤中的有机碳含量直接反映了土壤的肥力、保水保肥能力和养分供应能力。
同时，土壤中的有机碳还对气候变化和环境污染具有调节作用。
二、总有机碳的测定方法目前常用的测定土壤总有机碳含量的方法主要有干燥燃烧法、湿热酸化法和光谱法等。
干燥燃烧法是一种常规方法，通过将土壤样品干燥后进行高温燃烧，然后测定燃烧后的残渣中的碳含量来计算土壤中的总有机碳含量。
湿热酸化法则是将土壤样品与浓硫酸和高温下进行反应，使有机碳转化为二氧化碳，然后通过测定二氧化碳来计算土壤中的总有机碳含量。
光谱法则是利用土壤样品中的有机质特有的吸收光谱特征，通过光谱仪器来测定土壤中的总有机碳含量。
三、测定总有机碳的注意事项在进行土壤总有机碳含量的测定时，需要注意以下几点：1.样品的采集：应根据实际需要选择代表性的样品进行采集，避免污染和混杂。
2.样品的处理：样品在采集后应尽快进行处理，避免有机碳的损失和变化。
3.测定方法的选择：应根据实际需要和实验条件选择适合的测定方法，确保测定结果的准确性和可靠性。
4.仪器的校准：在进行测定前，应对仪器进行校准，确保测定结果的准确性。
5.数据的处理：测定结果应进行统计分析和数据处理，以得出准确的总有机碳含量。
四、总有机碳含量的影响因素及调控措施土壤中总有机碳含量受多种因素的影响，包括土壤类型、植被类型、土地利用方式、气候条件等。
为了提高土壤中的总有机碳含量，可以采取以下措施：1.合理施肥：适量施用有机肥和化肥，提高土壤中的有机质含量。
生物炭在土壤固碳方面的应用研究进展
生物炭在土壤固碳方面的应用研究进展生物炭是一种由生物质在无氧或低氧环境下热解而成的固碳材料。
它具有具有孔隙结构、高比表面积和良好的化学稳定性等特点，因此被广泛应用于土壤改良和碳固定领域。
下面将对生物炭在土壤固碳方面的应用研究进展进行探讨。
首先，生物炭作为土壤改良剂可以提高土壤质量，增强土壤水分保持能力和肥力。
研究表明，生物炭可以增加土壤水分保持能力，减少土壤中的水分蒸发和流失。
它的孔隙结构可以增加土壤孔隙度，改善土壤通气性和保水性，提高土壤肥力和作物产量。
此外，生物炭还可以吸附和保持土壤中的营养物质，如氮、磷、钾等，减少营养物质的流失，提高土壤肥力。
因此，生物炭在土壤改良方面的应用有助于固碳并提高土壤质量。
其次，生物炭可以降低甲烷和氧化亚氮等温室气体的排放。
研究发现，生物炭可以吸附和稳定有机物质，使其不易分解为甲烷等温室气体的前体物质。
此外，生物炭还可以提高土壤中的微生物活性，促进土壤中的硝化和反硝化过程，从而减少氧化亚氮的产生和排放。
因此，生物炭在减少温室气体排放方面具有潜力。
此外，生物炭还可以延缓土壤有机碳的分解和氧化过程，将其长期储存在土壤中。
研究发现，生物炭具有较高的化学稳定性，可以在土壤中长期存在。
它的孔隙结构可以保护生物质和有机质免于微生物分解，延缓有机碳的氧化过程。
此外，生物炭具有很长的生命周期，可以将固定的碳长期储存在土壤中，有效减少大气中的二氧化碳浓度。
总之，生物炭作为一种固碳材料，在土壤固碳方面具有广泛的应用潜力。
它可以改善土壤质量和水分保持能力，减少温室气体排放，延缓有机碳的分解和氧化过程。
然而，生物炭的应用还面临一些问题，如生产成本高和施用量的确定等。
因此，还需要进一步的研究来解决这些问题，并推动生物炭在土壤固碳方面的更广泛应用。
农田土壤-生物炭固碳减排的影响因素及潜力估算
农田土壤-生物炭固碳减排的影响因素及潜力估算随着人们对环境问题的日益关注，如何减少温室气体排放并实现气候变化的全球应对已成为全球亟待解决的问题。
作为全球最大的碳汇之一，农田土壤中的有机质含量对于温室气体减排至关重要。
在此背景下，生物炭固碳减排引起了广泛的关注。
本文将探讨生物炭固碳减排的影响因素及潜力估算。
一、生物炭固碳减排的影响因素1.生物炭性质生物炭的性质对其作为土壤改良物质、改善土壤结构、维持土壤肥力、促进植物生长、尤其是对固碳减排的效果有着决定性的影响。
生物炭的性质可以通过其原料、制备工艺、炭化条件等来调节。
例如，生物炭的炭化温度能够影响其孔隙结构大小，进而影响其吸附和贡献土壤的效果。
研究表明，炭化温度在500-600°C范围内，生物炭的孔隙度和比表面积最高，对减缓氮素和磷素的淋失以及固定碳贡献最大。
2.生物炭耕作方式农田生物炭的施用方式可以分为地里、覆盖、混拌和气氛炭等方式，不同的施用方式对于生物炭的固碳减排效果存在一定的影响。
表土施炭和深厚施炭是两种常见的施炭方式。
在表土施炭中，施炭深度通常为0-20 cm，在植物根系范围内施炭。
对于深厚施炭，生物炭可以直接施加到土层深处，以提高土壤总有机碳含量。
研究发现，浅层施炭方式更容易使得生物炭中的碳释放到气体中，而深层施炭则更容易使碳由于较高的压力等条件得以更好的积累。
3.土壤性质生物炭的施用效果还与土壤性质相关，不同的土壤类型和土壤质地会影响生物炭在土壤中的吸附和分解。
例如，沙壤土和红壤土对生物炭的吸附能力较强，所以生物炭在这类土壤中固碳的效果较好。
但在黏重土、黄壤等土壤中，生物炭的释放会比较缓慢，其固碳能力会减弱。
二、生物炭固碳减排的潜力估算生物炭固碳减排的潜力估算需要考虑多个因素，包括生物炭的碳储量、生物炭在农田土壤中的固存能力、不同土地利用方式中固碳减排的贡献程度等。
生物炭的碳储量生物炭碳储量的大小直接影响了其固碳减排的潜力。
土壤有机碳含量下降的原因
土壤有机碳含量下降的原因
一、土壤有机碳含量下降的原因
1、土壤质量退化
土壤质量的退化会引起土壤有机碳含量的下降，主要有以下几种原因：
（1）土壤有机质富集而减少：农业化肥施用过多，天然质地贫瘠，地表土壤和地下水中有机质被消耗，土壤微生物及其繁殖活动受到抑制，从而降低土壤有机质的积累速度；
（2）土壤破坏：农耕活动过度，土壤表层和深层受到剥蚀，土壤有机质不断流失，从而降低土壤有机碳含量；
（3）病虫害破坏：病虫害破坏土壤有机质，减少有机碳的积累，导致土壤有机碳的含量降低。
2、土壤微生物群落结构改变
土壤微生物群落结构的改变会导致土壤有机碳含量的变化。
微生物是构建土壤有机碳的重要因素，由于土壤的环境条件和外界环境压力的影响，微生物群落结构会发生变化，导致土壤微生物吸收、积累及消除有机碳的能力减弱，从而使土壤有机碳含量下降。
3、空间抽样误差
由于土壤有机碳的含量具有局部性的变化，而研究者在进行采样时，采样点异常分布，空间抽样误差高，从而影响采样结果的准确性，从而使得采样出的土壤有机碳含量不可信。
4、湿度波动
土壤水分决定生态系统的功能和稳定性，不同湿度环境会影响土壤有机碳的积累，湿度较高时，有机物的氧化分解影响会受到限制，导致土壤有机碳的积累较慢；湿度较低时，有机质的氧化分解会被加剧，导致土壤有机碳的含量下降。
综上所述，土壤有机碳含量下降的原因主要有：土壤质量退化，土壤微生物群落结构改变，空间抽样误差，湿度波动等原因。
土壤有机碳及其碳库特征
土壤有机碳及其碳库特征土壤有机碳是土壤中最重要的碳源之一，对于维持土壤生态系统的健康以及碳循环过程起着至关重要的作用。
土壤有机碳的含量及其碳库特征对土壤肥力、植被生长、温室气体排放等具有重要影响。
本文将从土壤有机碳的来源、转化过程、影响因素以及碳库特征等方面进行深入探讨。
土壤有机碳的来源主要包括植物残体、微生物、土壤动物和土壤中的有机废弃物等。
植物残体是土壤有机碳的主要来源之一，其分解过程会释放大量的二氧化碳到大气中。
微生物在土壤中的代谢作用也是土壤有机碳的来源之一，它们通过有机质的分解释放出二氧化碳和其他有机物质。
土壤动物的排泄物和尸体也会成为土壤有机碳的重要来源之一。
土壤中的有机废弃物主要来源于人类活动，如农业和工业废弃物等。
土壤有机碳在土壤中的转化过程主要包括碳的输入、分解、转化和输出等过程。
土壤有机碳的输入主要来源于植物残体、有机废弃物和土壤动物的排泄物等，这些有机物质在土壤中经过微生物和土壤动物的分解作用，逐渐转化为更加稳定的有机质。
有机质在土壤中的转化过程会受到土壤 pH 值、温度、湿度等环境因素的影响，不同的环境条件会导致有机质的分解速率和途径不同，进而影响土壤有机碳的含量与分布。
土壤有机碳的含量及其碳库特征对土壤肥力、植被生长以及全球气候变化都有重要的影响。
土壤有机碳的含量是衡量土壤肥力的重要指标之一，它可以影响土壤的保水保肥能力、通气性以及微生物群落结构。
土壤中的有机碳还可以影响植物的生长和发育，有机碳的供应越充足，植物的生长速度和产量就会越高。
此外，土壤中的有机碳还可以影响温室气体的排放，土壤中的有机碳含量越高，温室气体的排放就会越低，对减缓全球气候变暖具有一定的积极作用。
在研究土壤有机碳及其碳库特征的过程中，我们需要关注土壤中有机碳的含量和分布情况，探讨其与土壤肥力、植被生长以及全球气候变化之间的关联。
此外，还需要考虑土壤有机碳的来源、转化过程以及影响因素等方面，以全面了解土壤有机碳在生态系统中的作用与意义。
滨海不同生境湿地土壤有机碳官能团特征与其影响因子
《应用与环境生物学报》Chin J Appl Environ Biol Doi: 10.19675/ki.1006-687x.2020.11047滨海不同生境湿地土壤有机碳官能团特征及其影响因子李召阳刘晟刘嘉元李德生刘福德**天津理工大学环境科学与安全工程学院天津300384摘要近年来，围填海等滨海湿地的开发和利用活动较为频繁，造成滨海湿地土壤有机碳储量和分布格局不断发生变化，这对正确评估滨海湿地应对人为干扰的能力及制定合理的可持续发展对策是一种挑战。
以天津、东营和昌邑滨海地区的潮上带和潮间带湿地为研究对象，采用傅里叶红外光谱法研究不同生境滨海湿地土壤有机碳官能团的组成与数量特征，并结合理化性质的变化揭示土壤有机碳官能团的影响因子。
结果显示，东营、天津和昌邑湿地土壤有机碳官能团类型大致相同，其中糖类、脂肪类、氨基酸和酚类占比较大，芳香烃、苯类和酮类占比较小。
虽然不同地点滨海湿地的土壤有机碳官能团结构大致相同，但东营与天津湿地土壤各吸收峰强度显著大于昌邑湿地（P < 0.05）。
主成分分析结果表明前2轴累计解释了79.6%的土壤有机碳官能团的变化，表明上述官能团能够反映滨海湿地土壤有机碳的分布特征。
研究同时发现东营和昌邑滨海潮间带与潮上带湿地的土壤样品区分度较高，潮上带湿地土壤中属于疏水基团的烯烃类、酮类、苯系物和芳香化合物的吸收峰强度与相对峰面积显著大于潮间带，但天津采样点距离河口较近，淡咸水的交替作用使潮间带与潮上带区分并不明显。
蒙特卡洛检验结果表明土壤总磷（P = 0.002）、有机碳（P = 0.002）、总碳（P = 0.002）、总氮（P = 0.004）、pH（P = 0.006）和盐度（P= 0.03）对土壤有机碳官能团的数量分布均有显著影响，但土壤总磷含量的解释量最高，达到了39.7%。
综上，滨海湿地土壤有机碳官能团结构不随地点和生境发生变化，但其数量特征受植被生长和土壤理化性质影响显著，各理化性质中土壤总磷含量是影响滨海湿地土壤有机碳官能团数量分布最大的驱动因子，该发现对于氮磷输入比例日益增加的河口海岸湿地及近海水域富营养化的修复与治理尤为重要。
土壤碳循环研究进展及干旱区土壤碳循环研究展望_1
土壤碳循环研究进展及干旱区土壤碳循环研究展望许文强1，陈曦1，罗格平1，蔺卿2（1中国科学院新疆生态与地理研究所，荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆乌鲁木齐830011；2新疆水利厅，新疆乌鲁木齐830000）摘要：土壤碳库动态及其驱动机制是陆地生态系统碳循环与全球变化研究的热点问题之一。
随着各国对《京都议定书》的重视，农业土壤碳库变化及其“源汇效应”研究不断加强，但以往研究土壤碳循环主要是针对有机碳，较少考虑无机碳的作用和地位，干旱区土壤无机碳储量巨大，其在区域碳循环过程中的贡献日益显著，这使得干旱区土壤碳循环研究必须同时考虑土壤有机碳和无机碳的行为。
国内外关于农业土壤有机碳动态的研究主要围绕农业土壤有机碳储量、固碳潜力等问题展开，研究区多为湿润、半湿润地区；国际上对农业土壤无机碳动态的研究主要集中在干旱区土地管理措施对土壤发生性碳酸盐碳的形成与转化方面，研究方法以稳定同位素技术为主，但目前关于中国干旱区农业土壤无机碳动态的研究还较为薄弱。
因此，应加强干旱区绿洲土壤碳循环研究，深入分析干旱区绿洲土壤碳的“源/汇效应”；探讨土壤无机碳动态变化的机理。
关键词：土壤有机碳；土壤无机碳；土壤碳“源/汇”；稳定同位素；干旱区绿洲中图分类号：S153文献标识码：A文章编号：1000－6060（2011）04－0614－07（614 620）土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，土壤碳库动态及其驱动机制研究是陆地生态系统碳循环及全球变化研究的重点和热点之一，也是全球碳计划（GCP）、全球气候研究计划（WCRP）等一系列全球变化研究计划的核心问题之一〔1－4〕。
近年来，随着各国对《京都议定书》的重视，农业土壤碳库变化及其“源/汇”效应研究不断加强〔5－7〕。
土壤碳包括有机碳和无机碳，其中无机碳主要指存在于干旱土壤中的碳酸盐碳，由岩生性碳酸盐（Lithogenic Carbonate）碳和发生性碳酸盐（Pedogen-ic Carbonate）碳组成，而发生性碳酸盐在形成过程中可以固存大气CO2，其形成与周转对干旱区碳循环具有重要影响〔8－11〕。
植物凋落物分解对土壤有机碳稳定性影响的研究进展
第29卷第2期2022年4月水土保持研究R e s e a r c ho f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .29,N o .2A pr .,2022收稿日期:2021-03-04 修回日期:2021-04-03资助项目:国家自然科学基金(42077452,41771549) 第一作者:苏卓侠(1997 ),女,山西临汾人,博士研究生,研究方向为植物凋落物分解与土壤固碳㊂E -m a i l :S Z X 1212@n w a f u .e d u .c n 通信作者:上官周平(1964 ),男,陕西扶风人,研究员,博士生导师,主要从事旱地农业㊁植物生态研究㊂E -m a i l :S h a n g gu a n @m s .i s w c .a c .c n 植物凋落物分解对土壤有机碳稳定性影响的研究进展苏卓侠,苏冰倩,上官周平(西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨凌712100)摘 要:凋落物是植物向土壤输入有机碳的主要途径,源于凋落物的碳一部分以C O 2的形式散失到大气,另一部分以有机碳的形式输入到土壤中,在土壤微生物的作用下经过一系列的周转参与稳定有机质的形成㊂但土壤作为 黑箱 ,凋落物向土壤有机碳转移的过程和作用机理仍不明确㊂结合国内外该研究领域的主要成果,简要介绍了植物凋落物分解的研究方法㊁土壤有机碳组分及土壤有机碳稳定性,并从植物凋落物分解对土壤有机碳及其组分㊁土壤呼吸和激发效应㊁土壤微生物群落结构及酶活性的影响以及植物-土壤-微生物相互作用过程对有机碳稳定性的影响等方面进行概述,厘清植物凋落物分解与土壤稳定有机碳形成的关系,并提出了未来该领域亟待关注的研究方向和研究内容㊂关键词:凋落物分解;土壤有机碳;稳定性;微生物中图分类号:S 153;S 154 文献标识码:A 文章编号:1005-3409(2022)02-0406-08A d v a n c e s i nE f f e c t s o fP l a n tL i t t e rD e c o m po s i t i o no n t h e S t a b i l i t y o f S o i lO r ga n i cC a rb o n S UZ h u o x i a ,S U B i n g q i a n ,S H A N G G U A NZ h o u p i n g(S t a t eK e y L a b o r a t o r y o f S o i lE r o s i o na n dD r y l a n dF a r m i n g on t h eL o e s s P l a t e a u ,N o r t h w e s tA&F U n i v e r s i t y ,Y a n g l i n g ,S h a a n x i 712100,C h i n a )A b s t r a c t :L i t t e r i s t h em a i nw a y f o r p l a n t s t o i m p o r t o r ga n i c c a rb o n i n t o t h e s o i l .P a r t o f t h ec a r b o n f r o mt h e l i t t e r i s l o s t i n t o t h e a t m o s p h e r e i n t h e f o r mo fC O 2,a nd t he o t h e r p a r t i s i n p u t i n t o t h e s o i l i n t h ef o r mo f o rg a n i c c a r b o n .U n d e rth ea c ti o no fs o i l m i c r o o r g a n i s m s ,t h el i t t e r -d e r i v e dc a r b o nu n d e r go e sas e r i e so f p r o c e s s e s t o p a r t i c i p a t e i n t h e f o r m a t i o no f s t a b l e o r ga n i cm a t t e r .H o w e v e r ,t h e s o i l i s ab l ac kb o x ,a nd t he p r o c e s s a n dm e c h a n i s mof t h e t r a n s f e r o f l i t t e r t o s o i l o r ga n i c c a rb o na r e s t i l l u nc l e a r .T h i s a r t i c l e c o m b i n e s t h em a i n r e s u l t so f t h i s r e s e a r c hf i e l da th o m ea n da b r o ad ,a n db r ief l y i n t r o d u c e s t h er e s e a r c h m e t h o d so f p l a n t l i t t e r d e c o m p o s i t i o n ,s o i l o rg a n i c c a r b o n c o m p o n e n t s a n d s o i l o r g a n i c c a r b o n s t a b i l i t y,a n d s u mm a r i z e s t h e e f f e c t s o f p l a n t l i t t e r d e c o m p o s i t i o no n s o i l o r g a n i c c a r b o na n d i t s c o m p o n e n t s ,s o i l r e s p i r a t i o n ,p r i m i n g e f f e c t s ,a n d s o i lm i c r o b i a l c o mm u n i t y s t r u c t u r e a n de n z y m e a c t i v i t y a n d t h e e f f e c t o f p l a n t -s o i l -m i c r o o r g a n -i s mi n t e r a c t i o n p r o c e s s o n t h e s t a b i l i t y o f o r g a n i c c a r b o n .T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p l a n t l i t t e r d e c o m p o s i t i o n a n d t h e f o r m a t i o n o f s t a b l e s o i l o r g a n i c c a r b o n i s c l a r i f i e d .T h e f u t u r e u r g e n t l y ne e d e d r e s e a r c hd i r e c t i o n s a n d r e s e a r c hc o n t e n t i n t h i sf i e l d a r e p o i n t e do u t .K e y w o r d s :l i t t e r d e c o m p o s i t i o n ;s o i l o r g a n i c c a r b o n ;s t a b i l i z a t i o n ;m i c r o o r g a n i s m 土壤作为陆地生态系统最大的碳汇载体(1500G t),其碳储量超过了植被和大气碳储量的总和[1],在表层30c m 土壤中,有机碳储量每年增加4ɢ,就会抵消掉每年人为排放C O 2增量[2]㊂关于土壤中有机碳储存的一个关键问题是其在土壤中保留的时间长短即有机碳稳定性问题[3]㊂增加有机碳的存储和稳定是 双赢 的策略:除了缓解气候变化外,更高的有机碳还有助于改善土壤肥力㊁土壤结构稳定性和生产力㊂因此,土壤固碳效应及其稳定机制也成为当前土壤学㊁植物营养学和生态学研究的热点㊂在生态系统内,植物产生凋落物并将其归还给土壤,凋落物是分解者物质和能量的来源,是连接土壤碳库和植物碳库的重要组分,对陆地生态系统碳循环具有重大影响[4]㊂凋落物作为植物向土壤输入有机碳的主要途径,其分解过程中一部分碳以C O2的形式进入到大气中,另一部分以有机碳的形式输入到土壤中[5],源于凋落物的碳可能会导致原土壤有机碳(S O C)的分解(激发效应)或增加㊂目前对源于凋落物碳是如何固存在土壤中并稳定存在的机制仍然缺乏清晰的认识㊂因此,本文通过综述凋落物输入土壤后对土壤有机碳及其组分㊁土壤呼吸以及微生物特性的影响,以期厘清植物凋落物-土壤-微生物在稳定有机碳形成过程中的作用,从而全面理解土壤碳循环过程㊂1凋落物分解研究方法凋落物是指在生态系统中由植物组分产生并归还到土壤表面,为分解者提供能量和物质,从而维持生态系统功能的有机物质[6]㊂凋落物分解研究方法起步较早,常用的有尼龙网袋法㊁小容器法㊁室内分解培养法等[7]㊂尼龙网袋法操作简单,能最大程度模拟凋落物自然分解状态,目前常用于测定凋落物分解速率,但它耗时较长,且网袋孔径大小会限制土壤动物及微生物的活动,使得凋落物分解减慢㊂小容器法使内部微环境与外部环境完全隔绝,不能完全模拟自然环境下的分解㊂室内分解培养的方法即在室内模拟枯落物的自然分解状态,与野外试验相比,室内培养试验温度㊁水分等生境条件可人为控制,枯落物分解速率较快,可在短时间内使土壤总有机碳发生变化,但所得数据在非自然状态下产生,只具有相对意义㊂在森林生态系统中,经常用凋落物添加和去除试验(D I R T,D e t r i t u s i n p u t a n d r e m o v a l t r e a t m e n t s)来研究凋落物分解,又称凋落物添加和去除转移试验(D I R T),它是研究植物凋落物输入来源和速率如何影响森林土壤有机质(S OM)和养分的积累和动态的重要手段[8]㊂随着科技的发展,近红外光谱分析技术(n e a r i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y,N I R S)㊁核磁共振技术(n u c l e a r m a g n e t i cr e s o n a n c e,NM R)㊁气相色谱-质谱(g a s c h r o m a t o g r a p h y-m a s s s p e c t r o m e t r y,G C/M S)等技术已经应用于凋落物分解及土壤固碳方面的研究㊂近红外光谱分析技术(N I R S)是利用化学物质在近红外光谱区的光学吸收特性,快速测定某种样品中的一种或多种化学成分含量和特性的技术[9]㊂核磁共振技术(NMR)具有无损和非侵入等特点,可了解凋落物不同有机碳组分的分解特征,从而得知不同凋落物组分在土壤中的相对稳定性,及其对S O C形成和稳定的贡献程度[10]㊂同位素法可以让有机物处在自然环境中,不会改变它们的生境要素㊂A l m e i d a等[11]提取了同位素标记(13C)的桉树(E u c a l y p t u s g r a n d i s ˑE.u r o p h y l l a)植物的叶子㊁树枝㊁树皮和根,然后采用G C/M S系统观测了各组分的分子组成,将植物凋落物的生物化学组分㊁分解特性和土壤有机质的形成联系了起来,其耦联分析方法为深入探究凋落物分解在S O C形成㊁稳定中的作用提供了重要的技术手段,对于定量理解植物凋落物的转化和稳定S O C的形成等生物地球化学过程具有重要意义㊂2土壤有机碳组分及土壤有机碳稳定性土壤有机碳(S O C)在全球碳循环中扮演了重要角色,通过储碳和充当温室气体排放的碳库来缓解潜在的气候变化[12]㊂土壤中有机碳相对组成的差异往往会导致土壤有机质的稳定性不同[1]㊂P a r t o n等[13]将S O C分为活性碳库㊁慢性碳库及惰性碳库等㊂其中,活性碳库也被称为易分解碳库,是容易被土壤微生物分解矿化的碳库,对植物养分供应起着直接作用,活性碳库的周转率为几周㊁几月或者几年;慢性碳库活性介于活性和惰性碳库之间,也被称为难分解有机碳,其周转率长达几十年;惰性碳库是指存在于土壤中的惰性碳和极难分解的被物理保护的部分有机碳,其物理化学性质非常稳定,转换时间为数百至数千年㊂活跃的和稳定的有机碳在土壤碳库周转和养分循环中起不同的作用㊂不同组分碳代表着不同功能碳库,具有不同周转期,通常活性有机碳对生境因子变化的反应比总有机碳更为敏感[14]㊂根据土壤有机碳提取方法的不同,可以从物理-化学-生物化学等不同的视角对有机碳进行分组(表1)㊂物理组分是基于有机碳化合物与矿物质结合状态进行分组,化学分组是基于不同的浸提剂与土壤有机碳化合物的相互作用,生物分组是区分活体细胞与死亡细胞㊂近年来对生态系统S O C稳定性机制的研究,一直是生态学与土壤学关注的热点领域,但仍未达成一致意见[18]㊂土壤科学经典的观点认为,稳定的有机质由腐殖质等化合物组成,由于其复杂的高度芳香的结构而抵抗分解㊂M a r s c h n e r等[19]假设认为稳定的S O C库由难分解的有机分子组成,如木质素等,由于其复杂的化学结构,在植物组织腐烂过程中被选择性地保存下来㊂L o r e n z等[20]认为有机碳长期稳定经历两个重要的过程:(1)物理保护过程,即分解者或其水溶性降解酶在空间上无法接近有机碳;(2)有机矿物配合物和有机-金属相互作用,即有机碳与矿物㊁金属离子和其他有机物的相互作用㊂物理保护可能会使有机碳分解延缓几十年到几百年,而有机矿物配合物或有机金属相互作用可能是几个世纪到几千年大多数有机碳稳定的原因[21]㊂随着研究手段与技术的704第2期苏卓侠等:植物凋落物分解对土壤有机碳稳定性影响的研究进展迅速发展,更多研究关注微生物对稳定土壤有机碳的调控,并提出新的S O C 形成和稳定机制 土壤微生物碳泵(m i c r o b i a lc a r b o n p u m p,M C P )概念体系 [22],即微生物通过同化作用将有机碳合成为自身生物量,再通过残留物形式不断输入到稳定土壤有机碳库中㊂这一概念体系强调了土壤微生物同化合成产物对于土壤稳定有机碳库形成的重要作用,对深入认识陆地碳汇功能和应对气候变化具有重要意义㊂表1 土壤有机碳组分分类名称界定特点参考文献物理组分(按粒径分)颗粒态有机碳(P O C )通常由未分解或半分解的动植物残体和根系残体组成,是与土壤砂粒组分结合的那部分有机碳相对未受保护的有效碳库,周转速度较快[15]矿质结合态有机碳(MA O C )是与黏粒和粉粒结合的那部分碳有相对较长周转时间,性质较稳定化学组分溶解性有机碳(D O C )能通过0.45μm 微孔滤膜且能溶于水㊁酸或碱的有机物质占土壤有机碳的比例一般不到3%,但它是土壤微生物的主要能源[16]易氧化有机碳(R O C )能被330mm o l /L 高锰酸钾氧化的碳,该组分可基本区别土壤稳定性碳占土壤有机碳总量的13%~28%,在土壤中移动比较快㊁不稳定㊁易氧化㊁分解㊁矿化[17]生物组分微生物量碳(M B C )土壤中体积<5000μm 3活的和死的微生物体内碳的总和在土壤碳库中占比很小,是土壤中最活跃的有机碳组分[14]3 凋落物分解对土壤有机碳库稳定性的作用机理凋落物是生态系统的重要组成部分,凋落物分解作为生态系统物质循环的核心过程,参与生态系统中养分的周转与循环,对生态系统健康可持续发展起着重要作用[23],凋落物的分解也影响着生态系统碳平衡㊂凋落物在土壤碳动态转化中发挥着重要作用(图1)㊂图1 凋落物碳在土壤碳库的动态转化3.1 凋落物对土壤有机碳及活性碳组分的影响凋落物是影响S O C 周转的重要驱动力,是S O C 形成的重要来源(图1)㊂P a l v i a i n e n 等[24]研究表明全球森林生态系统每年通过凋落叶分解归还到土壤有机碳含量约为50G t ㊂凋落物分解对有机质形成的贡献主要通过两个路径:(1)高质量凋落物(通常是水溶性碳)快速降解,在稳定在矿质结合态有机质之前,被微生物或其他土壤有机体同化㊂(2)植物结构性物质被机械拉开,直接通过物理方式掺入下层矿物土壤的颗粒有机质中[25]㊂较高的生物量或凋落物产量并不意味着较高的土壤有机碳储量㊂凋落物分解过程中产物去向决定了土壤有机碳的赋存状态,高质量的凋落物其分解产物向土壤转移的比例更高[26]㊂添加凋落物对土壤有机碳含量的影响表现为增加或影响不显著[27]㊂M i t c h e l l 等[28]使用13C 同位素标记作物残体,追踪新鲜残余物进入到土壤组分的命804 水土保持研究 第29卷运,结果表明植物残体输入使土壤中源于凋落物有机碳增加了4~5倍,同时也抑制了原土壤有机碳的激发效应㊂源于凋落物的溶解性有机碳(D O C)被微生物群落所固定,并固存在森林土壤中[29]㊂Z h o n g等[4]研究表明凋落物添加显著增加了各恢复阶段土壤水溶性碳氮的含量,说明这些来自凋落物分解的养分输入增强了其在土壤中的浓度㊂此外,凋落物分解过程中所释放的挥发性有机化合物(V o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d,V O C)能够直接扩散到土壤基质中,具有促进稳定矿质结合态有机质形成的潜力,V O C可能是植物来源的碳进入土壤并促进有机质形成的重要机制[25]㊂3.2凋落物分解对土壤呼吸及激发效应的影响凋落物是土壤呼吸的重要碳源,凋落物分解是养分循环的核心过程(图2)㊂它通过改变土壤微环境条件[30]㊁增加土壤碳的有效性[31],影响根系生长和土壤微生物结构和功能等[32],进而影响到土壤呼吸过程㊂图2凋落物分解与土壤呼吸间的关系关于凋落物分解对土壤呼吸的影响已有许多工作,不少研究表明添加凋落物能促进土壤呼吸,如Z h o n g等[33]对子午岭完整的次生林演替序列进行研究,发现未添加凋落物时,由于演替后期土壤养分有效性提高,演替后期的土壤呼吸更高;但添加凋落物后,演替前期土壤呼吸最高,表明在演替早期微生物分解能力较强,这一发现表明新碳源(凋落物)的添加可能在形成微生物功能方面发挥重要作用㊂Y a n等[34]研究同样表明微生物呼吸作用随演替而增加,并且添加凋落物显著促进了微生物呼吸(16.5%~72.9%),特别是在演替初期(草地和灌丛)㊂凋落物输入和清除处理(D I R T)试验为研究地上凋落输入对土壤呼吸的影响及植物碳输入对土壤的贡献提供了一个很好的机会㊂W a n g等[35]对杉木林进行了4a的碳输入模拟,发现减少碳输入会显著减少土壤呼吸㊂土壤异养呼吸(由微生物分解的土壤有机质)占土壤总呼吸的52.1%,地上新近凋落物分解和地下自养呼吸(活根和相关微生物)分别占土壤总呼吸的23.7%,24.2%㊂众多研究均表明凋落物添加能促进微生物呼吸,但不同类型凋落物分解对促进土壤微生物呼吸的程度以及对固碳的影响仍有待进一步探究㊂激发效应(p r i m i n g e f f e c t,P E)是连接土壤中碳输入和输出的机制之一,实际上P E被定义为在加入一定量的新鲜有机质后土壤有机质分解速率的变化[36]㊂外源基质输入的改变会通过激发效应改变土壤有机碳储量㊂添加基质引起有机物分解的增加为正激发效应,反之为负激发效应[37]㊂P E的大小和方向取决于添加的底物的量和化学计量及底物的化学结构,不稳定底物比顽固性904第2期苏卓侠等:植物凋落物分解对土壤有机碳稳定性影响的研究进展底物具有更大的激发效应[38]㊂关于激发效应的本质可用两种替代机制来解释,即 化学计量分解 理论( s t o i-c h i o m e t r i c d e c o m p o s i t i o n t h e o r y)和 微生物氮挖掘 理论( m i c r o b i a l n i t r o g e nm i n i n g t h e o r y)㊂ 化学计量分解 理论[39]指当底物化学计量与微生物需求相匹配时,快速生长的微生物(R-策略)可能会由于微生物活性的增加而刺激有机质的分解㊂而 微生物氮挖掘 理论(也被定义为优先底物利用)[40]强调当外源碳充足时,P E的方向取决于氮的可用性㊂具体来说,基质中高比例的碳氮比可能导致正的P E,因为微生物必须分解更多的土壤腐殖质来获得足够的氮来满足它们的需求㊂相比之下,基质中较低的碳氮比通常会导致负的P E,从而限制了有机碳的分解㊂最初认为微生物对土壤有机质分解的贡献受微生物群落的生长策略和氮有效性的控制,但随着分解的进行,这两种机制也可能随着时间的推移而变化,这可能与不同演替阶段微生物群落和功能有关㊂此外,增加底物输入引起的S OM分解温度敏感性(Q10)的变化也决定了陆地碳平衡对全球变暖的响应[41]㊂目前,凋落物添加对土壤微生物呼吸和温度敏感性的影响尚无一致结论㊂较多的研究发现难分解有机碳的Q10要大于易分解有机碳的Q10,如C h e n 等[42]研究表明秸秆添加降低了土壤微生物呼吸的温度敏感性,但与秸秆类型无关㊂W a n g等[41]探究在不同林型中增加凋落物对土壤有机质分解的温度敏感性的影响,结果表明针叶林土的Q10由不添加凋落物处理的2.41降低到增加凋落物处理的2.05,阔叶林土壤Q10由2.14降低到1.82,表明增加凋落物降低了Q10㊂这一现象可以用碳-质量-温度(C Q T)假说来进行解释,即复杂底物的分解需要更高的总活化能,因此比简单的碳底物的分解对温度的升高更为敏感[43]㊂但也有研究发现难分解有机碳的Q10并不比易分解有机碳的Q10值高,如两种凋落物处理的土壤碳分解均比单纯土壤处理对温度更敏感(Q10更高)[44]㊂所以,关于凋落物分解对土壤有机质分解的温度敏感性仍有待进一步研究㊂改善全球变暖条件下土壤有机碳动态的预测对于理解温度和凋落物输入对S O C分解的共同作用具有重要意义㊂3.3凋落物分解对土壤微生物群落结构及酶活性的影响凋落物分解的主要参与者是土壤微生物,在凋落物分解过程中微生物把大分子有机物分解为能够被植物吸收利用的小分子物质,对植物生长和土壤改良等起着重要作用㊂首先,凋落物自身特性会影响到土壤微生物群落㊂凋落物的数量与质量[45]㊁组成[46]㊁多样性等[47]都会影响着土壤微生物的群落结构㊂陈法霖等[48]研究表明,添加桉树凋落物的土壤中细菌㊁真菌㊁放线菌以及磷脂脂肪酸的总丰度显著高于不添加凋落物的土壤㊂源于凋落物的挥发性有机组分(V O C)也能影响细菌和真菌群落的多样性和组成[25]㊂真菌和细菌的比值常用来反映分解过程中微生物群落结构的变化及评价生态系统的稳定性,真菌/细菌的比值越高,表明真菌的生物量及菌丝体增加,能够固定更多的养分,使得土壤生态系统更加稳定㊂其次,凋落物分解通过改变土壤环境影响到土壤微生物群落结构㊂凋落物初始养分含量及分解过程中养分的释放对土壤微生物的生长与分布具有一定的选择作用,凋落物碳氮比越低,越易分解,会向土壤输送大量有机碳,且分解过程中温湿度增加会进一步促进微生物的生长[49]㊂树木通过凋落物和根部形成周围环境,从而产生小规模的异质性,并可能控制土壤生物的群落模式㊂土壤酶是土壤微生物作用于土壤环境的媒介,它是由微生物活动㊁植物根系分解以及动植物残体腐解的过程中释放到土壤中具有催化作用的生物活性物质㊂它是最活跃的土壤有机组分之一,反映了土壤中生物化学过程的方向及强度,对土壤生态系统有机碳的固定具有重要作用[50]㊂H u等[51]研究发现与单一叶凋落物相比,杉木[C h i n e s e f i r-C u n n i n g h a m i a l a m c e a l a t a (L a m b.)H o o k]㊁枫香(L i q u i d a m b a f o r m o s a n a H a n c e)及桤木(A l n u s c r e m a s t o g y n e B u r k)混合凋落物处理更利于土壤酶活性(脲酶㊁转化酶㊁脱氢酶活性)升高;凋落物分解过程中释放的D O C促进了胞外酶的活性[52]㊂G e 等[53]发现马尾松(P i n u sm a s s o n i a n a)人工林凋落物剩余质量与酶活性之间呈显著的线性关系,突出了酶活性在影响凋落物分解过程中的重要作用,这将进一步影响森林生态系统中的养分循环㊂总的来说,凋落物添加之后酶的活性会上调,但上调的程度取决于凋落物类型[54]㊂但部分树种凋落物中含多酚类或单宁等次生代谢物质,可能会使土壤酶的结构在一定程度上遭到破坏,抑制土壤微生物的活动,进而抑制土壤酶的产生,严重时还会导致部分土壤酶失活㊂3.4植物-土壤-微生物相互作用过程对有机碳稳定性的影响研究表明,多种因素可以影响碳封存和有机碳稳定性,包括植物(植被覆盖㊁凋落物㊁根系分泌物㊁细根)㊁土壤(土壤类型㊁土层深度以及矿物学)以及微生物(群落组成㊁功能基因)等[12,15],但植物-土壤-微生物相互作用过程对有机碳稳定性的影响还有待进一步研究㊂不同植被恢复年限和不同土层深度有机碳的稳定014水土保持研究第29卷性存在一定的差异㊂在早期恢复阶段,植被组成和多样性相对简单,群落结构不稳定,地上植被进入到土壤中的S O C相对较少,土壤有机碳分解和转化活动较弱,土壤有机碳相对稳定㊂随着恢复年限的增加,植被组成结构变的多样化和稳定,凋落物量㊁细根和根系分泌物显著增加,更多的有机物质进入到土壤中,土壤微生物活动增加,加速了土壤活性有机碳的分解和转化,降低了土壤有机碳的稳定性[55]㊂此外,植物碳的输入主要决定了土壤碳在表层土壤中的长期持久性,而矿物保护则在底层土壤中占主导地位[56]㊂深层土壤有机碳主要来源于根部残留物和分泌物,随着土层深度的增加,各恢复类型土壤有机碳和活性有机碳含量逐渐降低,土壤渗透性差㊁微生物分解活性和根系吸收减少,有机质的输入受到限制,且分解者难以接近深层土壤有机碳,因此,有机碳稳定性增加[57]㊂在演替的过程中,演替早期微生物群落的生长主要受土壤养分的限制,一般来说,演替早期微生物碳分解基因丰度较高,与氮分解相关的基因丰度增加,导致凋落物的快速分解和土壤养分的增加㊂随后,主要的资源限制从养分限制转换为另一种环境因子的限制㊂因此,在演替后期,充足的土壤养分有效性可能导致微生物碳分解基因丰度的下降,导致演替后期凋落物的分解速率的降低[33]㊂微生物在介导凋落物分解过程中发挥着重要作用,凋落物-微生物-土壤环境三者之间是互相调控的一个动态过程,通过这一系列的反馈与调控,实现生态系统的平衡和稳定(图3)㊂图3凋落物特性-微生物-土壤环境互相调控的动态过程4研究展望凋落物分解对土壤固碳及其稳定性方面的研究已有不少,但土壤作为 黑箱 ,土壤有机碳的转移和固定仍存在着很大困难,未来需要生态学㊁植物学和土壤学工作者的关注㊂因此,未来亟待强化如下3个方向的研究工作:加强地上-地下凋落物分解对土壤碳动态影响的协同作用机制研究㊂目前凋落物分解对土壤碳动态的研究多关注凋落叶的分解,而忽略了地下凋落物对土壤有机碳库的贡献㊂一般来说,植物根以根凋落物和根沉积碳的形式向土壤提供有机碳,来控制和影响土壤有机碳的动态㊂根通常与菌根菌丝结合形成土壤团聚体来促进土壤有机碳的稳定㊂此外,根是一个分级系统,不同直径级别的根的形态㊁根沉积物的数量和质量㊁化学计量特征以及菌根真菌性状等方面存在差异,会对分解过程产生影响㊂植物地上/地下生物量是一个相互联系的有机整体,在植物生长过程中存在着不同的碳分配策略,未来应加强研究地上/地下凋落物分解对土壤碳动态的协同效应㊂加强植物凋落物向土壤有机质转化的微生物学机制的研究㊂在考虑影响凋落物分解的食物网中,不仅要考虑到土壤动物(如蚯蚓,线虫)对凋落物的破碎作用,也要关注土壤微生物对凋落物的腐解作用㊂土壤微生物具有分解与合成有机质的双重功能,因此,将凋落物分解的土壤微生物学过程与土壤有机质(碳)的稳定性联系在一起,是未来研究的重要课题㊂此外,目前凋落物分解试验的周期较短,短期的室内分解无法反映真实的分解状态,应加强室内模拟与长期野外分解的连结性㊂加强新一代技术手段的开发与应用㊂凋落物通过影响土壤微生物活性和土壤酶的能力来调控土壤碳循环,但是关于凋落物分解对碳代谢相关功能基因的调控仍然缺乏清晰的认识,未来有望结合代谢组学等技术在该方面进行深入研究㊂此外,目前缺乏对凋落物-土壤有机质-微生物系统不同来源碳的输入㊁转化和稳定的定量研究,未来可进一步结合稳定同位素示踪技术,明确凋落物输入后外源碳在土壤中周转和稳定过程之间的关系,认识土壤固碳的本质㊂参考文献:[1] L e h m a n nJ,K l e b e r M.T h ec o n t e n t i o u sn a t u r eo fs o i lo r g a n i cm a t t e r[J].N a t u r e,2015,528(7580):60-68.[2] P a u s t i a nK,L e h m a n nJ,O g l eS,e t a l.C l i m a t e-s m a r tS o i l 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土壤有机碳密度变化的影响因素
土壤有机碳密度变化的影响因素
土壤有机碳密度变化的影响因素
土壤是一个充满活力的生命环境，它承载着大量的有机物质，其中有机碳密度的变化受到多种因素的影响，具有重要的生态学意义。
下面将详细介绍土壤有机碳密度变化的影响因素。
首先，气候是一个重要的影响因素。
气温对有机碳的转化具有重要的作用。
当气温极低时，有机物的分解就会变得很慢，从而减少有机碳的消失，从而影响土壤有机碳密度。
另外，降水量也是影响有机碳密度的重要因素。
当降水量增加时，土壤有机碳含量会逐渐增加，有机碳密度也会增加；相反，当降水量减少时，有机碳的分解速率加快，有机碳密度会减少。
其次，土壤理化性质也会影响土壤有机碳密度的变化。
例如，土壤中的酸碱度是有机物分解演化的重要因子，当酸碱度偏高时，有机碳分解的速率加快，会导致有机碳密度的下降；而当酸碱度偏低时，有机碳分解速率减缓，有机碳密度会上升。
此外，土壤类型也会影响碳的分解，通常含粘土量较多的土壤中生物活性更强，有机碳分解的速率也更快，有机碳密度也更容易下降。
最后，土壤有机碳密度也受到土地利用方式的影响。
土地利用变化可能会导致植物群落的变化，从而影响土壤有机碳的分解速率，从而进而影响土壤有机碳密度的变化。
例如，如果采取耕作管理的话，有机碳的分解速率会加快，从而使土壤有机碳密度下降；如果采取草原保护，植物群落比较稳定，有机碳分解速率较慢，有机碳密度也更容易上升。
综上所述，气候、土壤理化性质以及土地利用方式都是影响土壤有机碳密度变化的重要因素，了解并控制这些因素，有助于调节土壤有机碳密度，从而达到生态环境的平衡状态。
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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