农田生态系统土壤碳固持效应研究

蔡苗

摘要：指出了农田生态系统在陆地碳循环中具有重要地位且受人为活动影响较大，通过实施合理科学的土地管理措施，稳定和提高农田土壤碳库贮量，对于保证全球粮食安全与缓解气候变化趋势具有双重的积极意义。详细论述了全球及我国土壤有机碳库和无机碳库的固持总量以及农田土壤固碳的潜力，分析了农田管理中的土地利用方式、种植制度、施肥措施、灌溉条件等分别对土壤有机碳库和无机碳库的影响，以期为提升土壤碳库总量、提高农业生产力、缓解气候变化等提供参考。

关键词：土壤有机碳贮量；土壤无机碳贮量；农田管理；残体分解

中图分类号：S153.6

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）18000104

1引言

自20世纪80年代以来，减少温室气体排放和增加陆地生态系统碳汇成为全球变化研究的热点＼[1＼]。土壤有机碳库是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一，而土壤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，在全球碳循环过程中的贡献日益显著＼[2＼]。

农田生态系统在陆地碳循环中具有重要地位且受人为活动影响较大，通过合理科学的土地管理措施，稳定和提高农田土壤碳库贮量，对于保证全球粮食安全与缓解气候变化趋势具有双重的积极意义＼[3＼]。作物残体分解是土壤有机质的重要来源＼[4＼]，施用化肥在提高作物地上产量的同时也增加了地下根系残体的数量。研究肥料施用对根茬养分组成及其分解特性的影响，对于揭示根系分解在土壤碳循环过程中的作用，以及科学栽培、合理施用化肥，促进农业可持续发展和增加土壤固碳等方面具有重要的理论及实践意义。

2土壤碳库固持总量研究

土壤碳固持是指将大气中的CO2转化为土壤碳组分的过程，该过程主要通过：①植物的光合作用，通过土壤中的作物残体和其他生物固体的腐殖化过程将碳以土壤有机碳的形式贮存下来；②在干旱、半干旱气候条件下，土壤碳固持通过将土壤气体中的CO2转化为无机形式，生成次生碳酸盐，或者通过碳酸氢盐向地下水的淋溶过程中捕获CO2气体＼[5＼]。

陆地生态系统碳库总量接近3170 Pg，其中，大约80%碳库（2500 Pg）贮存在土壤中。土壤碳库包括有机碳库（1550 Pg）和无机碳库（950 Pg），是大气碳库（760 Pg）的3.3倍，生物碳库（560 Pg）的4.5倍。作为陆地生态系统中最大的碳库，土壤碳库与大气碳库联系非常紧密，土壤每增加1 Pg碳贮量，将能够相应地降低大气CO2浓度0.47×10-6，反之亦然＼[6＼]。

2.1土壤有机碳贮量

有机碳是土壤的重要组成部分，在土壤肥力、环境保护与农业可持续发展方面具有重要意义＼[7＼]。在湿润、半湿润地区，土壤碳库以有机碳形式贮存为主。国际上用多种模型估算出的全球土壤总有机碳库为1288～1939 Pg，在1 m土层深度的有机碳贮量范围为1200～1600 Pg＼[8～10＼]，而上层土壤（30 cm）有机碳库约为684～724 Pg＼[11＼]。Lal＼[12＼]近年来采用1500 Pg作为全球土壤总有机碳库的估计值。Jobbágy和Jackson＼[13＼]估算得到，在3 m土层内，全球土壤的有机碳库贮量为2344 Pg，56%（1502 Pg）以上分布在1 m深土层。

王绍强等＼[14＼]运用我国第一次土壤普查资料结合中国土壤分布图，估算得到中国土壤总有机碳库为100 Pg，运用第二次全国土壤普查资料的计算结果为92 Pg。潘根兴＼[15＼]按照《中国土种志》中全部约2500个土种的有机碳含量资料的计算结果为50 Pg，这与我国国土面积相近的加拿大的180 Pg相比甚低，且表层土壤有机碳贮量占全球的4.4%，说明我国土壤有机碳的表聚性比较突出。方精云和陈安平＼[16＼]估算提出中国土壤总有机碳库高达185 Pg，其所运用的方法是土壤都均一化为1 m厚度。

2.2土壤无机碳贮量

不同研究者对全球0～1 m土层的土壤无机碳贮量估算范围变化较大，从695～748 Pg＼[10＼]到1738 Pg＼[17＼]。土壤无机碳包括原生（母质）碳酸盐和次生碳酸盐（主要是方解石），造成对土壤无机碳库贮量估算值差异较大的主要原因之一就是难以区分原生、次生碳酸盐。对全球土壤无机碳库贮量的最新估算数据为1 m深度947 Pg，接近全球土壤总碳库量的38%＼[18＼]。

基于我国第二次土壤普查（1979～1992年）数据，中国无机碳贮量为55.3 Pg，约占全球1 m土层无机碳库总量的5.8%＼[19＼]，其中西北地区土壤无机碳含量（13.6 kg C/m2）和贮量（30.1 Pg）最高。我国黄土高原地区1 m深度的土壤无机碳库量为10.2 Pg，接近全国无机碳总贮量的18.4%，其中黄土高原南部的关中塿土（土垫旱耕人为土）无机碳贮量为0.25 Pg＼[2＼]。

3农田土壤固碳意义及潜力

在全球陆地生态系统碳库中，只有农田土壤碳库是强烈人为干扰，而又可以在较短的时间尺度上进行调节的碳库＼[20＼]。Lal和Bruce＼[21＼]预测指出，通过秸秆还田处理，全球农田土壤的固碳潜力为200 Tg/yr；在合理施用化肥后，农田土壤固碳能力能够达到100 Tg/yr。此外，次生碳酸盐形成也是缓解气候变化、提高土壤无机碳贮量的重要方式。土壤次生碳酸盐的生成速率约为10～15 kg C/（hm2·yr），通过合理的农田灌溉，土壤无机碳的固碳潜力可以达到0.25～1.0 Mg C/（hm2·yr）＼[5＼]。在我国农业耕作现状和发展基础上，韩冰等＼[22＼]估算得到我國主要农业措施的固碳现状和潜力分别为101.4 Tg/yr和182.1 Tg/yr。

4农田管理与土壤固碳endprint

4.1对有机碳库的影响

土壤有机碳是进入土壤中的各种动植物残体、微生物残体及其分解、合成的有机物质中的碳。目前农田土壤固碳的研究主要集中在土壤有机碳，提高农田土壤有机碳固持的途径主要有两个：①通过增加进入土壤中的有机物料来提高有机碳贮量；②通过减少对农田土壤的人为扰动，降低有机碳的分解速率来提高土壤有机碳固持的能力和潜力。

4.1.1土地利用方式

土地休闲主要是依靠自然植被的演替来恢复土壤的肥力水平，同时在干旱、半干旱地区，土壤休闲也常用于增加土壤水分贮量，保障和提高下季作物的产量。但是，在夏季高温高湿的气候环境下，土壤微生物活性较高，夏季休闲可能会加速土壤有机质矿化分解，不利于土壤肥力提高，同时休闲也降低了土壤中植物有机残体的归还量。此外，由于地表植被覆盖减少，夏季休闲期间土壤流失和风蚀也是造成农田土壤有机碳损失的原因，损失量甚至比耕地更大。因此，避免裸地休闲也是降低农田土壤有机碳损失的重要途径＼[23＼]。

土地利用方式及其程度、变化是影响土壤有机碳库数量、组成和转化速率的重要因素，耕作通常是被认为对土壤有机碳影响最大的人为因素。耕作的机械作用使土壤团聚体破裂、分散，导致土壤有机质物理保护破坏，暴露于微生物的分解之下，造成土壤有机质含量下降＼[24＼]。此外，机械扰动还可能导致土壤呼吸作用加强。农田土壤有机碳损失主要发生在0～30 cm土层中，尤其是0～10 cm深度。在长期耕作土壤中，表层和亚表层的土壤有机碳比自然植被下的土壤低40%～60%＼[25＼]。对传统耕作农田实行免耕，在开始阶段会导致土壤碳库降低，而长期免耕则有利于增加土壤碳库＼[26＼]。农田土壤有机质动态变化与其初始水平及干扰历史有关，虽然保护性耕作可以增加土壤有机质含量，但它只能部分恢复前期碳损失，如果在耕种初期土壤有机质含量较高，那么试图通过农田管理来恢复到耕种前的水平，并使之保持相对稳定是非常困难的。长期耕作管理也能够显著改变土壤有机碳组分的物理和化学性质。在耕种方式长期不变的情况下，开垦土壤的有机质含量最终会维持在较低的水平上，其形成速率将与分解速率相等，但是微生物碳与总有机碳的比率基本一致＼[27＼]。同时，也有研究指出，耕作能够影响土壤理化及生物学特性，提高土壤透气性和微生物活性，增加土壤中有效养分的含量。

4.1.2种植制度

由于轮作改变了作物残体或根系的数量、种类，从而影响土壤有机碳的固定、矿化以及数量。作物根系以及微生物残体主要影响土壤水溶性有机碳和微生物碳的变化＼[28＼]，轮作能够改变进入土壤的作物残茬，有利于控制杂草和病虫害防治，与保护性耕作技术结合，还能够改善土壤物理特性，减少土壤侵蚀。一般研究认为，在轮作中增加多年生物种可以加速土壤有机质的汇集。豆科—禾本科植物轮作能较快地增加土壤有机碳的贮存，选择一些具有高生物量或高C/N比的植物与作物轮作，可增加进入土壤的根茬或残体数量，减少土壤水分的地表蒸发，使土壤的持水和保水能力增强，从而增加土壤有机碳固定，对保持和提高农业生态系统的可持续发展能力非常重要。但是，也有研究发现无论在免耕或传统耕作条件下，作物轮作或休闲不能提高土壤有机质的含量。在不同气候和土壤条件下，轮作对土壤有机碳累积作用的影响不同＼[29＼]。

4.1.3有机残体分解

土壤有机碳含量由有机碳输入和输出之间的平衡决定，有机残体还田是农田土壤有机物料输入的主要途径。秸秆可以作为土壤的改良物质并具有作物所需N、P、K以及所有必需微量养分元素。中国1亿hm2耕作土壤大约产生0.6 Pg/yr的秸秆＼[30＼]，秸秆还田的固碳潜力巨大，如能确保有更多激励政策的制定和执行，中国耕地土壤固碳将会提高2倍。保留残茬也能通过降低雨滴的击溅来加强土壤水的入渗，从而减少含有较高有机碳的表层土壤流失。秸秆和作物残体覆盖地表可反射太阳光线，使土壤温度变化缓和、蒸发速率降低，在春夏季节通常会偏低，而在秋冬季节又偏高。秸秆还田能显著增加土壤表层轻组有机碳的含量，却对与土壤矿质颗粒紧密结合的多糖类重组有机碳含量没有影响。此外，在我国干旱、半干旱地区，地膜覆盖技术得到广泛应用，已成为一项重要的农业增产技术手段。地膜覆盖增产的机制首先在于改善了土壤生态环境，即水热状况，进而活化了土壤养分，使其有效性和利用效率提高。然而地膜覆盖的增产作用在一定程度上是以消耗土壤养分为代价的。因此，在旱地农田土壤地膜覆盖的基础上，采用作物残体秸秆还田覆盖，能够在保障粮食产量的同时维持土壤有机质平衡，促进农业可持续发展。

4.1.4施肥措施

施肥主要通过两条途径影响土壤有机质含量及动态：一是提高农作物生物产量，增加土壤中残茬和根的输入；二是影响土壤微生物的数量和活性，进而影响土壤有机质的生物降解过程。施用有机肥可以迅速提高土壤有机碳含量，而且这种影响是持久的。长期施用有机肥能显著提高土壤活跃有机碳含量，而施用化肥则提高了惰性有机碳的含量，提高了土壤有机碳的氧化稳定性。也有研究认为化肥对土壤有机碳的固定并不产生直接作用，而只是通过增加作物秸秆的归还量而对土壤有机碳的贮存产生影响＼[31＼]。国内很多研究者对不同土壤类型、气候条件和利用方式下的施肥方式进行了研究，结果大都表明有机肥或有机肥和化肥配合施用能够增加土壤表层碳储量和提高土壤固碳，而单独施用化学肥料所得出的结果则不尽相同＼[30＼]。在植物生长必需的营养元素中，氮素是影响作物产量最重要的元素之一。氮肥施用对土壤有机碳库的影响已有大量研究报道，然而氮肥施用对土壤有机碳库贮量影响的研究结果也因土壤类型、肥料种类、施用时间尺度的不同而存在差异。农业生产中应协调氮肥用量，保障作物产量的同时，减少氮肥过量施用带来的环境风险及对土壤碳库的负面影响。

4.2对无机碳库的影响

土壤无机碳由原生和次生碳酸盐组成，而次生碳酸盐的形成和变化过程即为固存碳的过程，它通过原生碳酸盐碳的降解和溶解，或碳酸盐沉积矿物和风化物的再沉淀，以及通过大气中CO2与钙镁离子及其他盐分在土壤中的沉淀作用形成＼[32＼]。土壤無机碳是陆地生态系统中的第二大碳库，积累速率比有机碳高，且生成的碳酸盐具有很好的稳定性。近年来，土壤无机碳库在全球碳循环研究中的重要性成为人们关注的重点。endprint

4.2.1土地利用方式

土地利用方式及農田土壤管理措施变化会对土壤无机碳库的累积与转化产生影响。Mikhailova和Post＼[33＼]对法国黑钙土的研究发现在2 m土层中，天然草地、持续耕作农田、50年连续休闲的土壤无机碳贮量分别为107、242、196 Mg/hm2，表明土壤耕作能够促进无机碳贮量的增加。对我国农田土壤利用对无机碳贮量影响的研究表明，我国约51%的耕作土壤（包括灌溉农田，旱地和水稻田）存在无机碳贮量降低，损失较严重的地区为华北东部，无机碳减少接近0.5～4.0 kg·C/m2。在这些地区中，土壤无机碳库损失的主要原因是灌溉措施引起的碳酸盐在土壤剖面中的淋溶，特别是当氮、硫肥施用量增加后导致的土壤酸化条件下。而另一方面，我国约10%的耕地土壤出现了无机碳库累积的现象，无机碳密度增加量达到0.5～5.0 kg·C/m2。土壤无机碳库增加的地区主要为我国西北地区有灌溉措施的石灰性粉质土壤、荒漠土、灰钙土以及东北黑土。利用黄土高原23年的定位试验表明，与休闲相比，不同作物长期连作或轮作显著提高了0～40 cm土层土壤无机碳20%～26%＼[34＼]。可见，农田耕作措施能够促进土壤无机碳库增加。

4.2.2灌溉措施

在石灰性土壤中，普遍存在着SOC-CO2-SIC的微碳循环系统。土壤有机质分解、根系和微生物呼吸等分解释放的CO2，与土壤水作用形成碳酸溶液，溶解了一部分重碳酸钙；而后随着土壤水分的蒸发散失，重碳酸钙又沉淀成碳酸钙，即通过反应SOC-CO2（g）-CO2（aq）-HCO3-（aq）-CaCO3（s）参与了部分次生碳酸盐的重新淀积结晶，增加了次生碳酸盐和土壤碳酸盐的总量。在干旱条件下，通过大气-植被-土壤-水-沉淀作用的碳转移系统构成了干旱区碳循环的主要机理和途径＼[32＼]。因此，次生碳酸盐在形成和周转过程中不但可固存大气CO2，还可固存土壤有机碳分解产生的CO2，对大气CO2调节以及全球干旱区域碳循环具有重要的影响。科学管理与农业合理种植会刺激植物生长，提高微生物活性和水分渗透性，促进次生碳酸盐的形成，从而大大增加干旱土壤中无机碳储存量。

除作物耕作外，在干旱、半干旱地区，农田土壤灌溉也能够促进无机碳库固持。灌溉可以通过刺激微生物、植被及其根部的活性来促进干旱耕地中碳酸钙的形成。由于灌溉水质量、灌溉方式的不同，不仅会引起碳酸钙的溶解，并将其淋滤到地下水中，也会引起碳酸钙的沉淀＼[35＼]。土壤中的次生碳酸盐通过化学反应：Ca2++2HCO-3→CaCO3+H2O+CO2形成，土壤灌溉能够促进该反应进行。在碳酸盐溶解时，Ca2+和HCO-3离子的来源是决定次生碳酸盐形成过程是CO2“汇”亦或是“源”的关键。当该反应中的HCO-3来源于生物呼吸（根呼吸或微生物分解土壤有机质）时，则碳酸盐沉淀过程即是大气CO2汇；而当HCO-3离子主要来源于灌溉水时，则次生碳酸盐的形成过程就成为了CO2源。

4.2.3施肥措施

在农田土壤中，不同的施肥措施也能够对土壤无机碳贮量产生影响，不同种类的肥料对土壤碳库的影响也不相同。与不施肥相比，农肥和绿肥处理的土壤无机碳含量分别降低了7.4%和5.3%，而秸秆还田和氮肥处理与不施肥无显著差异＼[36＼]。利用20年肥料定位试验表明，耕层土壤的碳酸钙含量随氮、磷肥水平的增加而降低＼[37＼]。此外，硝酸盐淋溶、豆科作物氮固持以及铵态氮肥施用可能引起土壤酸化，加速土壤无机碳溶解。

2017年9月绿色科技第18期

5结语

我国陆地面积广大，生态系统类型丰富，明确我国土壤碳库贮量对全球碳循环和气候变化研究十分重要。通过免（少）耕、湿地恢复、有机残体覆盖、养分管理、有机肥施用等合理的土地利用和推荐的农业措施，可有效稳定和提高农田土壤碳库贮量，对于改善土壤性质、提高农业生产力、降低土壤侵蚀威胁以及缓解全球气候变化等方面都具有积极的意义。

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Abstract： The farmland ecosystem greatly influenced by the human activitieshas important status in the terrestrial carbon cycle. It is necessary to stabilize and improve farm soil carbon sequestration by reasonable scientific land management methods， which has positive effects on the global food security and the mitigation of climatechange. This paper discussed the total amount and the potential storage of soil organic carbon and inorganic carbon in China and all over the world. It analyzed the influences of land utilization type， cropping system， fertilization measures and irrigation condition in farmland management on the soil organic carbon and inorganic carbon storage. The purpose was to provide a reference to improve soil carbon sequestration， agricultural productivityas well as climate change mitigation.

Key words： soil organic carbon storage； soil inorganic carbon storage； farmland management； residues decompositionendprint