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农田生态系统中土壤有机碳研究

2015/12/30 阅读:

土壤有机碳和土壤结构是衡量土壤肥力的重要指标,同时也是影响土壤稳定性和生产力的主要因素。实际农田生态系统中的土壤有机碳是处在不断的矿化(老有机碳为主)和腐殖化(新加入的作物残体、有机肥等)过程中,而土壤结构则是在团聚体不断分散和聚集过程中逐渐形成,且有机碳的矿化和累积[4]与团聚体的分散和聚集过程往往是同时进行的。中国中低产田分布广泛,土壤有机碳含量低下和团聚结构不良往往是中低产田形成的主要因素,而适宜的土壤有机碳组成和含量常常伴随着良好的团聚结构,因此深入研究土壤有机碳和团聚体的相互作用机制对于中低产田改造和地力提升具有重要意义。

1土壤有机碳和团聚体分类及其对地力的作用

土壤有机碳是泛指以各种形态和状态存在于土壤中的各种含碳的有机化合物。在有关农田生态系统的研究中,土壤有机碳常指的是土壤中腐烂分解的有机物或其再合成产物,即所谓的腐殖质(Humus)。由于土壤有机碳种类繁多、结构复杂,不同的研究者有不同的分类方法和标准,与土壤团聚体结构研究相结合的土壤有机碳分组上常常包括化学分组和物理分组。在化学分组上,根据其腐烂分解过程中是否形成具有特异性质的有机化合物,土壤有机碳可分为两大类,一类为非腐殖物质,其化学结构已经明确,可能来源于植物残体降解物,也可能是微生物新合成的有机物,如糖、蛋白质和木质素等;另一类为腐殖物质,其化学结构尚未明确,采用酸或碱提取的含苯环结构的一系列呈褐色或黑色的非晶型有机化合物,如胡敏酸(humicacid,HA)、富里酸(fulvicacid,FA)和胡敏素(humin,HM)。土壤有机碳的60%以上为腐殖物质。依据有机碳在土壤中的物理形态和作用进行颗粒分组:游离态颗粒有机物(freeparticulateorganicmatter,fPOM)、闭蓄态颗粒有机物(occludedparticulateorganicmatter,oPOM;或intraaggregatePOM,iPOM)、矿物结合态有机物(mineralassociatedorganicmatter,MOM)和可溶性有机物(dissolvedorganicmatter,DOM)。fPOM主要由大颗粒的没有完全降解的生物残体形成,并存在于土壤团聚体外部相连的大孔隙中;oPOM为存在于团聚体内部的难降解的有机物;MOM为与土壤粘粒和粉粒紧密结合的有机物,一般为生物残体降解的最终形态;DOM为可溶于水的能通过0.45μm微孔滤膜的有机物,在不同土壤微结构中普遍存在[3,9]。土壤团聚体是以土粒为基础而形成的土壤结构的基本单位。土壤团聚体的分组和土壤有机碳的颗粒分组同属物理分组,其中,水稳性团聚体是团聚体中最重要部分,而土壤有机碳和水稳性团聚体的形成密切相关。水稳性团聚体一般是采用湿筛和震荡进行土壤崩解处理后得到,然后按照粒径大小进行分组[4,8-9],以250μm为界限将团聚体分为大团聚体(macroaggregates,A)和微团聚体(microaggregates,M)。A以2000μm为界可分为A1和A2,A1和A2还可分别以5000μm和1000μm为界续分;M以分53μm为界续分为M1和M2,M2可进一步续分为<2、2~5、5~10、10~53μm。土壤有机碳和团聚体是衡量地力的重要指标,其对土壤地力具有多方面的作用。土壤有机碳具有三大作用,即作物养分的重要来源[10]、提高土壤的保蓄性和缓冲性、改善土壤物理性质。土壤团聚体在地力提升中也具有三大作用,即扩增土壤的水分养分容量、提升土壤微生物活性和功能、形成良好的土壤孔隙结构。

2土壤有机碳对团聚体形成和稳定的作用机制

土壤团聚体主要是通过动植物残体及其分泌物或微生物等有机物与土粒胶结形成,其过程极其复杂。前期研究者认为土壤团聚体的形成过程主要有2种截然相反的模式,一种认为土壤是由小团聚体团聚后再形成大团聚体[13],颗粒有机碳与粘粒或微生物粘液结合形成微团聚体,然后相互作用形成大团聚体。另一种则认为先形成大团聚体,再于其内部的有机碳颗粒周围形成小团聚体,或大团聚体由于有机碳分解而破碎形成小团聚体。基于以上2种模式,关于有机碳对团聚体的形成过程的作用主要形成了以下3个阶段和假说:(1)Edwards和Bremner于1967年提出团聚体形成的有机无机键和复合体形成模型,团聚体是由粘粒通过阳离子键和极性有机物形成,即有机无机的复合过程。这种模型一般适用于粘粒含量较高团粒结构丰富的土壤,且在粘性土壤中得到了广泛的研究和验证[15];(2)Tisdall和Oades于1982提出团聚体的等级发育模型,认为土壤团聚体由微团聚体向大团聚体逐级连续层次性形成。1984年Oades进一步作了重要修改,认为微团聚体能够形成于大团聚体中心,植物根系和微生物菌丝可以通过缠绕作用直接形成大团聚体。这种模型有利于解释oPOM和MOM形成稳定微团聚体的机制,即有机碳先在大团聚体中累积,在大团聚体内部逐渐形成并结合到微团聚体中,而后和微团聚体一起释放出来形成稳定的不易分解的土壤有机碳,而累积在大团聚体中的有机碳则是容易分解的fPOM和DOM。这种模型在大团聚体逐级降解的研究中得到了验证;(3)Six等[8]于1998年提出了大团聚体周转模型,认为微团聚体的形成有赖于颗粒有机物,颗粒有机物增加能够提升大团聚体含量,而其降解则能导致大团聚体的破碎从而释放出微团聚体。并于2000年和2002年进一步完善了该模型,并发展了基于土壤有机碳的胚胎发育模型,认为新鲜有机碳加入土壤后,在微生物的降解下,一部分与土壤矿物结合促进土壤团聚体的形成,余下的fPOM则为微生物继续降解。与此同时,形成的团聚体则反过来阻塞有机碳于大团聚体内,从而对有机碳进行物理保护,使土壤有机碳得到积累。当fPOM被微生物分解殆尽时,微生物就会开始破坏土壤大团聚体的有机胶结剂,从而降低土壤团聚体的稳定性,并使土壤有机碳减少。以上研究主要集中于团聚体形成过程的理论机理模型,而实际田间土壤团聚体是经过一系列物理、化学和生物的作用而形成的,已有研究对其形成机理并无统一明确的认识,仍需进一步的深入研究。土壤团聚体数量和形态能否保持稳定(尤其是水稳定)能够显著影响土壤肥力、结构和功能。土壤团聚体的稳定性对于土壤结构和地力极其重要,且和有机碳水平之间密切相关。团聚体与有机碳结合会提升团聚体的稳定性。土壤湿润时团聚体中闭蓄空气的压力与胶结物质粘结力之间的相对变化决定着土壤团聚体的水稳定性[21]。土壤团聚体的大小及其稳定性往往随着土壤总有机碳含量的增高而增加。有机碳既能增加团聚体之间的相互作用和抗破碎能力,又能降低水分湿润锋在土壤界面中的前进速度,从而提高团聚体稳定性。杨莹莹等[22]研究发现,红壤中水稳性团聚体粒径大小与有机碳含量呈显著正相关。王哲峰等[13]在对干旱农牧交错带的草原土壤的研究中发现,碳水化合物(尤其是稀酸提取的碳水化合物)是影响水稳性团聚体形成和稳定的关键因素,耕种显著降低了土壤有机碳含量,进而显著降低了土壤结构稳定性。

3土壤团聚体对有机碳累积的作用机制

土壤团聚体能够对有机碳进行保护而促进有机碳的稳定和累积。团聚体储存有机碳组分和能力随着其粒径不同而变化。一般来说,与小团聚体相比,大团聚体中具有更多的有机碳,Abdollahi和Schjønning通过长期试验发现团聚体对多聚糖有机碳的累积具有重要影响,MOM在土壤有机碳的中期周转更新中具有重要作用,但粉粒结合态的有机碳则参与了长期的土壤有机碳循环。周萍等发现有机碳含量在大团聚体(200~2000μm)和微团聚体(<2μm)中最高,而在中小团聚体中分布较少,而易氧化态碳主要存在于大团聚体中,该粒级团聚体主要作为新增碳源的载体。张曼夏等[28]认为大团聚体(>0.25mm)在土壤团粒结构中占主导地位,并且随着团聚体粒径的增加,土壤有机碳含量呈下降趋势。郭素春等[29]报道烷基碳/烷氧碳比值随着团聚体粒径的减小而增加,说明有机碳的分解程度是随着团聚体粒径的减小而增加的。O’Brien等利用C3和C4作物自然13C丰度差异发现了微团聚体中有机碳形成时间早于大团聚体。李江涛等的研究表明土壤颗粒有机物的含量随着土壤团聚体粒径的增加而降低,而C/N比为降低趋势。

总之,在目前已有研究基础上,根据土壤团聚体对于有机碳的保护机制(图1)可以将土壤有机碳库分为4类:(1)粘土矿物保护态碳库。土壤粘粒含量和粘土矿物类型显著影响着土壤有机碳的稳定性。土壤粘土矿物(粘粒和粉粒)由于具有巨大的比表面积和表面电荷,能够与有机碳紧密结合形成有机-无机复合体[32],这部分有机碳非常难以降解,属于土壤有机碳中极稳定的碳库(;2)微团聚体保护态碳库。土壤微团聚体主要通过物理机制来减缓土壤有机碳降解。主要体现在2个方面,一个是微团聚体内的孔隙极小,能够在土壤微生物和酶及有机碳之间形成屏障,阻碍了微生物对有机碳的降解,另一个是团聚体影响了微生物食物网络代谢和周转[17],据已有研究有机碳在微团聚体内存在可长达100多年[9]。可见该碳库难以降解,能够促进土壤有机碳的累积和提升;(3)大团聚体保护态碳库。存在于大团聚体中的碳库,通过生物化学作用来维持土壤有机碳,主要是土壤微生物通过自身活动分泌或其躯壳形成的稳定有机物从而积累有机碳[33](;4)非保护态碳库。主要是指土壤中易于降解的有机碳,如植物根系分泌的小分子有机酸、可溶性糖等,以及作物秸秆降解及微生物活动分泌的DOM等。这部分有机碳极易被氧化或被微生物所利用,能够快速释放养分供作物吸收,但是对土壤有机碳的累积和土壤固碳没有显著效果。

4农田管理措施对土壤有机碳和团聚体的影响

农田生态系统的物质循环和能量传输受到人类活动的极大影响。在进行土壤有机碳和团聚体的研究中,人类活动所产生的扰动和影响不可忽视,而这些影响主要体现在耕作、施肥和秸秆还田等农田管理措施上。耕作对土壤结构进行了强烈的破坏,而免耕则降低了大团聚体的破碎,为细颗粒有机碳提供储存场所,降低了细颗粒有机碳的降解速率,进而促进了土壤有机碳的提升。苑亚茹等的研究结果显示,水稳定性土壤团聚体在种植农作物条件下显著低于长期植被自然恢复的草地,表明耕作通过物理扰动极大地破坏了大团聚体,且加速了土壤有机碳的降解。施肥往往有利于土壤有机碳的累积,其原因在于施肥能够提高植物根系分泌物含量,且施用有机肥能够直接往土壤中输入外源有机碳。徐江兵等指出长期施肥能够显著提升团聚体中轻组有机碳、粗颗粒有机碳、细颗粒有机碳和MOM含量,且微团聚体中有机碳大部分为MOM。长期施用有机肥或配施无机肥可以提高微团聚体内的fPOM和大团聚体内的微团聚体中的POM[38]。秸秆还田是农田土壤有机碳的重要来源,对有机碳和土壤团聚体具有重要影响。吴海勇等的研究表明,秸秆还田增加土壤中有机碳含量,降低土壤溶质,增加土壤孔隙度,有利于水稳性大团聚体的形成,进而提高土壤的稳定性,形成良好的土壤结构。郝翔翔等对黑土连续8年进行秸秆还田,发现秸秆能够显著提升大团聚体和各级团聚体内的有机碳含量,同时秸秆还田使得有机碳在大团聚体中的比例增加。博国栋等发现,土壤有机碳随秸秆还田量的增加而增加,高量秸秆还田对改良烟田土壤结构有良好的效果,土壤有机碳与团聚体平均重量直径、几何平均直径及分形维数呈极显著正相关,表明增加土壤有机碳能够改良土壤结构。

5土壤有机碳和团聚体相关研究的新技术

5.1同位素示踪示踪法采用的同位素可分为稳定性和放射性2种,能够用于定量区分土壤团聚体中有机碳周转和分布。(1)稳定性同位素示踪法(13C自然丰度法):土壤有机碳主要来自植物残体,而不同的光合类型植物(C3和C4)具有不同的13C含量,进而形成具有13C差异的土壤有机碳,因此可以用于定量化有机碳的周转及示踪土壤团聚体中有机碳的去向[42]。尽管13C自然丰度能均匀标记作物秸秆,且由于其无污染可供土壤长期标记试验等优势,但其应用范围必须是实验土壤与种植的植被有显著不同的13C含量,故在实际应用中往往受到诸多限制(;2)放射性同位素示踪法:采用14C同位素标记物来标记供试植物,然后通过追踪被14C标记的植物残体来检测有机物质在土壤中的周转。14C示踪标记灵敏度高,可明确有机碳分解与转化产物的来源,能够克服13C示踪方法的应用限制,但该方法所用的示踪物质具有放射性而不适宜于长期田间定位试验。

5.2基于X射线的显微层析技术(synchrotron-basedX-raymicrotomography,SXM)SXM是在传统的土壤切片显微镜观察技术基础上开发出的一种高分辨率和内部结构无损检测的图像检测技术,主要原理在于检测通过土壤外部的X射线来剖析土壤结构内部信息。操作中分别采用稍高和稍低于C吸收限的入射能量,对土壤样品分别进行扫描,再用差减处理即可获得C元素三维空间分布图,进而解析有机碳在团聚体中的分布。Kinyangi等利用SXM发现了细颗粒有机碳包裹在微孔隙中,增强了微结构在土壤结构中的地位。Peth等[44]利用SXM技术成功地定位了土壤有机碳在团聚体的分布。可见在团聚体结构的研究中,SXM不仅可以突破传统的扫描显微技术的二维结构局限,还可以进行非扰动土的直接成像,避免了薄片制作过程对土壤结构的收缩影响。但是应用SXM技术进行土壤团聚体结构研究时,辐射光源的通量、强度、色度对检测结果均具有较大影响,在进行实际土壤样品分析时,应根据土壤的不同质地和不同体积(厚度)慎重的选择光源参数。

5.3扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy,SEM)相关的新技术SEM最初广泛应用于地质、地球化学、材料科学和生物科学领域,在土壤学领域的应用中起步较晚。SEM可以直接用于观测土壤显微结构,但是该技术只能应用于分析干燥的土壤样品,且电子束下扫描测定过程中土样表面需涂上一层金或铂进行导电。而土壤样品干燥过程往往会对样品产生干扰,如风干土壤时,空气干燥会引起土壤体积的收缩(尤其是粘质土壤);冷冻干燥不可避免地形成的结晶水会引起样品整体的膨胀;高温烘干干燥则会极大的破坏土壤颗粒结构。针对常规SEM的缺陷,随着科学技术的发展,在SEM基础上发展新的技术成为土壤结构分析领域的一种趋势。目前相关应用报道的主要有环境扫描电子显微镜(environmentalscanningelectronmicroscopy,ESEM)和SEM与X射线能谱仪(energydispersiveX-rayspectroscopy,EDX)结合技术(SEM-EDX)。应用ESEM进行土壤结构分析时,由于能在检测过程中控制样品的湿度和温度,而不需要在分析前对土样进行干燥处理,且ESEM附带的场发射枪能够带来高达30KV的电压,因此无需采用导电金属金或铂对土样表面进行涂层,避免这些前处理对土样的干扰和破坏,能够最大限度地呈现出自然状态下的土壤团聚体结构[46]。由于EDX具有利用特征X射线光谱来提供土样C元素组成的定性定量信息的特点,将EDX和SEM结合起来不仅能够测定土壤团聚体的内外结构,还可以获取团聚体中C元素的含量分布图,明确其中有机碳的位置以及矿物与C元素的结合形态。可见SEM-EDX技术将非常有助于深入解析土壤团聚体和有机碳之间的相互作用机制,但此类定量研究目前见于报道的还很少。

6存在问题

目前,在土壤有机碳和团聚体相互作用的机制研究中还存在一些问题:(1)在研究内容上,农田生态系统中输入的有机物种类繁多(如秸秆、作物留茬、有机肥、畜禽粪便等),组成复杂(如秸秆含有木质素、纤维素、可溶性糖、有机酸等有机物,且各组分含量随作物品种外界环境而异),各种外源有机物的组分、结构及其矿化分解过程并没有得到广泛深入的研究,进而阻碍了农田土壤有机碳和土壤团聚体形成和转化的机制研究。有机碳如何通过团聚体发生物理、化学和生物上的相互作用至今也还处在探索阶段。另外,外界条件的变化(如耕作、温度、降雨灌溉引起的干湿交替等)极大的改变了有机碳和团聚体在土壤中的分布和稳定性,但是这种改变还存在着极大的不确定性,而且这种改变的强度往往局限于定性的描述。(2)在研究手段上,虽然关于土壤有机碳和团聚体的研究技术已有很多,但这些技术常常局限于某种土壤或者某种特定实验目的,导致了这些技术往往还处于摸索验证阶段,而没有被广大同行广泛认可和采用。另外,现有的研究大都采用一种技术和方法来研究土壤有机碳和团聚体的变化(质量、大小或结构等),而较少综合各种手段和技术。

作者:赵金花 张丛志 张佳宝 单位:封丘农田生态系统国家试验站/中国科学院南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室 河南粮食作物协同创新中心/河南农业大学农学院 小麦玉米作物学国家重点实验室

农田生态系统中土壤有机碳研究

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