稻田土壤有機碳固定的研究和展望

　　摘要：土壤有機碳是地球表層系統(tǒng)中最大且最具有活動性的生態(tài)系統(tǒng)碳庫之一。我國農業(yè)土壤尤其是稻田土壤有機碳庫的變化及其對陸地生態(tài)系統(tǒng)和大氣CO2的源匯效應，對水環(huán)境質量和土壤肥力的影響，以及其在人類利用和管理與生態(tài)環(huán)境演變中的動態(tài)變化越來越受到重視。討論了稻田土壤與旱地土壤有機碳固定的差異、有機碳在稻田土壤中分布、碳固定的可能機制及其施肥影響，并為進一步研究提出了展望。

　　關鍵詞：稻田土壤;有機碳;碳固定;展望

　　土壤碳庫為地球表層系統(tǒng)中最大的碳儲庫。土壤中的有機碳庫與無機碳庫都是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫，對于溫室效應與全球氣候變化同樣有著重要的控制作用。全球土壤有機碳庫(SOC pool)達到1 500～2 000 Pg，是大氣碳庫750 Pg的2倍以上，是陸地生物量500～600 Pg的2~3倍;無機碳庫(SIC pool)也達700~1 000 Pg。但由于土壤無機碳存在更新周期，有資料表明為8 500多年，因此土壤有機碳庫在全球變化研究中顯得更為重要。1850―1995年，全球CO2釋放總量約為270 Pg C。其中，由于砍伐森林和土地利用方式的改變所造成CO2釋放量約達136 Pg C。全球每年因土壤呼吸作用釋放到大氣的總碳量約為68 Pg，全球每年因焚燒燃料釋放到大氣的碳遠低得多，僅為6 Pg。土壤貢獻于大氣CO2的年通量是燃燒化石燃料貢獻量的10倍。因此，土壤呼吸的變化能顯著地減緩或加劇大氣中CO2的數(shù)量，進而影響氣候變化。據估計，如果全球范圍內土壤有機質下降1%、2%、3%，將導致大氣CO2濃度分別增加5.0、12.5、20.0 mg/kg。在過去的 150年期間，由于土壤有機碳下降貢獻于大氣CO2濃度升高80 mg/kg的6%～25%[1]。

　　中國水稻土面積約3 000萬hm2，植稻有7 000年的歷史，水稻種植面積占世界水耕土面積的23%，占全國耕地總面積的25%。水耕土壤(廣義的水稻土)是特殊的人為濕地土壤，是自然土壤在人為水耕熟化過程中形成的，具中國特色。對中國土壤有機碳庫的統(tǒng)計表明，中國表層土壤有機碳庫約20 Pg，主要土壤類型之一是水稻土，為1.1 Pg，共有6個表層土壤有機碳庫在1.0 Pg以上。有機碳的積累是水稻土水耕熟化過程中的普遍趨勢。要使中國爭取更多溫室氣體排放量，進行稻田土壤有機碳監(jiān)測尤為重要。20世紀80年代以來，中國大多數(shù)水稻土碳固定效應十分顯著，土壤有機碳庫呈現(xiàn)增長的趨勢[2]。因此，研究稻田土壤有機碳固定意義重大，為中國外交斡旋提供基礎。

　　1、水稻土與旱作土固碳效益差異

　　中國大面積農業(yè)土壤保持有機碳的主要途徑之一是灌溉及其水耕熟化作用。據全國第二次土壤普查資料，中國水田土壤共3 000萬hm2，與旱地土壤相比，全國水田土壤有機碳含量普遍較高。據計算，水田保存表層碳密度是旱地土壤的137.7%，有機碳量達0.9 Pg。在長江中下游、華南、黃土高原和華北地區(qū)，有機碳固定最為顯著，我國灌溉農業(yè)的發(fā)展相當于增加有機碳固定達0.3 Pg。據江蘇省第二次土壤普查，水田土壤平均有機碳含量接近12 g/kg，而旱地土壤約6 g/kg。1949年時全省水田面積為93.47萬 hm2，1998年達266.97萬hm2，40年間的碳固定速率達到20 g/(m2・年)，碳固定效應可達17 Tg。湖南省第二次土壤普查資料表明，旱地土壤與水田土壤的平均有機碳含量分別為10.22 g/kg和18.36 g/kg。同樣，江西省是南方土壤有機碳十分缺乏的省份，截至1980年，該省旱地削減到 46萬hm2，水田則發(fā)展到300萬hm2。水田土壤有機碳的平均含量達16.6 g/kg，旱地土壤為9 g/kg，不同母質起源的土壤中，水田土壤有機碳均顯著高于旱地土。荒漠地區(qū)土壤水分條件較差，但這種水田土壤的碳固定作用也十分明顯。甘一新干旱平原區(qū)資料表明，在引水灌溉和耕墾培肥后，不同荒漠土壤有機碳的升高幅度在1~3 g/kg。與普通灌淤土相比，寧夏植稻歷史較長的灌淤土的有機碳含量顯著較高。根據第二次全國土壤普查中面積、耕層厚度和容重等資料計算，中國灌溉農業(yè)下的水田土壤累計碳固定效應達0.22 Pg[3]。因此，水耕熟化作用可穩(wěn)定和提高水田土壤中有機碳。

　　2、稻田土壤有機碳的分布

　　土壤的有機碳剖面分布明顯存在差異，耕層以下土層的有機碳含量較上層低，耕層、犁底層等耕作活動層積累有機碳顯著。某些自然森林1m厚度的土壤碳庫儲存量較大，為20~30 kg/m2;與紅壤、白漿土等低產土壤相比，烏泥土、黃泥土和白土1m厚度的土壤碳庫儲存量分別為 11.72、9.88 、6.77 kg/m2，更高于江蘇省耕作土壤的SOC平均值[4]。

　　關于有機碳在團聚體的分布及其變化備受關注。土壤團聚體有機碳分配是土壤中的重要地球化學性質之一。對水稻土中有機碳團聚體分布的資料不多，對土壤團聚體有機碳分布的研究集中于旱地土壤、植被改變的土壤以及有機物料處理后的土壤。太湖地區(qū)土壤的團聚體及其有機碳含量分析結果如表1所示。由表1可知，往深層以0.02～0.25 mm的微團聚體為主，黃泥土耕層中0.25～2.00 mm和0.02～0.25 mm粒組含量相近，烏泥土、白土中0.25～2.00 mm粗砂級團聚體占50%以上。不同土壤團聚體粒級分異明顯�；幢卑诐{土中以0.02～0.25 mm粒組為主，大于0.02 mm的團聚體粒組占60%～80%。富含氧化鐵的江西紅壤團聚體粒組以0.25～2.00 mm粒組為主，黃泥土在全剖面中小于0.002 mm顆粒占30%左右，大于0.02 mm粒級的團聚體卻占70%左右，而檢測到的黏粒級團聚體甚微。白土的母質以粉砂(0.002～0.020 mm)為主，其次是0.02～0.20 mm粒級，約占全土 1/3。因此，肥力較高的太湖水稻土團聚體分布的特點是 0.02～0.25 mm微團聚集較多。

　　土壤有機質的主要性質之一是土壤有機質的活潑性，即有機質易氧化性，是土氣交換的主體部分。Blair等評價農業(yè)活動對自然土壤有機碳影響，將1/3 moL/L的 KMnO4可氧化碳的比例作為參數(shù)�？裳趸疭OC含量隨著KMnO4濃度的不同，浸提的差異較大。1/3 moL/L的 KMnO4可氧化66%，1/6 moL/L的KMnO4可氧化50%，1/30 moL/L的KMnO4可氧化浸提SOC占11%左右。Majumder等(2008年)用K2Cr2O7和H2SO4氧化SOC。

　　3、稻田土壤碳固定的可能機制

　　20世紀70年代以來，對水稻土中有機碳的分布、含量及其微團聚體分配、有機―無機結合的性質與數(shù)量進行了較多研究[5]。最近對太湖地區(qū)3種水稻土的培養(yǎng)試驗表明，不同發(fā)生起源與土壤礦物組成的水稻土，其有機碳在升溫下的碳損失規(guī)律迥異，滲育型富晶質氧化高鐵的黃泥土的有機碳在升溫下仍然十分穩(wěn)定，而沼澤起源與貧氧化鐵礦物的水稻土有機碳損失較快。近年的研究表明[6]，太湖地區(qū)黃泥土中新增加的有機碳主要固定在0.25～2.00 mm粒組的微團聚體中，提示不同粒徑團聚體中有機碳的組成與活潑性存在差異。土壤中氧化鐵是水稻土中活躍的化學成分，它通過水穩(wěn)性團聚體的形成促進有機碳的復合，作為水稻土高度熟化標志的鱔血(一種有機氧化鐵絡合物)是否可以代表某種固定機制尚不得而知。水耕過程中土壤有機碳的增加還伴隨有機質的腐殖酸組成與結構的演變。最近的資料顯示，無論是江西紅壤起源的水稻土，還是西北灌淤土，水耕熟化過程HA/FA升高。對于水稻土中有機質的研究，過去較多是腐殖質的C/O、C/H和E4/E6的分析，認為水耕熟化過程中，腐殖質光密度降低、C/H減小而C/O提高，羧基含量降低。促進水稻土中有機碳的固定機制尚不清楚。對于相同類型的水稻土來說，運用重液區(qū)分法得到的有機碳復合量一般與全土有機碳呈線性相關，但復合度與有機碳含量無關，說明有機碳在水稻土中與不同物質的結合關系是復雜的。有機碳復合度在不同粒徑的團聚體中的分布因土壤類型與肥力狀況而異。但對于團聚體中有機碳的形態(tài)與化學結構、有機碳的化學活潑性的研究還很少，除了用G0、G1、G2等分組區(qū)分團聚體穩(wěn)定性，用松結態(tài)、穩(wěn)結態(tài)和緊結態(tài)區(qū)分結合程度外。對這種固定效應還無法僅用物理保護作用來解釋。何云峰等[7]提出采用不同的絡合浸提劑提取土壤中和不同黏土礦物結合的腐殖質，與不同酸性土壤用堿性焦磷酸鈉提取的結合態(tài)腐殖質的穩(wěn)定性相似，可能意味著這些土壤的結合態(tài)腐殖質的化學特點類似，化學保護機制相同。水稻土有機碳固定是一個復雜的問題，不但必須要從有機碳的微團聚體分配及其與土壤礦物的結合方式進行研究，而且這需要現(xiàn)代分子水平的研究技術[7]，還必須從有機碳的化學結構與反應性(有機質組成與基團結構)的改變進行深入研究。

　　4、稻田土壤有機碳固定的施肥影響

　　施用有機肥可使稻田土壤固定更多的碳，施用化肥也有一定影響。周萍等[8]研究了長期不同施肥處理(化肥與秸稈配施、化肥與豬糞配施、單施化肥和不施肥)下，水稻土總有機碳和顆粒態(tài)有機碳含量變化，指出不同的施肥處理主要影響耕層土壤的TOC(總有機碳 )和POC(顆粒態(tài)有機碳)含量，化肥與豬糞配施處理，由于有機物質的輸入TOC和POC含量顯著高于其他3種處理，不施肥處理的POC含量顯著高于單施化肥和秸稈配施化肥。陳義等[9]對浙江省黃巖水稻土開展的26年長期施肥定位試驗表明，長期施用有機肥可以促使土壤有機質持續(xù)增長，增長幅度隨有機肥用量增加而增加。袁穎紅等[10]對江西紅壤性水稻土研究發(fā)現(xiàn)，長期施用無機肥、有機肥、無機肥與有機肥配施能顯著增加0.002～0.020 mm微團聚體的含量，而降低<0.002 mm微團聚體的含量。

　　5結語：

　　對于稻田土壤有機碳的研究，提出以下展望。一是稻田土壤碳飽和。水田土壤有機碳含量普遍高于旱地土壤，固定碳更多。而王緒奎等[11]在研究近20年江蘇省環(huán)太湖稻田土壤有機碳動態(tài)特征后提出，該區(qū)土壤有機碳飽和。有待進一步研究如何提高稻田土壤固碳潛力切實可行的技術途徑，從而建立稻田土壤碳的新平衡。二是稻田土壤固碳機制。有機碳一般與土壤中的礦物顆粒結合，或形成有機無機復合體。但究竟是什么機制促進了水稻土中有機碳的固定尚不清楚。值得進一步深入研究[12-14]。三是稻田土壤固碳影響因素。施肥和耕作對稻田土壤固碳影響較大，并可較好調控。施用有機肥可顯著增加稻田土壤固碳量，施用化肥也有一定影響。以往著重于土壤有機質及肥力的研究很多[15-18]，現(xiàn)在研究碳在土壤中的固定及其對環(huán)境的影響成為熱點。頻繁耕作顯然提高了有機碳的氧化，不利于土壤固碳，歐美在旱地廣泛推廣免耕少耕，原因就在于此。但免耕使表層土壤緊實，不利于作物生長，主要還不能通過耕作將表層較多有機碳混入到較下層，從總量上看，可能也不利于土壤固碳。耕作對稻田土壤固碳影響還需研究[19]。

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