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稻田土壤有機(jī)碳固定的研究和展望
摘要：土壤有機(jī)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(nóng)業(yè)土壤尤其是稻田土壤有機(jī)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(yīng)，對水環(huán)境質(zhì)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(jī)碳固定的差異、有機(jī)碳在稻田土壤中分布、碳固定的可能機(jī)制及其施肥影響，并為進(jìn)一步研究提出了展望。
關(guān)鍵詞：稻田土壤;有機(jī)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(jī)碳庫與無機(jī)碳庫都是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫，對于溫室效應(yīng)與全球氣候變化同樣有著重要的控制作用。全球土壤有機(jī)碳庫(SOC pool)達(dá)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(jī)碳庫(SIC pool)也達(dá)700~1 000 Pg。但由于土壤無機(jī)碳存在更新周期，有資料表明為8 500多年，因此土壤有機(jī)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(dá)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(yuǎn)低得多，僅為6 Pg。土壤貢獻(xiàn)于大氣CO2的年通量是燃燒化石燃料貢獻(xiàn)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(jìn)而影響氣候變化。據(jù)估計，如果全球范圍內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)下降1%、2%、3%，將導(dǎo)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(jī)碳下降貢獻(xiàn)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(jī)碳庫的統(tǒng)計表明，中國表層土壤有機(jī)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(jī)碳庫在1.0 Pg以上。有機(jī)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(jìn)行稻田土壤有機(jī)碳監(jiān)測尤為重要。20世紀(jì)80年代以來，中國大多數(shù)水稻土碳固定效應(yīng)十分顯著，土壤有機(jī)碳庫呈現(xiàn)增長的趨勢[2]。因此，研究稻田土壤有機(jī)碳固定意義重大，為中國外交斡旋提供基礎(chǔ)。
1、水稻土與旱作土固碳效益差異
中國大面積農(nóng)業(yè)土壤保持有機(jī)碳的主要途徑之一是灌溉及其水耕熟化作用。據(jù)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(jī)碳含量普遍較高。據(jù)計算，水田保存表層碳密度是旱地土壤的137.7%，有機(jī)碳量達(dá)0.9 Pg。在長江中下游、華南、黃土高原和華北地區(qū)，有機(jī)碳固定最為顯著，我國灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展相當(dāng)于增加有機(jī)碳固定達(dá)0.3 Pg。據(jù)江蘇省第二次土壤普查，水田土壤平均有機(jī)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(dá)266.97萬hm2，40年間的碳固定速率達(dá)到20 g/(m2・年)，碳固定效應(yīng)可達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)碳的平均含量達(dá)16.6 g/kg，旱地土壤為9 g/kg，不同母質(zhì)起源的土壤中，水田土壤有機(jī)碳均顯著高于旱地土�；哪貐^(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(jī)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(jī)碳含量顯著較高。根據(jù)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(nóng)業(yè)下的水田土壤累計碳固定效應(yīng)達(dá)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(jī)碳。
2、稻田土壤有機(jī)碳的分布
土壤的有機(jī)碳剖面分布明顯存在差異，耕層以下土層的有機(jī)碳含量較上層低，耕層、犁底層等耕作活動層積累有機(jī)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(chǎn)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(guān)于有機(jī)碳在團(tuán)聚體的分布及其變化備受關(guān)注。土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分配是土壤中的重要地球化學(xué)性質(zhì)之一。對水稻土中有機(jī)碳團(tuán)聚體分布的資料不多，對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳分布的研究集中于旱地土壤、植被改變的土壤以及有機(jī)物料處理后的土壤。太湖地區(qū)土壤的團(tuán)聚體及其有機(jī)碳含量分析結(jié)果如表1所示。由表1可知，往深層以0.02～0.25 mm的微團(tuán)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(tuán)聚體占50%以上。不同土壤團(tuán)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(tuán)聚體粒組占60%～80%。富含氧化鐵的江西紅壤團(tuán)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(tuán)聚體卻占70%左右，而檢測到的黏粒級團(tuán)聚體甚微。白土的母質(zhì)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(tuán)聚體分布的特點(diǎn)是 0.02～0.25 mm微團(tuán)聚集較多。
土壤有機(jī)質(zhì)的主要性質(zhì)之一是土壤有機(jī)質(zhì)的活潑性，即有機(jī)質(zhì)易氧化性，是土氣交換的主體部分。Blair等評價農(nóng)業(yè)活動對自然土壤有機(jī)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(jī)制
20世紀(jì)70年代以來，對水稻土中有機(jī)碳的分布、含量及其微團(tuán)聚體分配、有機(jī)―無機(jī)結(jié)合的性質(zhì)與數(shù)量進(jìn)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(yàn)表明，不同發(fā)生起源與土壤礦物組成的水稻土，其有機(jī)碳在升溫下的碳損失規(guī)律迥異，滲育型富晶質(zhì)氧化高鐵的黃泥土的有機(jī)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(jī)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(jī)碳主要固定在0.25～2.00 mm粒組的微團(tuán)聚體中，提示不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)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(xué)成分，它通過水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成促進(jìn)有機(jī)碳的復(fù)合，作為水稻土高度熟化標(biāo)志的鱔血(一種有機(jī)氧化鐵絡(luò)合物)是否可以代表某種固定機(jī)制尚不得而知。水耕過程中土壤有機(jī)碳的增加還伴隨有機(jī)質(zhì)的腐殖酸組成與結(jié)構(gòu)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(jī)質(zhì)的研究，過去較多是腐殖質(zhì)的C/O、C/H和E4/E6的分析，認(rèn)為水耕熟化過程中，腐殖質(zhì)光密度降低、C/H減小而C/O提高，羧基含量降低。促進(jìn)水稻土中有機(jī)碳的固定機(jī)制尚不清楚。對于相同類型的水稻土來說，運(yùn)用重液區(qū)分法得到的有機(jī)碳復(fù)合量一般與全土有機(jī)碳呈線性相關(guān)，但復(fù)合度與有機(jī)碳含量無關(guān)，說明有機(jī)碳在水稻土中與不同物質(zhì)的結(jié)合關(guān)系是復(fù)雜的。有機(jī)碳復(fù)合度在不同粒徑的團(tuán)聚體中的分布因土壤類型與肥力狀況而異。但對于團(tuán)聚體中有機(jī)碳的形態(tài)與化學(xué)結(jié)構(gòu)、有機(jī)碳的化學(xué)活潑性的研究還很少，除了用G0、G1、G2等分組區(qū)分團(tuán)聚體穩(wěn)定性，用松結(jié)態(tài)、穩(wěn)結(jié)態(tài)和緊結(jié)態(tài)區(qū)分結(jié)合程度外。對這種固定效應(yīng)還無法僅用物理保護(hù)作用來解釋。何云峰等[7]提出采用不同的絡(luò)合浸提劑提取土壤中和不同黏土礦物結(jié)合的腐殖質(zhì)，與不同酸性土壤用堿性焦磷酸鈉提取的結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)的穩(wěn)定性相似，可能意味著這些土壤的結(jié)合態(tài)腐殖質(zhì)的化學(xué)特點(diǎn)類似，化學(xué)保護(hù)機(jī)制相同。水稻土有機(jī)碳固定是一個復(fù)雜的問題，不但必須要從有機(jī)碳的微團(tuán)聚體分配及其與土壤礦物的結(jié)合方式進(jìn)行研究，而且這需要現(xiàn)代分子水平的研究技術(shù)[7]，還必須從有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性(有機(jī)質(zhì)組成與基團(tuán)結(jié)構(gòu))的改變進(jìn)行深入研究。
4、稻田土壤有機(jī)碳固定的施肥影響
施用有機(jī)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(jī)碳和顆粒態(tài)有機(jī)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(jī)碳 )和POC(顆粒態(tài)有機(jī)碳)含量，化肥與豬糞配施處理，由于有機(jī)物質(zhì)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(yàn)表明，長期施用有機(jī)肥可以促使土壤有機(jī)質(zhì)持續(xù)增長，增長幅度隨有機(jī)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(jī)肥、有機(jī)肥、無機(jī)肥與有機(jī)肥配施能顯著增加0.002～0.020 mm微團(tuán)聚體的含量，而降低<0.002 mm微團(tuán)聚體的含量。
5結(jié)語：
對于稻田土壤有機(jī)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(jī)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(jī)碳動態(tài)特征后提出，該區(qū)土壤有機(jī)碳飽和。有待進(jìn)一步研究如何提高稻田土壤固碳潛力切實(shí)可行的技術(shù)途徑，從而建立稻田土壤碳的新平衡。二是稻田土壤固碳機(jī)制。有機(jī)碳一般與土壤中的礦物顆粒結(jié)合，或形成有機(jī)無機(jī)復(fù)合體。但究竟是什么機(jī)制促進(jìn)了水稻土中有機(jī)碳的固定尚不清楚。值得進(jìn)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(diào)控。施用有機(jī)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(jī)質(zhì)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(diǎn)。頻繁耕作顯然提高了有機(jī)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(shí)，不利于作物生長，主要還不能通過耕作將表層較多有機(jī)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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