稻田土壤有机碳固定的研究和展望

时间：2020-12-04 10:55:27 硕士毕业论文我要投稿

稻田土壤有机碳固定的研究和展望

　　摘要：土壤有机碳是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一。我国农业土壤尤其是稻田土壤有机碳库的变化及其对陆地生态系统和大气CO2的源汇效应，对水环境质量和土壤肥力的影响，以及其在人类利用和管理与生态环境演变中的动态变化越来越受到重视。讨论了稻田土壤与旱地土壤有机碳固定的差异、有机碳在稻田土壤中分布、碳固定的可能机制及其施肥影响，并为进一步研究提出了展望。

稻田土壤有机碳固定的研究和展望

　　关键词：稻田土壤;有机碳;碳固定;展望

　　土壤碳库为地球表层系统中最大的碳储库。土壤中的有机碳库与无机碳库都是陆地生态系统重要的碳库，对于温室效应与全球气候变化同样有着重要的控制作用。全球土壤有机碳库(SOC pool)达到1 500～2 000 Pg，是大气碳库750 Pg的2倍以上，是陆地生物量500～600 Pg的2~3倍;无机碳库(SIC pool)也达700~1 000 Pg。但由于土壤无机碳存在更新周期，有资料表明为8 500多年，因此土壤有机碳库在全球变化研究中显得更为重要。1850―1995年，全球CO2释放总量约为270 Pg C。其中，由于砍伐森林和土地利用方式的改变所造成CO2释放量约达136 Pg C。全球每年因土壤呼吸作用释放到大气的总碳量约为68 Pg，全球每年因焚烧燃料释放到大气的碳远低得多，仅为6 Pg。土壤贡献于大气CO2的年通量是燃烧化石燃料贡献量的10倍。因此，土壤呼吸的变化能显著地减缓或加剧大气中CO2的数量，进而影响气候变化。据估计，如果全球范围内土壤有机质下降1%、2%、3%，将导致大气CO2浓度分别增加5.0、12.5、20.0 mg/kg。在过去的 150年期间，由于土壤有机碳下降贡献于大气CO2浓度升高80 mg/kg的6%～25%[1]。

　　中国水稻土面积约3 000万hm2，植稻有7 000年的历史，水稻种植面积占世界水耕土面积的23%，占全国耕地总面积的25%。水耕土壤(广义的水稻土)是特殊的人为湿地土壤，是自然土壤在人为水耕熟化过程中形成的，具中国特色。对中国土壤有机碳库的统计表明，中国表层土壤有机碳库约20 Pg，主要土壤类型之一是水稻土，为1.1 Pg，共有6个表层土壤有机碳库在1.0 Pg以上。有机碳的积累是水稻土水耕熟化过程中的普遍趋势。要使中国争取更多温室气体排放量，进行稻田土壤有机碳监测尤为重要。20世纪80年代以来，中国大多数水稻土碳固定效应十分显著，土壤有机碳库呈现增长的趋势[2]。因此，研究稻田土壤有机碳固定意义重大，为中国外交斡旋提供基础。

　　1、水稻土与旱作土固碳效益差异

　　中国大面积农业土壤保持有机碳的主要途径之一是灌溉及其水耕熟化作用。据全国第二次土壤普查资料，中国水田土壤共3 000万hm2，与旱地土壤相比，全国水田土壤有机碳含量普遍较高。据计算，水田保存表层碳密度是旱地土壤的137.7%，有机碳量达0.9 Pg。在长江中下游、华南、黄土高原和华北地区，有机碳固定最为显著，我国灌溉农业的发展相当于增加有机碳固定达0.3 Pg。据江苏省第二次土壤普查，水田土壤平均有机碳含量接近12 g/kg，而旱地土壤约6 g/kg。1949年时全省水田面积为93.47万 hm2，1998年达266.97万hm2，40年间的碳固定速率达到20 g/(m2・年)，碳固定效应可达17 Tg。湖南省第二次土壤普查资料表明，旱地土壤与水田土壤的平均有机碳含量分别为10.22 g/kg和18.36 g/kg。同样，江西省是南方土壤有机碳十分缺乏的省份，截至1980年，该省旱地削减到 46万hm2，水田则发展到300万hm2。水田土壤有机碳的平均含量达16.6 g/kg，旱地土壤为9 g/kg，不同母质起源的土壤中，水田土壤有机碳均显著高于旱地土。荒漠地区土壤水分条件较差，但这种水田土壤的碳固定作用也十分明显。甘一新干旱平原区资料表明，在引水灌溉和耕垦培肥后，不同荒漠土壤有机碳的升高幅度在1~3 g/kg。与普通灌淤土相比，宁夏植稻历史较长的灌淤土的有机碳含量显著较高。根据第二次全国土壤普查中面积、耕层厚度和容重等资料计算，中国灌溉农业下的水田土壤累计碳固定效应达0.22 Pg[3]。因此，水耕熟化作用可稳定和提高水田土壤中有机碳。

　　2、稻田土壤有机碳的分布

　　土壤的有机碳剖面分布明显存在差异，耕层以下土层的.有机碳含量较上层低，耕层、犁底层等耕作活动层积累有机碳显著。某些自然森林1m厚度的土壤碳库储存量较大，为20~30 kg/m2;与红壤、白浆土等低产土壤相比，乌泥土、黄泥土和白土1m厚度的土壤碳库储存量分别为 11.72、9.88 、6.77 kg/m2，更高于江苏省耕作土壤的SOC平均值[4]。

　　关于有机碳在团聚体的分布及其变化备受关注。土壤团聚体有机碳分配是土壤中的重要地球化学性质之一。对水稻土中有机碳团聚体分布的资料不多，对土壤团聚体有机碳分布的研究集中于旱地土壤、植被改变的土壤以及有机物料处理后的土壤。太湖地区土壤的团聚体及其有机碳含量分析结果如表1所示。由表1可知，往深层以0.02～0.25 mm的微团聚体为主，黄泥土耕层中0.25～2.00 mm和0.02～0.25 mm粒组含量相近，乌泥土、白土中0.25～2.00 mm粗砂级团聚体占50%以上。不同土壤团聚体粒级分异明显。淮北白浆土中以0.02～0.25 mm粒组为主，大于0.02 mm的团聚体粒组占60%～80%。富含氧化铁的江西红壤团聚体粒组以0.25～2.00 mm粒组为主，黄泥土在全剖面中小于0.002 mm颗粒占30%左右，大于0.02 mm粒级的团聚体却占70%左右，而检测到的黏粒级团聚体甚微。白土的母质以粉砂(0.002～0.020 mm)为主，其次是0.02～0.20 mm粒级，约占全土 1/3。因此，肥力较高的太湖水稻土团聚体分布的特点是 0.02～0.25 mm微团聚集较多。

　　土壤有机质的主要性质之一是土壤有机质的活泼性，即有机质易氧化性，是土气交换的主体部分。Blair等评价农业活动对自然土壤有机碳影响，将1/3 moL/L的 KMnO4可氧化碳的比例作为参数。可氧化SOC含量随着KMnO4浓度的不同，浸提的差异较大。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机制

　　20世纪70年代以来，对水稻土中有机碳的分布、含量及其微团聚体分配、有机―无机结合的性质与数量进行了较多研究[5]。最近对太湖地区3种水稻土的培养试验表明，不同发生起源与土壤矿物组成的水稻土，其有机碳在升温下的碳损失规律迥异，渗育型富晶质氧化高铁的黄泥土的有机碳在升温下仍然十分稳定，而沼泽起源与贫氧化铁矿物的水稻土有机碳损失较快。近年的研究表明[6]，太湖地区黄泥土中新增加的有机碳主要固定在0.25～2.00 mm粒组的微团聚体中，提示不同粒径团聚体中有机碳的组成与活泼性存在差异。土壤中氧化铁是水稻土中活跃的化学成分，它通过水稳性团聚体的形成促进有机碳的复合，作为水稻土高度熟化标志的鳝血(一种有机氧化铁络合物)是否可以代表某种固定机制尚不得而知。水耕过程中土壤有机碳的增加还伴随有机质的腐殖酸组成与结构的演变。最近的资料显示，无论是江西红壤起源的水稻土，还是西北灌淤土，水耕熟化过程HA/FA升高。对于水稻土中有机质的研究，过去较多是腐殖质的C/O、C/H和E4/E6的分析，认为水耕熟化过程中，腐殖质光密度降低、C/H减小而C/O提高，羧基含量降低。促进水稻土中有机碳的固定机制尚不清楚。对于相同类型的水稻土来说，运用重液区分法得到的有机碳复合量一般与全土有机碳呈线性相关，但复合度与有机碳含量无关，说明有机碳在水稻土中与不同物质的结合关系是复杂的。有机碳复合度在不同粒径的团聚体中的分布因土壤类型与肥力状况而异。但对于团聚体中有机碳的形态与化学结构、有机碳的化学活泼性的研究还很少，除了用G0、G1、G2等分组区分团聚体稳定性，用松结态、稳结态和紧结态区分结合程度外。对这种固定效应还无法仅用物理保护作用来解释。何云峰等[7]提出采用不同的络合浸提剂提取土壤中和不同黏土矿物结合的腐殖质，与不同酸性土壤用碱性焦磷酸钠提取的结合态腐殖质的稳定性相似，可能意味着这些土壤的结合态腐殖质的化学特点类似，化学保护机制相同。水稻土有机碳固定是一个复杂的问题，不但必须要从有机碳的微团聚体分配及其与土壤矿物的结合方式进行研究，而且这需要现代分子水平的研究技术[7]，还必须从有机碳的化学结构与反应性(有机质组成与基团结构)的改变进行深入研究。

　　4、稻田土壤有机碳固定的施肥影响

　　施用有机肥可使稻田土壤固定更多的碳，施用化肥也有一定影响。周萍等[8]研究了长期不同施肥处理(化肥与秸秆配施、化肥与猪粪配施、单施化肥和不施肥)下，水稻土总有机碳和颗粒态有机碳含量变化，指出不同的施肥处理主要影响耕层土壤的TOC(总有机碳 )和POC(颗粒态有机碳)含量，化肥与猪粪配施处理，由于有机物质的输入TOC和POC含量显著高于其他3种处理，不施肥处理的POC含量显著高于单施化肥和秸秆配施化肥。陈义等[9]对浙江省黄岩水稻土开展的26年长期施肥定位试验表明，长期施用有机肥可以促使土壤有机质持续增长，增长幅度随有机肥用量增加而增加。袁颖红等[10]对江西红壤性水稻土研究发现，长期施用无机肥、有机肥、无机肥与有机肥配施能显著增加0.002～0.020 mm微团聚体的含量，而降低<0.002 mm微团聚体的含量。

　　5结语：

　　对于稻田土壤有机碳的研究，提出以下展望。一是稻田土壤碳饱和。水田土壤有机碳含量普遍高于旱地土壤，固定碳更多。而王绪奎等[11]在研究近20年江苏省环太湖稻田土壤有机碳动态特征后提出，该区土壤有机碳饱和。有待进一步研究如何提高稻田土壤固碳潜力切实可行的技术途径，从而建立稻田土壤碳的新平衡。二是稻田土壤固碳机制。有机碳一般与土壤中的矿物颗粒结合，或形成有机无机复合体。但究竟是什么机制促进了水稻土中有机碳的固定尚不清楚。值得进一步深入研究[12-14]。三是稻田土壤固碳影响因素。施肥和耕作对稻田土壤固碳影响较大，并可较好调控。施用有机肥可显著增加稻田土壤固碳量，施用化肥也有一定影响。以往着重于土壤有机质及肥力的研究很多[15-18]，现在研究碳在土壤中的固定及其对环境的影响成为热点。频繁耕作显然提高了有机碳的氧化，不利于土壤固碳，欧美在旱地广泛推广免耕少耕，原因就在于此。但免耕使表层土壤紧实，不利于作物生长，主要还不能通过耕作将表层较多有机碳混入到较下层，从总量上看，可能也不利于土壤固碳。耕作对稻田土壤固碳影响还需研究[19]。

　　6、参考文献

　　[1] SHIMEL D S.Terrestrial ecosystem and the carbon cycle[J].Global Change Biology，1995(1)：77.

　　[2] 王树涛，门明新，刘微，等.农田土壤固碳作用对温室气体减排的影响[J].生态环境，2007，16(6)：1775.

　　[3] 许信旺，潘根兴.中国水稻土碳循环研究进展[J].生态环境，2005，14(6)：961-966.

　　[4] 李恋卿，潘根兴，龚伟，等.太湖地区几种水稻土的有机碳储存及其分布特性[J].科技通报，2000，6(16)：421-426，432.

　　[5] 潘根兴，李恋卿，张旭辉.土壤有机碳库与全球变化研究的若干前沿问题――兼开展中国水稻土有机碳固定研究的建议[J].南京农业大学学报，2002，25(3)：100-109.

　　[6] 潘根兴，李恋卿，龚伟，等.太湖地区几种水稻土的有机碳储存及其分布特性[J].科技通报，2000，16(6)：421-432.

　　[7] 何云峰，徐建民，侯惠珍，等.有机无机复合作用对红壤团聚体组成及腐殖质稳定性的影响[J].浙江农业学报，1998，10(4)：197-200.

　　[8] 周萍，张旭辉，潘根兴.长期不同施肥对太湖地区黄泥土总有机碳及颗粒态有机碳含量及深度分布的影响[J].植物营养与肥料学报，2006，12(6)：765-771.

　　[9] 陈义，吴春艳，水建国，等.长期施用有机肥对水稻土CO2释放与固定的影响[J].中国农业科学，2005，38(12)：2468-2473.

　　[10] 袁颖红，李辉信，黄欠如，等.不同施肥处理对红壤性水稻土微团聚体有机碳汇的影响[J].生态学报，2004，24(12)：2961-2966.

　　[11] 王绪奎，张林钱，芮雯奕，等.近20年江苏省环太湖稻田土壤碳氮及速效磷钾含量的动态特征[J].江苏农业科学，2007(6)：287-292.