毛 頔

(西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與水土保持學(xué)院，云南 昆明 650224)

1 引言

土壤有機碳作為土壤中最重要的組成部分之一，是土壤質(zhì)量評價的重要指標(biāo)[1]，不僅對大氣二氧化碳含量產(chǎn)生影響，更對稻田農(nóng)作物生長起到重要作用。合理的調(diào)節(jié)稻田土壤碳含量不僅能夠減少土壤CO2排放量，改善土壤酸堿平衡，進而提高土壤質(zhì)量達到糧食高產(chǎn)的目的。我國對土壤有機碳研究相對較晚[2]，對于稻田土壤有機碳研究多存在于含量研究，土壤有機碳變化規(guī)律研究以及土壤有機碳礦化作用研究。本文通過對土壤有機碳的重要性以及土壤有機碳影響因素和研究進展進行綜述，旨在揭示土壤有機碳作用以及影響土壤有機碳含量因素為今后稻田土壤有機碳相關(guān)研究提供參考。

2 水稻田土壤有機碳研究意義

2.1 土壤有機碳概念

土壤有機碳(soil organic carbon)簡稱“SOC”，是指以各種形態(tài)和狀態(tài)存在于土壤中的含碳化合物。它包括動物、植物和微生物殘體以及分解、合成的產(chǎn)物，它是土壤中的細小非生命體形式的天然有機物的總稱，實質(zhì)上包括未改變和部分改變的動植物殘體。土壤有機碳含量受到地形地貌、氣候、土壤質(zhì)地、生物和認為活動等多方面影響，其中氣候條件是影響土壤有機碳含量及分布的重要外部因素。

土壤有機碳含量是表達土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。其在土壤肥力、土壤耕作特性以及土壤生產(chǎn)力等方面有著巨大作用。土壤有機碳不僅含有植物生長所需的各種營養(yǎng)元素，還在一定程度上調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤穩(wěn)定性以及改善微生物的生長環(huán)境[3]，并且土壤有機碳還為微生物生產(chǎn)活動提供能源。因此，土壤有機碳在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

2.2 稻田土壤有機碳的研究意義

土壤有機碳作為土壤重要的肥力指標(biāo)之一，其含量不僅能夠影響土壤理化性質(zhì)，更能對糧食產(chǎn)量產(chǎn)生影響。龔子同[4]等認為，水稻土是我國特色的土壤類型，具有高生產(chǎn)力高質(zhì)量等特點。在我國農(nóng)田中，水稻田土壤有機碳含量明顯高于旱地土壤。在我國土壤有機碳庫的統(tǒng)計研究表明，中國土壤與表層有機碳庫約為20 Pg，其中6個土壤表層土壤有機碳庫在1.0 Pg以上，水稻土為其中主要類型之一[5]。水稻土具有較高的碳密度以及較強的固碳能力，研究認為水稻對有機碳的快速積累與水稻生產(chǎn)能力的提高從而導(dǎo)致的作物碳源對土壌有機碳的輸入的增加有關(guān)[6]。因此，研究稻田土壤有機碳，既可補充中國對于土壤有機碳相關(guān)研究的空白，又能夠了解中國特殊耕作土地中土壤有機碳的變化規(guī)律、固碳作用等問題，以期達到增強我國糧食生產(chǎn)潛力和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的。

3 影響水稻田土壤有機碳含量的因素

3.1 自然因素

3.1.1 氣候

氣候變化是影響土壤碳儲量平衡的重要因素，在土壤有機碳含量模型建立中也被認為是影響土壤有機碳含量的主要因素之一[7]。氣候變化主要通過溫度變化、降水等氣候因子影響土壤中有機碳輸入與轉(zhuǎn)化過程進而影響土壤中有機碳含量。水稻田由于耕作的特殊性，氣候因素對于農(nóng)作物生長環(huán)境影響巨大。通過對土壤溫度、pH值、微生物量和微生物活動強度以及光合作用強度等方面變化，從而影響土壤有機碳的固定和礦化作用。研究表明：不同的氣候條件下稻田土壤有機碳含量變化幅度明顯[8]。

3.1.2 地形

不同地形地貌以及海拔高度決定了當(dāng)?shù)氐耐寥罍囟鹊葰夂蛞蛩?，對土壤有機碳含量影響較大[9]。不同的海拔高度土壤有機碳含量存在差異，影響因素較為復(fù)雜，地形地貌和海拔高度不但影響了參與土壤有機碳固定和礦化作用的微生物量以及微生物組成，也影響著當(dāng)?shù)赝寥罍貪穸?、土壤質(zhì)地以及其他性質(zhì)的改變。

3.1.3 灌溉水

水稻田的灌溉方式特殊，不同地域水稻田呈現(xiàn)出不同的灌溉特點。如我國大部分水稻田收獲期田內(nèi)為淹水，云南元陽地區(qū)水稻田常年處于淹水狀態(tài)。灌溉水可直接為水稻田土壤提供有機碳以及外援植物殘體和與土壤有機碳相關(guān)的微生物。灌溉水對酸堿環(huán)境、微團聚體量以及富里酸等化學(xué)元素含量改變進而對稻田的有機碳含量產(chǎn)生影響。

3.1.4 生物

生物對水稻田土壤有機碳含量影響主要包括植物與動物。水稻田中農(nóng)作物是影響土壤有機碳含量的直接因素，不同的農(nóng)作物種類，不同栽植密度對土壤有機碳的碳源與碳匯有著不同的影響[10]。水稻田土壤有機碳的來源很大一部分是植物殘體以及植物根系分泌物。在水稻田中經(jīng)常會養(yǎng)殖動物其中包括泥鰍、魚、青蛙等，其動物排泄物也是水稻田土壤有機碳的重要來源之一[11]。

3.1.5 土壤

不同的土壤粒度結(jié)構(gòu)有著不同的通氣性和透水性，通過對土壤中礦化作用以及腐殖化作用的影響，從而影響水稻田土壤有機碳含量[12]。土壤粘粒含量的不同對于土壤有機質(zhì)含量具有重要影響，土壤粘粒具有較大的比表面積以及較大的電荷密度，可與水稻田中有機物質(zhì)結(jié)合形成較為穩(wěn)定的團聚體結(jié)構(gòu)并附著在土壤層表面，從而降低微生物對土壤有機碳的分解[13]。

3.2 人為因素

3.2.1 施肥

施肥作為農(nóng)田土地耕作中必不可少的一步，是保障土壤物理性質(zhì)，改善土壤化學(xué)機構(gòu)以及土壤微生物量的組要人為因素之一[14]。我國大部分地區(qū)土壤肥力較弱，通過施用肥料的方式可直接提高土壤肥力，達到增產(chǎn)增收的目的。由于水稻田常年耕作，消耗大量的土壤有機碳以及其它養(yǎng)分，僅通過灌溉水?dāng)y入有機碳量以及攜入枯落物已經(jīng)無法滿足水稻田土壤有機碳的養(yǎng)分平衡[15、16]。曹志洪[17]等人研究認為在不施肥的情況下土地連續(xù)耕種會導(dǎo)致土壤有機碳分解轉(zhuǎn)化速率加快，碳素損失增加。長期施用肥料能有效解決因長期耕作引起的土壤貧瘠，土壤性質(zhì)變差等情況。土壤有機碳量受到其它土壤元素的影響。孟磊[18]等人研究結(jié)果表明施用NLJ比例的肥料，能夠顯著提高土壤中有機碳含量。施肥能顯著提高農(nóng)作物長勢以及產(chǎn)量，通過秸稈還田方式使得農(nóng)田中農(nóng)作物殘留物增加，從而提高土壤中有機碳含量。相反，有研究認為，通過施肥氮素的輸入等方式可能破壞了某些團聚體的復(fù)合體，加劇了土壤活性有機碳的溶出，從而使得土壤中有機碳含量降低[19]。有研究表明，施用肥料可使土壤中微生物量提升明顯，顯著增加了土壤微生物碳量，但隨著時間的推移微生物量會降低并達到平衡[20]。

3.2.2 耕作

農(nóng)耕作為影響水稻田土壤有機碳含量必不可少的一部分，在水稻田中不同的農(nóng)業(yè)耕作方式和農(nóng)業(yè)耕作周期對土壤中有機碳含量產(chǎn)生直接的影響[21]。合理的耕作方式不僅能夠使得土壤營養(yǎng)損失量降低，還能夠提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)量，從而達到可持續(xù)發(fā)展的目的。研究表明，農(nóng)業(yè)耕作是引起土壤有機碳含量下降的主要原因之一，傳統(tǒng)的耕作方式會加快土壤氧化和礦化，破壞土壤團聚體結(jié)構(gòu)，從而使得土壤有機碳含量下降[22]。傳統(tǒng)耕作方式對土壤擾動較大，加快了土壤呼吸作用[23]。水稻田中土壤翻耕使得部分活性有機碳分解和遷移，使得深層土壤有機碳附著在表層土壤中供農(nóng)作物吸收。眾多研究結(jié)果表明，合理的土壤翻耕配合秸稈還田等措施有利于提高土壤固碳潛力以及土壤有機碳含量。Campbell[24]等,研究表明秸稈還田會使得土壤有機碳含量逐年提高。王丙文[25]等,研究結(jié)果表明秸稈還田對于農(nóng)作物生長影響顯著。Lou[25]等,對中國北方農(nóng)業(yè)耕地進行相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，對于表層土壤而言傳統(tǒng)耕作方式有機碳含量明顯低于其他保護性耕作方式有機碳含量。徐勝祥[26]等對不同耕作方式下土壤固碳潛力研究發(fā)現(xiàn)，改變傳統(tǒng)耕作方式并結(jié)合秸稈還田可有效提高土壤固碳潛力。其他研究表明，免耕、少耕、淺耕可有效提高表層土壤有機碳含量，大多研究結(jié)果認為不同的耕作方式對于土壤深層有機碳含量影響不大[27]。

4 水稻田土壤有機碳研究方法與研究趨勢

4.1 水稻田土壤有機碳研究方法

當(dāng)前我國水稻田土壤有機碳相關(guān)研究已成為熱門話題[28]。由于水稻田的特殊的耕作方式以及特殊的地理位置條件受到國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[29]。影響有機碳含量變化是復(fù)雜多變的。我國對水稻田土壤有機碳研究起步較晚[30]，研究內(nèi)容相對單一。我國水稻土有機碳多為區(qū)域內(nèi)有機碳含量研究以及相關(guān)性研究，水稻土壤有機碳儲量估算以及土壤有機碳含量模型研究。對于土壤有機碳含量變化影響因素研究，水稻田土壤碳循環(huán)研究，以及對水稻田土壤有機碳團聚體結(jié)構(gòu)和不同絡(luò)合產(chǎn)物穩(wěn)定性等微觀研究相對較少。

我國對于南方水稻田土壤有機碳研究主要方式為利用傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)結(jié)合方式。將傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)和地統(tǒng)計學(xué)方法結(jié)合的方式應(yīng)用于土壤有機碳空間結(jié)構(gòu)性研究越來越普遍。土壤有機碳的影響因素多樣，受降水、溫度、微生物、等多方面因素影響，產(chǎn)生不同的空間分布。魏孝榮[31]等人，研究結(jié)果表明有機碳的分布受到環(huán)境條件的直接影響并且通過影響有機碳不同組分之間的關(guān)系來改變其分布特征。李鳳博[32]等人，研究表明土壤有機碳含量變化收地形、土地利用方式以及土壤化學(xué)性狀等因素影響。

4.2 水稻田土壤有機碳研究不足及趨勢

水稻田是我國南方的主要耕地類型，其面積占比高達80%。在我國保護性耕作制度實行推廣后，水田土壤有積碳密度以及土壤有積碳含量均高于旱地土壤有機碳水平。水稻田同樣作為我國糧食的主要生產(chǎn)方式，其水稻田的物理化學(xué)性質(zhì)，影響農(nóng)作物產(chǎn)量方式等備受學(xué)術(shù)界重視。我國雖在稻田土壤有機碳研究處于起步階段，但近年相關(guān)研究眾多，有由淺入深，由單一到復(fù)雜的研究趨勢。我國南方水稻田土壤有機碳研究現(xiàn)今僅存在于表層，對于機理性研究相對較少。微觀上對于土壤中土壤有機碳的固定機制尚不清楚，土壤中碳氮耦合作用及影響因素研究少見，對于稻田土壤有機碳相關(guān)性研究缺乏深度，由于人為因素干擾對于土壤有機碳礦化作用研究報道較少。宏觀上，我國幅員遼闊，南方水田分布面積大，各地區(qū)水田多樣，土壤質(zhì)地較為復(fù)雜，自然因素和人為因素影響差異明顯，但對于土壤質(zhì)地、溫度、海拔等相關(guān)性研究僅存在小流域內(nèi)，并且研究結(jié)果存在差異。同樣對于土壤碳儲量研究缺乏完整準確的數(shù)據(jù)，并且土壤有機碳儲量公式多樣難以形成系統(tǒng)。

5 結(jié)語

稻田土壤作為南方最主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展進步有著重要作用。土壤有機碳不僅影響稻田土壤質(zhì)量，對農(nóng)作物產(chǎn)量起到不可忽視的作用。影響土壤有機碳含量主要有自然因素和人為因素兩方面，其中自然因素為氣候、地形、灌溉水、生物、土壤等；人為因素主要為農(nóng)業(yè)耕作方式以及施肥。

我國對于稻田土壤有機碳研究處于起步階段，土壤有機碳研究主要存在于宏觀研究。今后水稻田土壤有機碳重點研究領(lǐng)域首先是土壤有機碳時空分布特征和土壤碳庫研究。通過長期的田間定位監(jiān)測，以及普查資料對土壤有機碳動態(tài)變化進行系統(tǒng)分析，從而掌握該地區(qū)土壤有機碳空間格局以及當(dāng)?shù)赝寥烙袡C碳儲量。其次土壤有機碳源匯的物理、化學(xué)和生物過程研究，完善土壤碳循環(huán)機制。通過對當(dāng)?shù)赝寥烙袡C碳含量檢測以及結(jié)合影響因素分析，通過室內(nèi)模擬實驗了解演化過程以及微觀基礎(chǔ)理論。另外利用GIS等平臺技術(shù)也是當(dāng)今發(fā)展的趨勢之一，通過利用數(shù)學(xué)平臺技術(shù)在完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的前提下相互結(jié)合得到更可靠的科學(xué)結(jié)論。