土壤碳固定研究進展

土壤碳固定研究進展

在世界變化和可持續(xù)發(fā)展的背景下，土地利用生態(tài)過程及其與世界變化的關(guān)系是現(xiàn)代地球表層過程綜合研究的主要發(fā)展方向和最重要領(lǐng)域之一。這項研究深入地球表層系統(tǒng)各方面的物理、化學、生物和人文過程，并探討了不同過程之間的相互作用機制。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫儲量及其演變、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域的溫室氣體釋放態(tài)勢與減排潛力與途徑等問題的研究成為國際科學界服務(wù)于全球變化控制的主流研究方向。農(nóng)業(yè)作為主要的人類土地利用活動,對土壤碳庫儲存及其演變的影響在全球系統(tǒng)碳循環(huán)研究中被予以廣泛的注意。IPCC第三工作組利用現(xiàn)有各種資料進行了緩解全球氣候變化潛力的評估研究,其第四次評估報告已在2005年下半年經(jīng)過秘魯利馬會議的討論,并在2006年2月于北京舉行的IPCCWorkingGroupIII全體會議上交叉討論,即將提交。在IPCCAR4(2006)報告中,提出了農(nóng)業(yè)是當前具有很大緩解能力和潛力的一個重要的陸地生態(tài)系統(tǒng),全球農(nóng)業(yè)減排的自然總潛力(TotalBiophysicalPotential)高達CO2-eq7300(-1100～16900)Mta-1,其中93%來自減少土壤CO2釋放(即固定土壤碳),并且進一步認為東南亞是全球最大的農(nóng)業(yè)(土壤)固碳與溫室氣體減排的潛力所在。為了明確農(nóng)業(yè)土壤固碳與溫室氣體減排的自然潛力和主要途徑,農(nóng)業(yè)土壤固碳研究已經(jīng)成為最近5年來日益活躍而飛速發(fā)展的一個新興研究領(lǐng)域。在美國,于2001年提出了固碳科學(CSequestrationScience),美國地球物理聯(lián)合會提出了固碳科學技術(shù)(ScienceandTechnologyofCSequestration)的概念,美國農(nóng)業(yè)部將農(nóng)業(yè)土壤固碳和溫室氣體減排作為國家的核心項目。美國能源部支持了3個促進陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳的國家中心和7個地區(qū)中心。在這些機構(gòu)的核心項目中,土壤固碳都占有十分重要的地位。2002年,美國成立了農(nóng)業(yè)土壤溫室氣體減排協(xié)作機構(gòu)(ConsortiumforAgriculturalSoilsMitigationofGreenhouseGases,CASMGS)。美國土壤學家認為,土壤固碳研究是土壤學的最新前沿(FinalFrontierofSoilScience)?？磥?土壤學界對土壤固碳的研究已經(jīng)越來越發(fā)展成為一個具有鮮明服務(wù)目標和獨特研究內(nèi)容和相應(yīng)的研究方法與途徑的新興分支學科。本文圍繞固碳土壤學的核心科學問題,回顧國內(nèi)外近年來對土壤固碳所涉及的基本理論問題——固碳容量、過程和機理的研究進展,討論提出農(nóng)業(yè)土壤固碳科學概念模型及進一步研究的展望,期望對當前我國農(nóng)業(yè)土壤固碳研究有所參考。1建立以固碳潛力為目標的評估模型《京都議定書》規(guī)定簽約國承擔溫室氣體減排義務(wù)時,應(yīng)提交碳和溫室氣體排放和減排的清單,要求是可以計數(shù)、測定、證實,并落實到碳管理和碳貿(mào)易。因此,土壤碳動態(tài)及由這種碳動態(tài)中因素-效應(yīng)關(guān)系出發(fā)的固碳容量與潛力的研究是固碳土壤學的首要任務(wù)。土壤固碳潛力是區(qū)域或國家土被的整體固碳能力。運用土壤碳循環(huán)模型研究土壤固碳潛力成為國際上陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳與溫室氣體減排潛力評估的一種主要方法途徑,這主要是根據(jù)土壤碳循環(huán)過程與機理建立土壤有機碳水平的表征、評估或預(yù)測模型,然后根據(jù)影響因素或管理實踐的變化作為情景分析來估計、評估和預(yù)測區(qū)域或國家尺度的土壤固碳潛力與前景。自20世紀80年代以來,先后開發(fā)出CENTURY、DNDC、RothC等土壤有機碳動力學模型和過程模型,這些模型是機理性的,在用于空間尺度評估時帶來很大的不確定性。新近,考慮空間因素的生物地理與生態(tài)系統(tǒng)模型(如加拿大的森林碳收支模型,CarbonBudgetModeloftheCanadianForestSector,CBM-CFS2)得到更多的關(guān)注。最近,還根據(jù)野外土壤有機碳變異影響因素的研究開發(fā)出農(nóng)田尺度的碳固定潛力評估模型,如用于區(qū)域農(nóng)業(yè)固碳潛力評估的CQUESTER模型,用于田塊尺度固碳潛力評估的EPIC模型,這些模型研究用來評估小區(qū)域內(nèi)或農(nóng)田的固碳潛力及指導固碳管理具有重要意義。在固碳潛力的模型研究上,模型開發(fā)的方法學、模型模擬的有機碳變化及模型適用性與不同系統(tǒng)中模型應(yīng)用的參數(shù)修正,模型估計的不確定性與影響因素,還包括區(qū)域內(nèi)田間有機碳含量的空間變異性及這種變異的尺度效應(yīng)與因素效應(yīng)研究,未來變化趨勢(如土地利用)、自然潛力與社會經(jīng)濟潛力的關(guān)系等問題成為固碳潛力宏觀研究的主要內(nèi)容。另一方面,應(yīng)用MetaAnalysis方法評估不同地區(qū)和國家、不同人為因素下固碳潛力變化也成為宏觀研究的代表性方向。由于歐美一些國家具有豐富的多種長期試驗和調(diào)查觀測資料,對這些資料的歸一化分析統(tǒng)計,可以辨析土壤固碳的主導因素以及固碳潛力的主要途徑,明確人為因素對土壤固碳的整體影響與區(qū)域差異。對全球不同實際資料的交叉分析來探索過去演變趨勢以及利用土地利用變化情景對未來演變趨勢的綜合分析研究近年來顯得十分活躍。2002年,美國橡樹嶺國家生態(tài)實驗室的West和Post發(fā)表了對全球100多個國家的土壤肥料長期試驗地土壤碳動態(tài)的分析報告,評價了全球通過合理輪作和耕作措施促進土壤固碳的潛力;最近,美國Colorado大學國家資源生態(tài)實驗室科學家發(fā)表了對全球不同氣候帶100多個土壤與農(nóng)業(yè)管理的長期試驗和實驗研究點的分析報告,評價了不同農(nóng)業(yè)管理措施對土壤固碳的影響強度及其隨氣候條件的變化。這些研究都是圍繞認識土壤的固碳容量,從而判斷全球土壤和農(nóng)業(yè)溫室氣體減排的自然潛力,評估土地利用覆蓋與全球環(huán)境變化下通過區(qū)域有機碳庫演變對固碳與減排的潛力的變化趨勢。這仍將是今后一個時期土壤碳循環(huán)研究的重要內(nèi)容。而認識土壤固碳的過程和機理是這種研究的基礎(chǔ)依據(jù)。2土壤有機碳的動態(tài)過程與碳庫目前的土壤有機碳水平及其演變預(yù)測模型的基本出發(fā)點是不同條件下的有機碳輸入與輸出的關(guān)系?，F(xiàn)有的模型并不能圓滿地解釋當前土壤碳儲存的地帶性分布及其對溫度變化(全球變暖)的反饋,這在很大程度上是因為對土壤的固碳容量及其穩(wěn)定性機制的認識還不充分。從物源上說,在一定的生態(tài)系統(tǒng)中,有機碳的積累水平依賴于輸入與輸出的平衡,即土壤中有機質(zhì)的礦化與腐殖化的平衡。盡管從全球尺度看,土壤呼吸與生態(tài)系統(tǒng)NPP有明顯的關(guān)系,但土壤有機碳水平并不簡單地隨生態(tài)系統(tǒng)生物量生產(chǎn)而依變,這是因為不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機碳的礦化輸出更強烈地響應(yīng)于溫度和濕度等條件變化。但是,不同地帶的土壤有機碳水平又不能用溫度條件決定的分解趨勢來解釋。例如,Nature上關(guān)于土壤碳變化對于溫度的響應(yīng)有過激烈的爭論,主要是依據(jù)野外地理資料(有尺度的空間變化)與實驗培養(yǎng)資料(無尺度的過程與機理差異)的不同結(jié)果而產(chǎn)生關(guān)于土壤有機碳更新對于溫度的響應(yīng)的不同認識。10年的就地升溫實驗表明,中緯溫帶森林土壤在升溫下增加的碳礦化與碳庫損失并不顯著,反而可能促進生態(tài)系統(tǒng)碳庫增加,這被認為是溫帶森林土壤中活性碳庫較小的緣故。在模擬的陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化和全球變化下土壤碳庫變化及其對溫度的響應(yīng)上,氣候-碳循環(huán)耦合模型的模擬與RothC模型的模擬結(jié)果大相徑庭,因為前者將土壤碳視作均一碳庫而后者將土壤碳視作具有不同活性的快庫和慢庫,因而前者可能過高估計了氣候變化下土壤碳庫的損失及溫度效應(yīng)。近來,越來越多的野外研究提出了對土壤固碳過程與機制的深入認識的研究需求。決定陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳生物地球化學行為的關(guān)鍵因素是土壤中碳固定特性,其焦點是土壤碳庫的分配、結(jié)合和穩(wěn)定性的差異。因此,土壤固碳的自然(生物物理,Biophysical)潛力實際上取決于一定生物氣候條件下穩(wěn)定(頂極)生態(tài)系統(tǒng)中土壤對有機碳的保持容量(RetentionCapacity),它是特定土壤在一定生物氣候條件下有機碳輸入與輸出的平衡水平,這種水平是生物量生產(chǎn)下土壤能夠轉(zhuǎn)化進入土壤的有機物碳的能力與微生物分解釋出碳的能力的平衡。因此,土壤有機碳的轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定和有機碳對于微生物分解的抗性是土壤固碳容量的實質(zhì)。因此,土壤有機碳的轉(zhuǎn)化過程、保護過程和礦化過程都是涉及土壤有機碳固定與穩(wěn)定的基礎(chǔ)過程。3對農(nóng)業(yè)表土有機碳的控制作用在土壤碳保護機制研究上,過去從溫帶森林和草地的土壤有機碳與土壤固相的關(guān)系的靜態(tài)統(tǒng)計出發(fā),提出了粘粒保護理論,試圖用于說明土壤中有機碳的固定容量及碳固定速率。Paul等報道,美國不同土壤條件下土壤有機碳中酸水解組分與非水解組分的平均駐留時間(MRT)與砂粒含量成反比,而與粘粒含量成正比。而統(tǒng)計表明,美國溫帶地區(qū)免耕下土壤有機碳增加最明顯,且增加幅度與粘粒含量成正比。這些研究支持了在溫帶土壤中存在粘粒對有機碳的保護作用。最近,Arrouays等通過對法國102000個耕作土壤表土的有機碳數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,也認為土壤的質(zhì)地(粘粒含量)對于土壤碳水平有重要控制作用,并認為在保護容量高的耕作土壤采取固碳措施比在保護水平低的低碳土壤的固碳更有效。確實,上述粘粒與有機碳的這種關(guān)系在溫帶氣候條件、粘土礦物相主要是2∶1型層狀硅酸鹽粘土礦物的土壤中成立。但是,一個在全球變化被廣泛注意的現(xiàn)象是溫帶特別是高緯地區(qū)土壤碳對于升溫下的微生物礦化和分解十分敏感,即以粘粒為保護機制的土壤碳實際上不十分穩(wěn)定。早就有資料表明,溫帶、寒溫帶地區(qū)土壤有機碳、草地土壤有機碳對于環(huán)境條件變化十分敏感,升溫下分解作用與CO2釋放顯著提高。相反,Ogle等的統(tǒng)計研究表明,森林土壤耕作引起的損失在熱帶最高,而溫帶最低,但免耕下的增加卻是熱帶最多。我們對我國耕地土壤相對于自然土壤的耕作下有機碳損失的研究也表明,我國北方土壤損失強度較大,而熱帶亞熱帶地區(qū)的土壤卻較小;一個十分有意義的現(xiàn)象是,我國水稻土有機碳水平較高,且南方熱帶亞熱帶地區(qū)的水稻土固碳速率較高,具有明顯較大的固碳潛力,聯(lián)系到免耕下土壤有機碳提高反而在熱帶地區(qū)較多等事實,且熱帶亞熱帶地區(qū)土壤粘粒以1∶1型高嶺石為主,其吸附與粘粒保護活性并不如以2∶1型(蒙皂石或伊利石)為主的溫帶地區(qū)的強,這說明粘粒保護作用并不能解釋廣泛的土壤中有機碳的固定容量與機制,當還有比溫帶粘粒保護作用更強的有機碳保護機制存在。4團聚體形成作用通過過去很多關(guān)于土壤有機碳礦化與CO2呼吸釋放的研究,認識到土壤中存在對于微生物分解具有不同響應(yīng)程度的庫,在有機質(zhì)動力學模型中分別稱為快庫、慢庫和穩(wěn)定庫,這些庫對分解和礦化表現(xiàn)出的不同響應(yīng)可能與它們的不同結(jié)合和保護狀態(tài)有密切的關(guān)系。最近5年多來,團聚體(歐洲土壤學家習慣稱為土壤團聚顆粒組,soilparticlesizefractions)尺度的物理、化學和生物學研究越來越認識到土壤中不同庫的保護與穩(wěn)定化機制的差異。團聚體形成作用被認為是土壤碳固定的最重要機制,特別是對快庫的物理保護。Garten等對森林下礦質(zhì)土壤的有機質(zhì)密度分組和團聚體顆粒分組的研究顯示,礦質(zhì)土壤中70%以上的有機碳是存在于粉砂和黏粒級的團聚體顆粒組中,是物理保護的,而未保護部分與溫度的變異有顯著的統(tǒng)計負相關(guān),提示團聚體物理保護對有機碳固定的重要作用。國外的一些研究表明,免耕雖然確實提高了土壤有機碳儲庫,但主要是在最表層(大約0～10cm)以內(nèi),并且提高的主要原因是團聚體內(nèi)的物理保護作用得到保障。旱地土壤中有機碳積累特別是免耕下快速的有機碳積累被歸結(jié)于團聚體形成、穩(wěn)定和更新的保護,而降低土壤的侵蝕破壞及由此的有機質(zhì)損失。目前比較普遍接受的認識是:植物、微生物的碎屑形成微團聚體的核,高碳的新有機物質(zhì)形成和穩(wěn)定粗團聚體,而老有機碳閉封于細團聚體中。但仍認為粘粒礦物與高碳的腐殖物質(zhì)的相互作用(依礦物類型而定)與SOC的保護及其容量的大小密切有關(guān)。團聚體中保護的和未保護的有機碳具有不同的更新速率,因而團聚體保護能力或容量是土壤固碳自然潛力的物理基礎(chǔ)。但對于團聚體內(nèi)部的SOC的存在狀態(tài)、結(jié)合形態(tài)及相關(guān)的固定機制研究還較少。5土壤中有機碳的穩(wěn)定狀態(tài)很多培養(yǎng)研究證實,粗團聚體物理保護的快庫碳仍是不穩(wěn)定的,土壤固碳過程應(yīng)該還涉及土壤碳在團聚體更新中的轉(zhuǎn)化與化學穩(wěn)定。Clough等對于草地土壤的研究表明,團聚體物理保護下的有機碳通過鈣-金屬橋鍵結(jié)合為穩(wěn)定的有機-礦質(zhì)復(fù)合體,即使施用N肥下土壤微生物活性提高,微生物仍不能有效地分解之?？磥?團聚體內(nèi)有機質(zhì)與鈣金屬形成橋鍵結(jié)構(gòu)是這些土壤中團聚體中物理保護有機碳的穩(wěn)定狀態(tài),即使在N有效性提高的條件下,土壤中鈣沒有影響有機碳的可降解性。我們曾經(jīng)提出,水稻土中有機碳不符合黏粒物理保護,而氧化鐵可能在有機碳保護與穩(wěn)定中有重要作用。最近,我們運用徐建明等對有機質(zhì)結(jié)合狀態(tài)的分離提取方法,對南方主要水稻土中團聚體有機碳的結(jié)合狀態(tài)進行了提取分析,表明不同發(fā)生起源和礦物學性質(zhì)的水稻土中有機碳的鈣、鐵鋁鍵合態(tài)的分布不同,水稻土有機碳的氧化穩(wěn)定性與鐵鋁氧化物鍵合量存在顯著的正相關(guān)(1),這初步證實我們原來關(guān)于氧化鐵對水稻土中有機碳的固定和化學穩(wěn)定有重要貢獻的推測。這可以解釋南方水稻土中有機碳的快速積累與其較小的溫度敏感性。Osher等在研究夏威夷火山灰土由森林改為草地和甘蔗田后有機質(zhì)含量的變化中,通過統(tǒng)計關(guān)系也認識到土壤中鐵鋁氧化物含量是控制土壤中尚存的有機碳水平的主要因素,反言之,耕作損失的碳看來與沒有與這些化合物的結(jié)合有關(guān)。Spaccini等在對熱帶非洲森林和森林開墾為農(nóng)地的土壤團聚體顆粒組中總有機碳和碳水化合物含量的變化的研究中,表明耕作引起的總碳損失在砂質(zhì)土中明顯高于粘質(zhì)土(酸性、富氧化鐵鋁)中,并且歸結(jié)于耕作引起團聚體破壞,使土壤失去了物理保護,細的富有機碳和碳水化合物的顆粒(鍵合穩(wěn)定碳)侵蝕流失所致。6化學穩(wěn)定性研究有機質(zhì)化學與同位素化學的結(jié)合研究的發(fā)展,特別是同位素加速質(zhì)譜儀和13C、15N核磁共振質(zhì)譜儀的應(yīng)用為進一步認識土壤(團聚體)中有機碳的化學穩(wěn)定作用提供了可能。最近,Mikutta等認為,土壤團聚體中存在有機碳的物理保護和化學穩(wěn)定的雙重作用,被保護的有機碳在土壤中經(jīng)受固有的化學轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定作用,只是目前對于物理保護和化學穩(wěn)定兩種作用對于固碳能力的相對貢獻還了解很少。他們通過對選擇性溶解的有機碳組分的14C和13C的同位素自然豐度研究和CPMAS-C13NMR質(zhì)譜儀的研究,將不被6%NaOCl溶液溶解的碳稱為穩(wěn)定性有機碳,并進一步分為(化學)保護性碳和(化學)抗性碳(recalcitrantC)(分別溶于和不溶于10%HF),容易被6%NaOCl溶液提取的碳是14C年輕的碳,而證明HF提取的化學保護性碳基本上是與土壤中多聚體鐵鋁氧化物結(jié)合的,而大約不到1/3的穩(wěn)定碳組分是化學抗性碳,它們與礦物質(zhì)結(jié)合狀態(tài)無關(guān)(是有機碳的化學轉(zhuǎn)化的終端狀態(tài))。因此,他們提出酸性森林土壤中與非晶質(zhì)氧化物的結(jié)合使物理保護下的有機碳得到化學穩(wěn)定,認為這種穩(wěn)定化作用是土壤固碳的最重要的本質(zhì)機制。進入土壤的有機物質(zhì)的化學轉(zhuǎn)化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定同樣在固碳中有十分重要的作用。Liang等采用盆栽方法通過13C穩(wěn)定性同位素測定研究了玉米新碳在快庫中的分布,認為水溶性有機碳和微生物碳是新碳的主要歸宿。Janssen等研究認為,DOC可能是代表森林土壤中快庫碳固定的指標;相似地,Franluebbers等的研究提出,較高的POC/TOC比率和較高的POC/PON比率有利于物理保護的土壤固碳。真菌菌根分泌的DOC有利于水穩(wěn)性團聚體形成,保護的有機碳含量增加。Gleixner等采用熱裂解法研究農(nóng)地種植玉米后土壤有機碳裂解產(chǎn)物中碳水化合物的穩(wěn)定性同位素組成,提出慢庫有機碳的增多與固定可能主要地由于碳水化合物特別是多糖的循環(huán)。Cayet和Lichtfouse研究了分別種玉米和小麥23年的旱地土壤團聚體中植物來源的n-烷烴(C29,C31)組分的δ13C‰,該值隨粒徑的增大而升高,不同團聚體粒組中變大,植物葉子來源的n-烷烴(C29,C31)在粗的團聚體中富集,并且含13C的n-n-烷烴在粗的團聚體中更為年輕。而國際有機質(zhì)化學研究專家、意大利Napoli大學的Piccolo教授的團隊最近幾年來采用選擇性有機組分提取、裂解組分化學鑒定和CPMAS聯(lián)合13C核磁共振光譜分析(CPMAS-NMR)等技術(shù),深入研究了土壤中有機碳固定中的有機化學機理,表明來源于玉米的新碳轉(zhuǎn)移進入腐殖組分中,新鮮植物殘體礦化分解的有機碳化合物主要存在于腐殖物質(zhì)的親水組分中,并可以進一步被疏水組分所穩(wěn)定,因而發(fā)現(xiàn)土壤中原有有機碳中的穩(wěn)定組分(腐殖物質(zhì))起著新碳的匯的作用,這是有機碳化學固定的新的研究認識。因此,提出了土壤固碳作用及其機制研究的分子有機化學的新領(lǐng)域。7不同基因型水稻土壤碳源碳源對有機碳更新的影響上述的這些研究都是對土壤中有機碳的庫及庫間的分配、轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定的土壤研究。由于土壤固碳首先與有機質(zhì)輸入有關(guān),不同植物(作物)對于輸入土壤的有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與更新當存在重要的影響。但這方面尚未予以充分注意。在作物對于土壤固碳的影響上,玉米作為同位素標記作物常常用來研究土壤有機碳的更新,而不是直接研究作物對固碳與碳穩(wěn)定影響的機理。目前利用玉米重碳研究土壤有機質(zhì)與團聚體更新都是假設(shè)玉米碳與C-3作物碳的轉(zhuǎn)化與更新速率相同,所以根據(jù)玉米重碳的自然標記可以估算有機質(zhì)與團聚體更新速率。但Paul等的研究指出,利用δ13C‰的差異判讀出的應(yīng)該是土壤中快庫而不是總庫的動態(tài)。因此,該方法在應(yīng)用于解釋總有機碳庫變化時可能高估了更新速率。另外一些研究認為,不同作物下根系分泌物化學組分的差異,使根際微生物出現(xiàn)選擇性利用,例如對轉(zhuǎn)基因作物對土壤微生物影響的研究提出了不同作物基因型可能誘發(fā)微生物區(qū)系的變化,或者基因蛋白質(zhì)對微生物的可能改變,同樣可能使土壤有機質(zhì)的輸入物的性質(zhì)與碳源可利用性發(fā)生改變,因而影響有機質(zhì)的更新與循環(huán)。最近,Kondo等用11個不同基因型水稻進行不同水分(好氣、干燥條件;好氣濕潤條件和淹水)及不同氮水平(不施氮和施氮90kghm-2)下的田間試驗,表明不同基因型的同位素分異比產(chǎn)量的分異更強,這種同位素分異在不同的水分和氮素水平下都存在。并且,秈稻的同位素差異比粳稻更明顯。高濕和低氮顯著促進這種同位素的分異效應(yīng),同種條件下基因型決定的差異比水分的影響更強。不同基因型的同位素分異與水分的蒸散效率有關(guān)。看來,作物及基因型的差異將會影響有機碳的同位素差異,并由于土壤微生物對不同同位素碳源的選擇性利用而可能影響水稻土有機碳更新。在森林土壤中,不同C/N的植物源有機質(zhì)對于碳固定有重要影響,含N較多的有機物質(zhì)僅存在于活性碳庫中,而慢庫中很少,因而N水平是CENTURY模型應(yīng)用時常常要修正的參數(shù)。因此,不同作物當具有不同C/N時,同樣會影響輸入有機質(zhì)的更新與碳固定。而Dijkstra等研究了美國Minnesota某草地FACE試驗5年下植物種群變化對N沉降下土壤碳固定的影響,表明植物種組成的演變使進入土壤的有機源物質(zhì)的木質(zhì)素含量發(fā)生變化,產(chǎn)生富木質(zhì)素殘體的植物種有利于高氮下的土壤固碳。近年來,由于穩(wěn)定性同位素標記與微量樣品同位素分析技術(shù)以及微生物分子生態(tài)技術(shù)的發(fā)展,開始重視土壤固碳中微生物的作用。Rangel-Castro等運用13C脈沖標記技術(shù)研究了施石灰對草地植物光合作用和植物-土壤碳流的影響,說明了土壤活性碳組分的同位素豐度以及碳更新速率受到地上部植物和微生物作用的共同影響。早在1999年,Puget等就研究了團聚體穩(wěn)定性與有機殘體輸入的關(guān)系,根據(jù)有機物與微生物的存在關(guān)系提出依附于團聚體內(nèi)植物殘體的微生物分泌的胞外多糖的穩(wěn)定作用。Piao等通過測定微生物碳的13C穩(wěn)定性同位素豐度變化,表明海拔較低地點的殘體分解較快,微生物δ13C‰值較高,這歸結(jié)于微生物對重碳基質(zhì)的選擇性利用。最近,Billings和Ziegler在運用PLFA13C標記技術(shù)探討FACE條件下有機碳轉(zhuǎn)化與碳固定效應(yīng)時,發(fā)現(xiàn)FACE條件下不同基質(zhì)利用型的細菌群落與相對活性發(fā)生了變化,分解較難分解碳源的細菌群落活性有增強的趨勢。Fontaine等指出,在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,植物的碳輸入與土壤碳水平是負相關(guān)的,當農(nóng)田中微生物處于養(yǎng)分限制條件時,土壤的碳分解加速,碳庫快速消減。他們強調(diào),在土壤碳固定研究中急需了解碳輸入與固碳過程間的微生物作用機理。但是,最近我們對太湖地區(qū)水稻土在長期施用不同肥料下的碳固定與微生物區(qū)系演化的研究中,明確了微生物區(qū)系受到不同肥料施用的影響,有機碳積累服從于生物量碳的輸入變異,并且單施化肥下微生物對碳基質(zhì)的利用能力提高,分解礦化提高。這些都提示,土壤固碳速率及過程受到有機碳積累下土壤生境變化而帶來的微生物區(qū)系變化的調(diào)節(jié)。綜上所述,土壤碳固定容量與機制的研究已經(jīng)深入到土壤顆粒(團聚體分組和密度分組)層面的土壤物理-化學-生物學的相互作用及其對土壤有機碳的保護、結(jié)合、轉(zhuǎn)化與利用的影響上。關(guān)于固碳中土壤有機碳的庫變的研究報道很多,已經(jīng)認識到不同庫的保護、結(jié)合和化學穩(wěn)定的一些特點,但對于物理保護作用、化學穩(wěn)定作用對不同更新速率的庫的影響,以及土壤碳固定上的相對重要性還認識不足。土壤碳固定還應(yīng)考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中作物的變異、作物和養(yǎng)分管理影響下的微生物(區(qū)系與功能)變化及其在固碳過程和機制上的意義。8水稻土固碳與粗團聚體有機碳的相互作用關(guān)系我國是人口眾多、生態(tài)脆弱性明顯、可利用土地缺少的國度,我國農(nóng)業(yè)具有悠久的歷史,但集約化程度高、高產(chǎn)目標下的更強烈的土地利用,在7%的國土面積上生產(chǎn)供全球20%的人口的食物。通過大面積土地的生物能作物的生產(chǎn)而達到固碳看來不適合國情。然而,從土壤背景有機碳水平和碳庫看,我國是低碳密度的國家,農(nóng)地有機碳水平普遍低于歐美等發(fā)達國家,理論上說,在良好管理下我國農(nóng)地應(yīng)該具有巨大的固碳自然潛力。但是,土壤固碳的自然潛力多大,不同作物和農(nóng)作制下自然潛力存在多大幅度的變異,通過農(nóng)作經(jīng)營實踐可以實現(xiàn)潛力的規(guī)模和途徑是什么,這些是亟待研究闡明的。因此,我國農(nóng)業(yè)土壤的固碳容量與固碳機理的研究應(yīng)該列為我國當前生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究、全球變化土壤學研究的重要和優(yōu)先研究領(lǐng)域。水稻土是我國特色的人為土壤類型,被國內(nèi)農(nóng)學家和土壤學家公認是生產(chǎn)能力高、土壤質(zhì)量相對較好的農(nóng)業(yè)資源。我國農(nóng)業(yè)土壤中,水稻土是有機碳含量水平較高、當前固碳趨勢顯明而固碳潛力較大的特色耕作土壤。盡管已經(jīng)明確水稻土的有機碳密度相對于旱地平均高C9thm-2,南方水稻土中近20多年來的有機碳積累較快,但目前對這種碳積累趨勢中涉及的穩(wěn)定容量的土壤機制、固碳過程與農(nóng)作系統(tǒng)過程的關(guān)系的認識還嚴重不足,這制約著對水稻土固碳自然潛力的評估。水稻土的固碳過程和涉及的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤-作物-微生物的相互作用機制可能是這種特殊土壤碳循環(huán)的特異性問題。我們和國內(nèi)