金鑫鑫，汪景寬，孫良杰，王 帥，裴久渤，安婷婷，丁 凡，高曉丹，徐英德

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110866)

穩(wěn)定13C同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)田土壤碳循環(huán)和團(tuán)聚體固碳研究中的應(yīng)用進(jìn)展①

金鑫鑫，汪景寬*，孫良杰，王 帥，裴久渤，安婷婷，丁 凡，高曉丹，徐英德

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，沈陽(yáng) 110866)

農(nóng)田土壤有機(jī)碳庫(kù)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，其積累和分解直接影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯藏與全球碳平衡。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)和土壤肥力的重要載體，也是土壤有機(jī)碳的固定場(chǎng)所。穩(wěn)定13C同位素示蹤技術(shù)是研究土壤碳動(dòng)態(tài)變化的有效手段，能夠揭示新輸入碳在土壤及團(tuán)聚體中賦存狀態(tài)、周轉(zhuǎn)過(guò)程以及微生物的調(diào)節(jié)機(jī)制。本文主要?dú)w納與闡述了穩(wěn)定13C同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)田土壤有機(jī)碳循環(huán)及土壤團(tuán)聚體固碳機(jī)理方面的研究進(jìn)展，提出13C同位素示蹤技術(shù)在未來(lái)土壤碳循環(huán)和固碳機(jī)制方面的主要研究方向。

13C穩(wěn)定同位素；有機(jī)碳；土壤團(tuán)聚體；農(nóng)田土壤

目前，全球各國(guó)都在探尋固碳減排的有效途徑，國(guó)際學(xué)術(shù)界在研究溫帶森林、濕地、草原和極地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)增加土壤碳匯作用的同時(shí)，越來(lái)越重視農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的固碳作用[1]。土壤有機(jī)碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，其很小變化都會(huì)對(duì)大氣中 CO2造成很大的影響，因此土壤有機(jī)碳庫(kù)對(duì)全球氣候變化和碳循環(huán)起著非常重要的作用，土壤有機(jī)碳固定機(jī)制也已成為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。農(nóng)田土壤碳循環(huán)的研究是預(yù)測(cè)未來(lái)大氣 CO2濃度變化、認(rèn)識(shí)大氣圈與生物圈相互作用機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵，同時(shí)也是認(rèn)識(shí)地球生態(tài)系統(tǒng)中能量平衡，水分、養(yǎng)分循環(huán)以及生物多樣性變化的基礎(chǔ)。為此，研究土壤有機(jī)碳循環(huán)和調(diào)控機(jī)理，對(duì)于探求和建立適合我國(guó)國(guó)情的固碳途徑以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。

同位素示蹤技術(shù)是研究全球氣候變化和土壤碳動(dòng)態(tài)變化的有效手段，同時(shí)也是揭示陸地生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)過(guò)程的重要工具[2]。土壤有機(jī)碳循環(huán)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，利用同位素技術(shù)能夠示蹤新輸入碳在土壤中轉(zhuǎn)化與賦存狀態(tài)，揭示其在土壤與微生物之間循環(huán)和周轉(zhuǎn)過(guò)程及機(jī)理。20世紀(jì)70年代以前，有機(jī)物在土壤中的周轉(zhuǎn)研究通常采用同位素14C示蹤技術(shù)[3]，但由于同位素14C具有較強(qiáng)的放射性，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度的碳循環(huán)分析存在一定偏差，無(wú)法闡明有機(jī)質(zhì)的異質(zhì)性[4]，研究者們不得不放棄使用該技術(shù)。作為一種天然的示蹤物，穩(wěn)定碳同位素13C 沒(méi)有放射性，具有安全、無(wú)污染、易控制的優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)80年代以后逐漸被研究者采用，已獲得豐富的研究成果。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和肥力的重要載體，土壤有機(jī)質(zhì)和土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)之間的相互作用決定了土壤有機(jī)碳庫(kù)的數(shù)量。土壤有機(jī)碳數(shù)量的增加必然減少 CO2的排放量，同時(shí)促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成并提高其穩(wěn)定性[5]，相反土壤團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)碳的變化也有較大的調(diào)控作用[6]。因此，土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的固定與保護(hù)機(jī)制已成為土壤有機(jī)碳截獲研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)能夠保存且阻止土壤有機(jī)質(zhì)的迅速分解，Golchin等[7]提出了微團(tuán)聚體形成及其團(tuán)聚體中有機(jī)碳固定的相關(guān)機(jī)制。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于土壤有機(jī)碳和土壤團(tuán)聚體之間關(guān)系的研究主要集中在紅壤、紫色土、褐土、黑土上[8–9]，對(duì)于棕壤團(tuán)聚體的組成及其各粒級(jí)有機(jī)碳組分轉(zhuǎn)化的研究也有相關(guān)報(bào)道[10–11]。土壤團(tuán)聚體是有機(jī)碳固定的主要場(chǎng)所，弄清團(tuán)聚體中有機(jī)碳組分的形成和周轉(zhuǎn)機(jī)制對(duì)于更好地理解碳固定機(jī)制至關(guān)重要，并且可以為進(jìn)一步深入采用適當(dāng)?shù)霓r(nóng)業(yè)管理措施來(lái)調(diào)控土壤有機(jī)碳的變化提供理論基礎(chǔ)。

1 穩(wěn)定13C同位素示蹤技術(shù)在土壤有機(jī)碳循環(huán)研究中的應(yīng)用

碳作為重要的生命元素，在自然界中主要以12C、13C和14C形式存在，其中12C和13C為穩(wěn)定同位素，14C為放射性同位素。12C和13C相對(duì)豐度分別為98.89% 和1.11%，14C只有極微量 (10–12%)[12]。穩(wěn)定13C同位素技術(shù)克服了放射性同位素研究不足，具有無(wú)放射性、無(wú)輻射、安全、無(wú)污染、無(wú)衰變等優(yōu)點(diǎn)，在土壤學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，被證明是一種研究土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的較可靠的技術(shù)手段[13]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用碳穩(wěn)定同位素技術(shù)研究輸入土壤的有機(jī)物質(zhì)分解過(guò)程及土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[14–15]。

1.1 明確新輸入土壤有機(jī)碳的腐解過(guò)程及其在土壤中的賦存狀態(tài)

土壤有機(jī)碳是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡、保證陸地生態(tài)環(huán)境的碳循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素，而農(nóng)作物和殘留物的分解是作為土壤外源碳的主要來(lái)源[16]。許多學(xué)者利用碳穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)研究輸入土壤的有機(jī)物質(zhì)分解過(guò)程及土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[17–20]。作物殘?bào)w腐解過(guò)程中產(chǎn)生的碳部分被礦化為 CO2，還有部分被土壤中的微生物所同化，進(jìn)而使微生物再分解產(chǎn)生碳的腐殖化和礦化，另外部分殘?bào)w碳被認(rèn)為直接并入土壤微生物量中[21]。最初 Rochette等[22]利用土壤CO2的δ13C定量玉米殘茬的分解速率，后來(lái)研究者利用13C標(biāo)記的水稻莖和根殘茬分析了植物殘茬分解對(duì)有機(jī)碳的影響機(jī)制[23]。許多研究表明土壤有機(jī)碳分解受殘茬類(lèi)型的影響，土壤易分解的碳庫(kù)受殘茬分解尤其是在其迅速分解階段的影響顯著，秸稈殘茬的分解比根殘茬分解快，因此對(duì)土壤有機(jī)碳機(jī)制的短期影響比較顯著。相關(guān)研究表明不同作物對(duì)紅壤中有機(jī)碳的分解影響不同，C4作物能明顯促進(jìn)紅壤中有機(jī)碳分解[17]。

1.2 揭示了生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

隨著穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)的發(fā)展，其在研究生態(tài)系統(tǒng)周轉(zhuǎn)過(guò)程中土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化及遷移轉(zhuǎn)換規(guī)律方面得到廣泛的應(yīng)用。林地變成玉米地后不僅使土壤中來(lái)源于C3植被易礦化的土壤有機(jī)碳降解，而且使有機(jī)碳組分發(fā)生變化，粗砂中有機(jī)碳較新，而細(xì)砂中有機(jī)碳較老，且輕組中有機(jī)碳活性較大，植物殘茬首先進(jìn)入的是輕組[24]。傳統(tǒng)耕作變成免耕后證實(shí)免耕可以減少土壤有機(jī)碳破壞，減慢土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)，增加土壤有機(jī)碳固定。竇森等[18]應(yīng)用δ13C方法研究了玉米秸稈分解期間土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新加入的玉米秸稈分解較快，原土壤有機(jī)碳分解速度較慢；在培養(yǎng)初期胡敏酸形成速度小于富里酸，隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)富里酸轉(zhuǎn)化為胡敏酸或相互轉(zhuǎn)化。整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，不僅新加入的玉米秸稈，而且原來(lái)土壤中固有的有機(jī)碳都隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而分解，但后者分解速度較慢，說(shuō)明短期培養(yǎng)條件下可以用13C方法研究新加入有機(jī)碳在土壤中的分解動(dòng)力學(xué)。田秋香等[25]研究了穩(wěn)定性同位素技術(shù)在土壤重要有機(jī)組分循環(huán)轉(zhuǎn)化研究中的應(yīng)用，表明13C標(biāo)記的時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)果分析越準(zhǔn)確。An等[19–20]利用13C同位素示蹤標(biāo)記技術(shù)研究了光合碳在植物和土壤中的分布與動(dòng)態(tài)變化，以及東北黑土區(qū)不同肥力水平對(duì)外源13C標(biāo)記的秸稈碳中微生物碳的影響，表明高肥力土壤具有較高微生物量活性，不同土壤類(lèi)型和肥力水平對(duì)土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化也有較為明顯的影響[26]。

1.3 初步揭示有機(jī)物腐解與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的微生物調(diào)控機(jī)制

土壤微生物參與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，其分解有機(jī)物質(zhì)形成腐殖質(zhì)并釋放養(yǎng)分，又同化土壤碳素和固定無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)形成生物量，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定起著重要作用[27]。微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)影響著有機(jī)物料的分解速率，其中細(xì)菌和真菌對(duì)有機(jī)物料的分解起到90% 的作用[28]。隨著新鮮的作物殘?bào)w進(jìn)入土壤，土壤中微生物的分解產(chǎn)物或其本身導(dǎo)致粗團(tuán)聚體內(nèi)部顆粒有機(jī)質(zhì)周?chē)拇髨F(tuán)聚體的形成。而粗團(tuán)聚體內(nèi)部顆粒有機(jī)質(zhì)再進(jìn)一步分解破碎，形成細(xì)團(tuán)聚體內(nèi)部顆粒有機(jī)質(zhì)，之后其與微生物分泌物為核心被礦質(zhì)顆粒包裹形成大團(tuán)聚體內(nèi)穩(wěn)定的微團(tuán)聚體[29]。添加有機(jī)物可以提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性顯著增加[30]。微生物在大小不同的團(tuán)聚體內(nèi)分布差異很大，并且其群落結(jié)構(gòu)明顯不同，大團(tuán)聚體比小團(tuán)聚體含有更多的微生物量，并且真菌生物量與大團(tuán)聚體數(shù)量有顯著的相關(guān)性。很多學(xué)者在土壤碳的微生物調(diào)控機(jī)制與分子結(jié)構(gòu)水平上利用穩(wěn)定同位素13C示蹤技術(shù)[31–35]，獲得一些較好的研究結(jié)果，但也遇到很大的挑戰(zhàn)，尚不能很好地解釋有機(jī)物腐解過(guò)程與團(tuán)聚體生物穩(wěn)定性之間的微生物調(diào)控機(jī)制。

2 穩(wěn)定13C同位素在土壤團(tuán)聚體固碳機(jī)理方面的應(yīng)用

土壤團(tuán)聚體的形成依賴(lài)于有機(jī)膠結(jié)劑的作用。人們根據(jù)形成團(tuán)聚體膠結(jié)劑的類(lèi)型，將團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體(Macroaggregates)和微團(tuán)聚體(Microaggregates)，并規(guī)定＞250 μm 的團(tuán)聚體為大團(tuán)聚體，＜250 μm的團(tuán)聚體為微團(tuán)聚體[36]。表土中近90% 的有機(jī)碳位于團(tuán)聚體內(nèi)，其中70% 以上的土壤有機(jī)碳存在于＜53 μm的微團(tuán)聚體中[37]。大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高，一方面是由于有機(jī)質(zhì)把微團(tuán)聚體膠結(jié)成大團(tuán)聚體，另一方面是大團(tuán)聚體中處于不穩(wěn)定狀態(tài)的根系和菌絲可以增加其中有機(jī)碳的濃度[35]，因此關(guān)于土壤碳固定的微團(tuán)聚體保護(hù)機(jī)制也成為目前的研究熱點(diǎn)之一。

2.1 驗(yàn)證了土壤團(tuán)聚體形成與發(fā)育模型

關(guān)于土壤團(tuán)聚體形成機(jī)理的假說(shuō)主要包括：Tisdall等[36]提出的團(tuán)聚體等級(jí)發(fā)育模型，Oades[38]和Elliott[39]提出的團(tuán)聚體模型，Six等[14]提出的涉及土壤團(tuán)聚體和土壤有機(jī)碳的胚胎發(fā)育模型。近年來(lái)，對(duì)土壤團(tuán)聚體內(nèi)養(yǎng)分含量及動(dòng)態(tài)變化的研究較多，特別是農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳影響的研究[40–43]。大多數(shù)研究表明長(zhǎng)期施肥能夠?qū)ν寥鲤B(yǎng)分的含量及動(dòng)態(tài)平衡產(chǎn)生直接的作用，同時(shí)也對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[44]。耕作措施被認(rèn)為是破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和影響土壤有機(jī)碳變化的最主要人為因素之一。傳統(tǒng)耕作如翻耕和旋耕一般會(huì)機(jī)械破壞土壤大團(tuán)聚體，減少團(tuán)聚體穩(wěn)定膠結(jié)劑(菌絲體等)的形成，加快土壤有機(jī)碳的分解，減少土壤有機(jī)碳的含量。而保護(hù)性耕作可以減小土壤擾動(dòng)，同時(shí)秸稈還田會(huì)改善土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀況，可提高作物產(chǎn)量和土壤固碳潛力[45]。

2.2 揭示新老有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體中的轉(zhuǎn)化過(guò)程與賦存狀態(tài)

近20年來(lái)，長(zhǎng)期耕作造成土壤碳下降，土壤碳越來(lái)越受到全球的關(guān)注，提高土壤的固碳潛力對(duì)于減緩大氣中的CO2濃度具有非常重要和顯著的影響[10]。土壤有機(jī)碳主要來(lái)自植物殘?bào)w，而不同的光合類(lèi)型植物(C3和C4)具有不同的13C含量，進(jìn)而形成具有13C差異的土壤有機(jī)碳，因此可以用于定量化有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)及示蹤土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的去向[46]。Angers等[46]示蹤了13C15N雙標(biāo)記的小麥秸稈分解過(guò)程中C和N在大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中的去向，為大團(tuán)聚體內(nèi)微團(tuán)聚體的形成提供了最有力的證據(jù)。后來(lái)許多研究人員提出了不同的概念模型，指出了土壤有機(jī)碳的作用，尤其是顆粒有機(jī)碳在大團(tuán)聚體內(nèi)微團(tuán)聚體形成中的作用。在前面研究的基礎(chǔ)上，Six等[14,47–48]提出了一個(gè)概念模型，解釋了耕作破壞對(duì)土壤團(tuán)聚體中碳的影響機(jī)制。耕作導(dǎo)致富碳的大團(tuán)聚體減少，貧碳的微團(tuán)聚體增多，耕作對(duì)團(tuán)聚體形成和土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)的影響主要經(jīng)歷如下幾個(gè)過(guò)程[14,46–48]：①隨著新鮮的殘茬作為微生物活動(dòng)的碳源和微生物起源的膠結(jié)劑的產(chǎn)物進(jìn)入土壤，形成大團(tuán)聚體和粗團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì)(coarse iPOM)；②粗團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步分解破碎成細(xì)團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì)(fine iPOM)，而 fine iPOM比coarse iPOM老，因此fine iPOM濃度隨著大團(tuán)聚體的變老而增加；③細(xì)團(tuán)聚體內(nèi)的顆粒有機(jī)物與微生物分泌物被礦物顆粒包裹形成大團(tuán)聚體內(nèi)穩(wěn)定的微團(tuán)聚體，同位素標(biāo)記研究表明標(biāo)記的碳從大團(tuán)聚體重新分配到微團(tuán)聚體[46]，說(shuō)明微團(tuán)聚體形成在大團(tuán)聚體內(nèi)；④最后大團(tuán)聚體膠結(jié)劑分解導(dǎo)致大團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，穩(wěn)定的微團(tuán)聚體釋放，進(jìn)入下一輪團(tuán)聚體的循環(huán)。顧鑫[11]利用13C示蹤標(biāo)記技術(shù)研究了新有機(jī)碳在棕壤團(tuán)聚體有機(jī)碳組分中的轉(zhuǎn)化情況，結(jié)果表明棕壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的平均駐留時(shí)間隨著團(tuán)聚體級(jí)別的減小而升高，說(shuō)明新有機(jī)碳在微團(tuán)聚體中的周轉(zhuǎn)速率較慢。Li等[10]利用標(biāo)記13C玉米秸稈研究外源新碳在土壤團(tuán)聚體內(nèi)的分布和轉(zhuǎn)化，發(fā)現(xiàn)秸稈碳隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)從大團(tuán)聚體向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移。

3 穩(wěn)定13C示蹤技術(shù)在土壤固碳潛力研究方面的應(yīng)用

所謂固碳潛力，即土壤碳的飽和水平或土壤所容納碳的最大能力。農(nóng)田土壤固碳潛力是區(qū)域或國(guó)家農(nóng)業(yè)土被的整體固碳能力[49]。不同學(xué)者對(duì)土壤固碳潛力的定義不同，Six 等[50]認(rèn)為從土壤本身屬性的保護(hù)機(jī)制出發(fā)，把土壤固持碳的理論最大量稱(chēng)為固碳潛力；而Sperow等[51]則綜合考慮了氣候和農(nóng)業(yè)管理的交互作用，將未來(lái)氣候變化條件下土壤的固碳空間視為固碳潛力；還有學(xué)者將最優(yōu)農(nóng)業(yè)管理措施下(如免耕、有機(jī)肥施用、灌溉、有機(jī)農(nóng)業(yè)等)土壤的最大固碳量作為固碳潛力[52–53]。土壤固碳潛力的研究對(duì)于制定相應(yīng)的土地管理政策，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的減排增匯具有重要的意義，為此土壤固碳潛力的估算顯得尤為重要。關(guān)于土壤固碳潛力的計(jì)量方法主要有包括土地利用方式對(duì)比法、長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果外推法、歷史觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)比較法、土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)模型法[54]。目前，國(guó)際上并沒(méi)有把土壤固碳潛力的定義標(biāo)準(zhǔn)化。當(dāng)前研究中的土壤固碳潛力，多指在未來(lái)氣候變化背景和推薦的管理措施下，大氣中 CO2被封存在土壤中的最大量。因此，土壤固碳潛力的估算被認(rèn)為是估算不同固碳背景下的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的增加量，與之相關(guān)的概念還包括土壤有機(jī)碳密度和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

3.1 揭示土壤團(tuán)聚體與有機(jī)碳保護(hù)之間關(guān)系

Campbell等[55]通過(guò)30年的長(zhǎng)期定位研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳含量豐富的土壤其有機(jī)碳含量并不隨碳的輸入而增加，而是穩(wěn)定在某一特定值上。Gulde等[56]進(jìn)一步提出，土壤對(duì)有機(jī)碳的固定存在一個(gè)飽和值，達(dá)到飽和值時(shí)向土壤輸入再多的碳，土壤有機(jī)碳含量也不會(huì)再增加。2007年Kool等[57]提出土壤碳飽和的等級(jí)模型，指出不同粒級(jí)的團(tuán)聚體存在不同的碳飽和值，并且按照?qǐng)F(tuán)聚體由小到大的順序依次飽和。

土壤團(tuán)聚體能夠?qū)τ袡C(jī)碳進(jìn)行保護(hù)而促進(jìn)有機(jī)碳的穩(wěn)定和累積[44]，團(tuán)聚體儲(chǔ)存有機(jī)碳組分和能力隨著其粒徑不同而變化[58]。許多研究提出微團(tuán)聚體在碳形成過(guò)程中起著保護(hù)作用[14,46–48]。Kong 等[57]發(fā)現(xiàn)由于碳輸入引起的大量的土壤有機(jī)碳積累，優(yōu)先固定在大團(tuán)聚體內(nèi)微團(tuán)聚體中，O’ Brien 等[59]利用C3和 C4作物自然13C 豐度差異發(fā)現(xiàn)了微團(tuán)聚體中有機(jī)碳形成時(shí)間早于大團(tuán)聚體，因此大團(tuán)聚體內(nèi)的微團(tuán)聚體是可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)碳固定潛力的一個(gè)理想指標(biāo)。呂元春[60]對(duì)外源新碳(13C標(biāo)記稻稈)在土壤不同團(tuán)聚體中的分配研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳含量在0.25 ～ 2 mm 粒級(jí)有機(jī)碳含量占最大。

3.2 揭示農(nóng)業(yè)管理措施與土壤固碳之間關(guān)系

目前對(duì)于影響土壤團(tuán)聚體固碳的研究，主要集中在耕作條件、施肥制度以及種植方式等方面。不同土壤耕作方式和農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)農(nóng)田土壤固碳的影響，主要是通過(guò)改變土壤團(tuán)聚體的更新和轉(zhuǎn)化過(guò)程，從而使土壤有機(jī)碳的物理保護(hù)機(jī)制發(fā)生變化。耕作活動(dòng)為土壤有機(jī)碳的分解轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)耕作強(qiáng)度的增加可以促進(jìn)土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)，減少土壤團(tuán)聚作用的發(fā)生[61]。Six等[62]對(duì)團(tuán)聚體和有機(jī)碳的研究指出，耕作對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響主要發(fā)生在表層，免耕使土壤大團(tuán)聚體的含量、總碳以及新有機(jī)碳含量均高于常規(guī)耕作。因此他提出適當(dāng)減少耕作強(qiáng)度和免耕可以有效改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的有機(jī)碳含量。為此，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也開(kāi)始提倡使用農(nóng)肥和種植綠肥，主要是為了增加土壤的有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量，長(zhǎng)期冬季施用綠肥能增加0.25 ～ 5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量[63]。種植方式對(duì)團(tuán)聚體性質(zhì)的影響是多方面的，豆科禾本科輪作能快速增加土壤有機(jī)碳含量，促進(jìn)微團(tuán)聚體的穩(wěn)定和大團(tuán)聚體的形成[64]。玉米輪作對(duì)有機(jī)質(zhì)及團(tuán)聚體形成具有良好的作用[65]。施肥處理可以增加土壤有機(jī)碳，有機(jī)碳的輸入能促進(jìn)土壤大粒級(jí)團(tuán)聚體含量增加，提高土壤固碳能力[66–70]。

許多學(xué)者利用13C穩(wěn)定同位素對(duì)不同土地利用方式轉(zhuǎn)變土壤中有機(jī)碳的形成分解和團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。Solomon等[71]發(fā)現(xiàn)森林土壤δ13C明顯比耕地土壤低，森林的采伐和連續(xù)的耕地導(dǎo)致砂粒中森林起源的土壤有機(jī)碳含量下降，砂粒中土壤有機(jī)碳很容易分解，是一個(gè)對(duì)土地利用方式的改變導(dǎo)致土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量變化較敏感的指標(biāo)。Lichter等[72]研究殘茬不同管理方式對(duì)土壤團(tuán)聚體內(nèi)的碳氮含量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與保留殘茬的處理相比，去除殘茬的處理大團(tuán)聚體、微團(tuán)聚體和大團(tuán)聚體內(nèi)的微團(tuán)聚體的δ13C值顯著減少，僅保留30% ～ 50% 有機(jī)殘茬的處理與完全去除殘茬的處理相比仍能改進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)。黃山等[73]結(jié)合13C和土壤有機(jī)碳物理分組的方法研究了稻田土壤轉(zhuǎn)變成旱田土壤后土壤有機(jī)碳及其組分的變化機(jī)制，結(jié)果發(fā)現(xiàn)稻田土壤轉(zhuǎn)變成玉米地19年后土壤全量有機(jī)碳、氮，閉蓄態(tài)顆粒有機(jī)碳和礦物態(tài)有機(jī)碳含量都下降，而游離顆粒有機(jī)碳含量上升。土地復(fù)墾后種植C3植被，隨著開(kāi)墾年限的增加δ13C顯著降低，團(tuán)聚體碳中超過(guò)50% 的碳來(lái)自于新碳，大團(tuán)聚化作用的增加和大團(tuán)聚體內(nèi)的微團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)積累速率較快，說(shuō)明經(jīng)過(guò)一段時(shí)間復(fù)墾后土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)到原來(lái)土壤狀態(tài)。

3.3 建立土壤有機(jī)碳飽和值預(yù)測(cè)模型

土壤碳飽和的等級(jí)性為土壤固碳潛力的研究提供了一個(gè)重要契機(jī)。為此，相關(guān)學(xué)者提出了預(yù)測(cè)土壤碳飽和容量的經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)指標(biāo)，用來(lái)估算指定區(qū)域和管理措施條件下的土壤碳飽和虧缺程度。目前，國(guó)際上估算土壤固碳潛力主要采用 Century、DNDC、Roth-C 和EPIC 等機(jī)理模型。West 和 Six[74]指出，土壤對(duì)有機(jī)碳的固持在遠(yuǎn)離其飽和點(diǎn)時(shí)，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程能較好地模擬有機(jī)碳的變化，而接近飽和時(shí)，漸近線(xiàn)方程則更為恰當(dāng)。國(guó)內(nèi)學(xué)者韓冰等[78]利用DNDC 模型對(duì)我國(guó)分省農(nóng)田土壤碳庫(kù)的飽和水平進(jìn)行了估算，同時(shí)對(duì)不同地區(qū)的農(nóng)田土壤固碳潛力的差異性進(jìn)行了分析。在農(nóng)田尺度上，一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，雖然長(zhǎng)期施肥后的整土有機(jī)碳含量仍繼續(xù)增加，但在一些較穩(wěn)定的碳庫(kù)組分呈現(xiàn)出碳飽和的跡象[75–78]?？偠灾?，我國(guó)農(nóng)田固碳潛力的研究大都集中在宏觀(guān)尺度上(如地塊或區(qū)域)，而在微觀(guān)尺度上的土壤固碳潛力與碳飽和機(jī)理方面還缺少系統(tǒng)的研究，需要在今后進(jìn)一步加強(qiáng)。

綜上所述，耕作制度與管理措施改變了土壤的環(huán)境和團(tuán)聚化作用，影響了土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的累積及分布情況，從而影響了土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的發(fā)展及土壤肥力的穩(wěn)定與提升，反過(guò)來(lái)良好的土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)將有助于穩(wěn)定和提升土壤肥力、固持土壤有機(jī)碳、擴(kuò)大土壤碳匯。因此需要進(jìn)一步利用穩(wěn)定13C示蹤技術(shù)研究土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體中的固定機(jī)理，以及在農(nóng)田尺度上的固碳潛力。

4 問(wèn)題與展望

穩(wěn)定同位素的方法在農(nóng)田土壤碳循環(huán)以及團(tuán)聚體研究中的應(yīng)用是一個(gè)隨著技術(shù)逐漸發(fā)展的過(guò)程。在土壤有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)移、有機(jī)碳周轉(zhuǎn)方面，人們?cè)絹?lái)越多地利用穩(wěn)定13C同位素示蹤技術(shù)。但總體來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定

13C同位素的方法在農(nóng)田土壤碳循環(huán)以及團(tuán)聚體研究中的應(yīng)用仍存在許多問(wèn)題和不足。首先是穩(wěn)定13C同位素本身價(jià)格不低；其次是13C標(biāo)記的有機(jī)物料很難制備與獲?。辉俅问菣z測(cè)必須的同位素比例質(zhì)譜不僅價(jià)格昂貴，而且運(yùn)行成本高，并且有時(shí)難以達(dá)到精度要求，在一定程度上限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。雖然穩(wěn)定13C同位素技術(shù)已在土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用，然而關(guān)于土壤微生物結(jié)構(gòu)、數(shù)量與農(nóng)田土壤碳循環(huán)及團(tuán)聚體固碳之間的關(guān)系尚不清楚。因此，通過(guò)穩(wěn)定13C同位素示蹤結(jié)合微生物分子生物學(xué)技術(shù)來(lái)探討農(nóng)田土壤碳循環(huán)和團(tuán)聚體固碳機(jī)理仍然是今后有效的研究手段。

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JIN Xinxin, WANG Jingkuan*, SUN Liangjie, WANG Shuai, PEI Jiubo, An Tingting,

Progress of Carbon Cycle in Farmland and Sequestration in Soil Aggregates Revealed by Stable13C Isotope

DING Fan, GAO Xiaodan, XU Yingde
(College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Soil organic carbon (SOC) pool in farmland is an important component of the global carbon cycle. Changes of the accumulation and decomposition of SOC are directly related to the carbon storage in terrestrial ecosystems and to the global carbon balance. Soil aggregate is an essential material foundation of soil structure, an important carrier of soil fertility, and also the core of all carbon sequestration. Stable13C isotope technique is a powerful tool to study the dynamic changes of soil carbon cycle and the roles of soil microorganism in the process of organic carbon turnover. This paper mainly described the research advances of organic carbon cycle the mechanism of carbon sequestration in soil aggregate revealed by13C stable isotope technology, and briefly proposed the key research contents in the coming future.

13C stable isotope; Organic carbon; Soil aggregate; Farmland

S124.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.02.002

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31330011)資助。

* 通訊作者(j-kwang@163.com)

金鑫鑫(1987—)，女，遼寧阜新人，博士研究生，主要從事土壤肥力與土壤生態(tài)方面研究。E-mail: jinxinxin0218@163.com