土地利用方式对土壤碳库影响的敏感性评价指标_土地利用

　　土壤碳库大约有1550 Pg有机碳和750 Pg无机碳(0~1 m土层)，是大气碳库的3倍，生物碳库的3.8倍，成为地球表层最大的有机碳库，在全球碳循环中起着关键作用[1]。土壤可以被看作是一种碳的源或汇，并且影响着大气中CO2的浓度[2]。土壤有机碳是土壤质量的核心，也是营养元素生物地球化学循环的主要组成部分，其质量和数量影响着土壤的物理、化学和生物特征及其过程，影响和控制着植物初级生产量，是土壤质量评价和土地可持续利用管理中必须考虑的重要指标。土壤有机质含量降低，引起土壤肥力、持水能力下降，侵蚀作用增强，同时导致温室气体排放量增加。因此，深入认识不同环境条件下土壤有机碳动态变化及其控制过程，是实现土地资源可持续利用的重要基础。土地利用方式对土壤有机碳动态的影响正在成为国内外研究的热点问题。

　　1 土地利用和管理方式对土壤碳库的影响

　　土地利用方式影响土壤的功能和性质，主要是通过影响土壤的有机质含量和土壤结构稳定性[3]。土地从自然植被向农田转变初期的5~7 a，土壤有机质损失速率较快;15~20 a后，有机碳损失曲线趋于平缓，并可能在20~50 a内达到一个新的平衡水（                农用地、                商住地、                工业地）                平[4]。但是这一平衡水平通常低于自然状态[5]。在过去的200 a里，随着全球农业用地面积的不断增加，土壤有机碳贮量不断减少，而进入大气中的碳不断增加，使得农业土壤成为大气CO2源，极大地影响到大气中CO2的浓度[6]和全球碳平衡[7]。

　　农业耕作使土壤有机碳造成损失主要归咎于3个过程[8]：

　　(1)氧化或矿化 农业活动改变了土壤团聚体的结构，提高了土壤温度[9]，影响了有机质的物理稳定性[10]，加速了有机质的分解;同时有机质输入减少，改变了土壤有机碳输入和各部分有机碳库矿化之间的净平衡，更加剧了有机碳的损失。

　　(2)溶解态有机碳或颗粒态有机碳的淋洗或转移 溶解态土壤有机碳在全碳中占很小一部分[11]，但是它的碳含量高，周转时间短，它的淋洗或转移对生态系统过程和养分平衡有重要影响[12]。

　　(3)水蚀或风蚀 土壤侵蚀在土壤有机碳动态中有重要作用[13]。自然生态系统转变为农田多数是增加了侵蚀数量[14]，使土壤有机碳损失加剧。不合理的土地利用引起的土壤有机质损失为16%~77%，平均为29%[15]。

　　研究[16]表明，管理方式能增加或降低土壤碳的数量，并改变微生物多样性。Lal[8]指出大约60%~70%的已经损耗的碳可通过采取合理的农业管理方式和退化土壤弃耕恢复而重新固定。这些方法包括土壤弃耕恢复、免耕、合理选择作物轮作、冬季用作物秸秆覆盖、减少夏季耕作、利用生物固氮等[8]。一般认为，农业耕作活动停止后，土壤有机质增加[17]，这种增加与初级演替的积累一样[18]。大面积农业用地弃耕，已经成为一个潜在的重要碳汇[19]。免耕农业和草原植物的恢复等土地管理方式，有助于恢复土壤肥力，补充由于农业耕作而损失的有机质，为固定大气碳提供了一种可能的途径。最近的研究表明，从1950年以来施肥量增加，减少耕作和免耕[20]已经使威斯康辛州南部生产玉米作物的农田成为碳汇，这主要是因为收获后的残留物大量返回土壤的原因[21]。许多农业用地在经过从森林向农业用地转变而引起土壤碳明显损耗后，现在可以从大气中固持碳[22]，这可能是产生“未知汇”的一个原因。耕作历史是土壤系统恢复的重要影响因素，对同种类型土壤而言，耕作时间越长，恢复系统主要的生态功能所需的时间越长。农田弃耕后，土壤质量的演化方向主要取决于当地的气候条件。较好的气候条件能使植物的生产力增加，土壤有机质的输入量增大，从而使土壤结构不断改善，持水能力和入渗系数增大，物种多样性指数及丰度逐年增高，最终减少土壤的侵蚀作用[23]。但如果气候条件恶劣，植被分布稀疏，土壤侵蚀作用活跃，弃耕地土壤退化必然会发生，即弃耕地土壤质量向变差的方向发展。

　　当前，对土壤碳库的动态过程和影响因素的认识仍有许多不清楚的地方，主要表现在土地利用变化对土壤有机碳影响的机理方面[24]，需要深入研究。这对实现土地的可持续利用有重要意义。

　　2 土地利用和管理方式对土壤碳库影响评价的敏感性指标

　　由于土壤有机碳在养分状态、田间持水量和土壤结构等多方面的有利影响，保持土壤有机碳的含量对于长期土地利用是很有意义的。但是，普遍高的碳含量背景值或土壤自然差异，使在短期内监测土壤有机碳的渐变过程显得很困难[25]。为了有效地监测不同土地利用和管理方式下有机碳的变化，必须选用一些敏感指标。这方面的指标主要有：微生物量碳(microbial biomass carbon)，微生物商(the microbial quotient)，CO2通量和qCO2 (metabolic quotient)，轻组有机质(light fraction organic matter)和颗粒态有机质(particulate organic matter)，溶解态有机碳(dissolved organic carbon)。

　　2.1 微生物量碳和微生物商

　　土壤微生物群落是营养转化的驱动力，对土壤肥力和生态系统功能有重要作用[26]。土壤微生物量是所有进入土壤的有机物必须通过的“针眼”[27]，用土壤生物特征的变化反映土壤质量的变化过程，是评价土地利用方式变化对土壤质量影响的重要指标[28]。

　　土壤微生物量碳质量仅占土壤全碳质量的很小一部分(1%~3%)[27]，然而，微生物的活性却关系到土壤碳、氮库和生态系统功能[29]。与土壤有机碳相比，微生物量碳库的周转率更大，周转时间更短，所以微生物量碳比土壤有机碳变化更快[30]。由于1~2 a的相对快速的周转时间，在总有机碳含量变化可检测之前，土壤微生物部分的变化可能被检测到[25]。

　　微生物商[w(微生物量碳)/w(土壤有机碳)]的变化反映了土壤中输入的有机质向微生物量碳的转化效率、土壤中碳损失和土壤矿物对有机质的固定。微生物商的变化比土壤有机碳和微生物量碳更稳定，表现出更平滑的变化趋势[25]。Saggar等[3]研究耕作对土壤生物性质和有机碳动态的影响时发现，随着农业耕作，微生物量碳和土壤全碳含量减少(土壤有机碳减少60%，微生物量碳减少83%)，微生物商变小，指出微生物商比微生物量碳的变化更明显。相反，农田恢复为草地时，微生物量碳的增加比土壤有机碳快，因此微生物商恢复迅速[25]。

　　微生物量碳、微生物商是土地利用和管理方式变化引起土壤有机碳变化的很有效的指标[31]，可以在早期预测土壤有机碳的长期变化趋势[32]。

　　2.2 轻组有机质和颗粒态有机质

　　不合理的土地利用导致土壤有机质含量迅速下降[33]。大多数土壤有机碳损失是由于有机质输入减少，作物残体分解加快和土壤结构破坏，使得土壤的物理保护性下降。在目前研究中，关于土地利用变化对土壤有机碳的影响的机理方面还有许多不清楚的地方[34]，究其原因主要是因为土壤碳库是由活跃库(active pool，周转期在0.1～5 a)、慢变库(slow pool，周转期在5～50 a)和惰性库(passive pool，周转期在50～3000 a)组成[35]。因此，揭示土地利用变化影响有机碳变化的机理，关键之一就是要准确地对土壤有机碳中不同的组分进行研究。对土壤有机碳组分的研究早就是土壤学研究的一项内容。以前主要是用化学分析方法把土壤有机碳分为胡敏酸和富里酸，这对认识土壤有机质化学结构起到很大作用，但这些方法对土壤有机质原状结构有破坏性，所以分离的有机碳组分不能解释土壤有机碳库的稳定性，也不能揭示土地利用方式对有机碳影响的机制[24]。相比之下，应用物理分组方法对有机质结构破坏程度极小，突出土壤矿物和土壤结构在土壤有机质周转中的地位[36]，所以这种方法在土壤有机碳的研究中受到更多的重视。

　　物理分组方法包括对土壤有机碳进行密度分组和大小分组。密度分组用来分开与矿质部分结合相对松散的部分(密度在1.65～2.0 g/cm3)，其中轻组有机质(土粒密度小于1.65～2.0 g/cm3组分中的土壤有机质，包括游离腐殖酸和植物残体及其腐解产物等)周转期为数月到几年，是植物残体分解后形成的一种过渡有机质库，它代表了易分解的有机碳库[36]。用大小分组方法分出的颗粒态有机质，周转期5～20 a，是与沙粒(53~2000 µm)结合的有机碳部分，在中期周转中很重要，这个库中有机碳主要来源于分解速度中等的植物残体分解产物[12]。轻组有机质具有高分解率，周转期短，因此有机碳储存和短期动态部分的与轻组库有关[36]。粒度分析表明原始林开垦为农田导致颗粒态有机质库的损耗，而粘粒和粉砂粒固持的土壤有机质受影响很小。Guggenberger等[12]指出在合理的土地利用系统中土壤有机质的增长也主要表现在颗粒态有机质，土地利用主要通过轻组和颗粒态有机碳影响碳平衡，而总的化学组成几乎没有影响。

　　轻组和颗粒态有机质是自然土壤肥力的决定因素[37]，土地管理方式影响最明显的也是这一部分。因此用物理方法分离土壤有机质的不同组分，对于准确评价土地利用变化对土壤碳过程的影响具有重要意义。

　　2.3 CO2通量和qCO2

　　土壤CO2通量综合反映了植物根和土壤微生物的活性及土壤中碳的代谢作用[38]。研究[39]表明，生态系统内及生态系统间土壤CO2通量受植物生物量、土壤有机碳、氮含量、温度和土地利用的影响。土壤呼吸与植物生物量有密切的相关关系，当土壤有机碳输入量增加时，土壤呼吸强度增大[40];生态系统小气候的季节性变化决定着土壤CO2排放的季节性差异，同时，植物根密度、土壤微生物活性、土壤物理和化学特征及植物类型也是土壤呼吸强度的重要影响因素。一般来说，弃耕地中CO2通量比长期耕作的农田大，主要是因为弃耕过程中，植物生物量增加，土壤有机碳输入量增加，此时对微生物来说可利用氮源是演替初期的限制因子，由于基质的高w(C)/w(N)比和氮源的缺少，更多的碳被矿化以维持微生物的w(C)/w(N)比，土壤呼吸强度增大[41]。土壤呼吸强度与土壤有机碳含量及微生物碳含量呈正相关关系，而微生物碳含量对植物碳输入有较强的敏感性。利用这一特征可对农田生态系统长期演化趋势进行定位监测[42]。

　　土壤有机碳的积累主要由土壤有机质的输入与土壤碳矿化速率间的净平衡来决定[43]。弃耕地CO2通量比农田的大，说明有机碳分解量大;但是弃耕地中土壤有机碳、微生物量碳却在不断增长[3]，说明单独用CO2通量不能有效的反映土壤中碳动态。所以，Insam等[44]采用了qCO2 [ f(CO2通量)/w(土壤微生物量碳) ]这一指标，用来评价土壤微生物利用土壤有机碳的效率。在恢复土壤中qCO2低，表明在有机质矿化过程中，微生物呼吸量转化的碳小于转化到新微生物体的量，使土壤碳损失减少。相反，随着农业耕作，qCO2增加，说明微生物能量利用效率降低，土壤碳保存率低。

　　CO2通量和qCO2可以综合反映土壤微生物的活性、利用土壤有机碳的效率及土壤中碳的代谢作用，是土壤碳动态的敏感性指标。

　　2.4 溶解有机碳

　　溶解有机碳(DOC)是陆地生态系统碳循环的重要基础，植物根际生物特征及根的呼吸强度与土壤DOC浓度间可能存在着非常重要的联系。DOC通量比全球植物和大气间的碳交换量小1~2个数量级[45]，所以生物圈碳平衡的很小变化会导致DOC的巨大变化[46]。DOC浓度和通量是土壤温度和湿度变化的敏感性指标[47]，明显地影响大气CO2的浓度[48]。DOC在土壤中迁移一般经历吸附和分解两个重要过程，DOC的产生受植物凋落物的输入与分解作用影响，常在土壤0~40 cm深度迁移过程中组成发生变化[49]，土壤中DOC的产生、迁移与转化对土壤碳通量具有重要的影响。DOC对温度和湿度的响应可增加大气CO2浓度[48];相反，碳从易溶态向复杂或固持态转化[50]将降低基质中供应微生物呼吸的DOC的可利用性，一旦DOC在下层土壤中被固持，它的周转将是数十年或几个世纪[51]。

　　DOC在土壤全碳中占很小的一部分[11]，但控制DOC吸收、转化和淋洗的过程却很多;现在我们对这些过程的认识很少，但是这些过程之间的平衡是影响土壤碳动态的关键因素[51]，所以，我们应进一步研究从枯落物淋失到土壤中的DOC在土壤剖面中移动时的去向，这对于准确预测土壤中碳平衡很重要。

　　3 结语

　　土壤是地球表层最大的有机碳库，在全球碳循环中起着关键作用。土地利用方式影响土壤的功能和性质，能增加或降低土壤碳的数量，并改变微生物多样性，使土壤成为碳的源或汇，从而影响着大气中CO2的浓度。在目前的研究中，关于土地利用变化对土壤有机碳的影响的机理，仍有许多不清楚的地方。要明确这一机理，有效地监测不同土地利用和管理方式下有机碳的变化，必须选用一些敏感指标。大量的研究证明，微生物量碳，微生物商，CO2通量和qCO2值，轻组有机碳和颗粒态有机碳，溶解态有机碳，都是土壤有机碳动态的敏感性指标，可检测到微小的、短期的土壤碳动态，并能预测其长期变化趋势。