石小磊 ，許信旺 ，，毛 敏 ，何小青 ，方宇媛

（1．安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖241000；2.池州學院 資源環(huán)境與旅游系，安徽 池州247000）

溫室氣體的增加對氣候和各種生態(tài)系統(tǒng)的影響是一個非常復雜的問題。到21世紀30年代，二氧化碳和其它溫室氣體增加的總效應將相當于工業(yè)化前二氧化碳濃度加倍的水平，可引起全球氣溫上升1.5~4.5℃超過人類歷史上發(fā)生過的升溫幅度，將導致海平面上升9～88㎝。碳的自然平衡遭到破壞是大氣中溫室氣體濃度增加的根本原因[1]。二氧化碳作為一種主要的溫室氣體，在自然生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳形態(tài)類型、碳儲存、碳循環(huán)、碳累積與碳排放方面對氣候變化的影響也十分巨大。不同的生態(tài)系統(tǒng)下溫室氣體的源和匯就是一項重要的研究任務。

濕地生態(tài)系統(tǒng)是地球上碳儲量最豐富、碳密度最高的生態(tài)系統(tǒng)，尤其是在濕地土壤和泥炭中。我國濕地土壤碳庫達8～10 Pg,占全國陸地土壤總有機碳庫的約1/10～1/8,過去50 a間的損失可能達1.5 Pg[2]。在研究濕地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳的穩(wěn)定性取決于土壤有機碳不同組分的構成[3]，通過物理技術、化學技術、生物學技術三種方法將土壤有機碳分成不同的組分，而分離出的有機碳的活性組分和惰性組分對于土壤的固碳作用大小又不同，土壤固碳增加對溫室氣體減排的研究意義也非常重大。不同的土地利用方式對土壤有機碳形態(tài)所帶來的一系列連鎖反應，土壤有機碳組分必將成為研究土壤溫室氣體排放研究的重點。

1 土壤有機碳的組分分類方法

土壤是僅次于海洋和地質庫的全球第三大碳庫，有機碳儲量1550Gt在全球碳循環(huán)中起著重要作用[4]。張國等(2011)研究土壤有機碳中的有一些組分在土地利用方式下發(fā)生的變化反應比總有機碳更敏感,這部分碳被稱作活性有機碳,可作為有機碳早期變化的指示物,而非活性有機碳表征土壤的長期積累和固碳能力[5]。早期霍連杰等研究，土壤有機碳的類型和組成，分別從化學、物理兩個方面對土壤有機碳進行分類[6]。張國等（2011）用生物學方法對土壤有機碳進行了更深入地研究[5]。

1.1 物理分組法

土壤有機碳的物理分組是按照土壤有機碳的密度或土壤顆粒大小進行分類，20世紀60年代，Tiessen等(1983)根據土壤有機碳與土壤有機質結合的各級土壤初級顆粒的大小將土壤有機質分作砂粒（粒徑>50μm）、粗粉砂粒（20~50 μm）、細粉砂粒（2~20 μm）、粗粘粒（0.2~2 μm）和細粘粒（粒徑<0.2 μm）結合的有機質[7]，可分離出有機碳的活性組分和惰性組分。Von LützowM等(2007)按密度分組，將土壤輕組有機碳中的一些新添加的、部分分解且未腐殖化的有機質,而重組分碳則是礦質吸附的腐殖化的有機質[8]。Gregorich EG等(2006)研究，輕組碳主要包括微生物遺留殘骸、動植物殘體、菌絲體和孢子等,是介于新鮮有機質和腐殖化有機質之間的中間碳庫[9]。重組碳主要成分是腐殖質,分解程度較高,具有較低的C/N[10]。用物理分組法可以客觀的反映出土壤有機碳的結構和功能。

1.2 化學分組法

土壤有機碳組分是根據化學性質和化學組成進行分類[6]，基于土壤有機碳組分在各種化學提取劑中的水解性、溶解性等化學反應性進行分組，提取溶解性有機碳、酸水解有機碳和易氧化有機碳等。溶解性有機碳是生物可代謝有機碳,包括有機酸、酚類和糖類等;酸水解方法可將有機碳分成活性和惰性成分;利用KMnO4模擬酶氧化可分離出活性碳和非活性碳[5]。Logninow和Chan(1987,2001)根據土壤有機碳被三種不同濃度的高錳酸鉀或硫酸和重鉻酸鉀溶液氧化的程度對其進行分類[11-12]，分類結果是相似的。Patton(1987)依據土壤有機碳周轉速率的快慢將土壤有機碳分成易變碳庫和穩(wěn)定碳庫，或分成活性碳庫、慢性碳庫（緩效性碳庫）和惰性碳庫，或分成易分解有機碳，難分解有機碳和惰性有機碳[13]。

1.3 生物技術分組法

生物學分組主要是通過一些生物方法測定對已經礦化的生物和被礦化的有機殘體的微生物生物量，或根據把有機碳作為一種底物的反應來推斷出土壤中生物可利用的有機碳量[5]。土壤活性有機碳庫的重要組成部分主要是微生物量碳[14]，監(jiān)測有機碳的動態(tài)變化就是用微生物生物量碳/土壤有機碳值,可以用來指示土壤碳的平衡、積累或消耗，而且是比有機碳更為敏感的一種動態(tài)指示因子,能夠準確預測出土壤有機碳的長期變化[15]。通過土壤微生物的分解之后有機碳轉化成無機碳的過程就稱作土壤有機碳的礦化，在土壤礦化過程中微生物呼吸釋放出CO2[16]?；钚杂袡C碳是土壤較為敏感的組分，是土壤早期有機碳變化的指示物，而土壤中活性較差的惰性有機碳則可以指示土壤碳固定和積累的能力。

根據以上三種分類法，國內外學者皆研究出各自不同的有機碳分組法。Jenkinson等(1977)把有機碳分成可降解植物、生物有機碳、抗分解植物、物理穩(wěn)定有機碳和化學穩(wěn)定有機碳5類[17]。Kucharik等(2000)等,根據有機碳在土壤中的平均駐留時間的差異,綜合土壤生物地球化學循環(huán)子模型，將土壤有機碳分成了活性碳庫、受保護的緩性碳庫以及未受保護的緩性碳庫和難以轉變的穩(wěn)定碳庫4類[18]。徐明崗等(2000)指出,土壤活性有機碳根據有機碳組分和測定方法的不同,可分為易氧化活性有機碳、水溶性有機碳、輕組有機碳和微生物量碳4類[19]。吳建國等,(2004)依據物理分組方法,把土壤有機碳劃分為輕組有機碳、重組有機碳和顆粒有機碳三種類型[20]。不同的研究員依據不同的方法劃分出不同的類別,但大多數研究員都把土壤有機碳劃分成活性有機碳、緩性有機碳和穩(wěn)定性有機碳[13,18,21-23]。

國內外學者在有機碳組分方面的研究也較為火熱，主要為了致力于尋找未來CO2排放控制相關的安全途徑。國內外研究學者都把土壤活性有機碳作為一個研究重點，國外研究者主要從固碳減排、生態(tài)碳循環(huán)以及化學燃料燃燒釋放等導致的全球變暖問題上較為關注，對于土壤有機碳中的惰性碳的研究相對較少。國內學者多以各種生態(tài)系統(tǒng)活性有機碳為研究重點，把土壤有機碳組分的不同分支方向作進一步的研究，以增加農業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境和社會效益為目標，大多也是以活性有機碳為主要研究對象，對有機碳組分的累積研究相對較少。為改善逐漸惡化的生態(tài)環(huán)境，土壤有機碳組分這一研究方向也越來越受到了國內外學者的重視。

2 土地利用對濕地土壤有機碳組分的影響

土地利用方式的變化不僅直接影響土壤有機碳的含量和分布,并通過對土壤有機碳形成和轉化因子的影響,而間接的影響土壤有機碳的含量和分布[24]。同時不僅自然環(huán)境對土壤有機碳的積累的影響較大之外，人類活動的影響也是重要影響因素之一，如耕作方式、肥料施入等。段正峰等(1998)研究土地利用方式對微生物量碳的影響，試驗中土壤微生物量碳含量依次為:菜地>橘林地>草地>灌叢>耕地，其中耕地和菜地的對比中，由于受到耕作活動、種植制度和輪作方式因子的影響,表現(xiàn)出的起伏變化較為明顯[25]。土壤微生物量碳是土壤有機碳中所占比例較低但活性最高的部分,對土壤有機碳的動態(tài)變化過程具有重要的影響[26]。土壤中微生物量碳庫的周轉速率更大,周轉時間更短,相對于土壤有機碳的變化更為快速[27]，而另外一種土壤可礦化碳是對微生物分解土壤有機物質的衡量指標[28-29]。研究表明耕地的可礦化碳含量分別比草地、菜地、橘林地和灌叢低。長期施用有機肥能顯著提高土壤活性有機碳的含量;有機肥與無機肥配合使用,能夠增加土壤活性有機碳的含量;長期施用化學肥料,可增加土壤有機碳的氧化穩(wěn)定性[30]。前人研究表明，作為人為利用主要途徑，自然土壤的農業(yè)耕墾引起了土壤總有機碳庫和表層有機碳庫的損失[31],不同土地利用方式制約著土壤碳庫容量和固碳水平,邰繼承等（2011）研究不同土地利用下湖北江漢平原濕地起源土壤有機碳組分的變化，從研究結果來看，同是濕地起源的土壤，化學鍵合組分的差異明顯大于物理分離組分的差異，濕地的農業(yè)墾殖對濕地土壤有機碳的影響，因不同的農業(yè)利用方式而異，研究中開墾為稻田后顯著提高了土壤有機碳庫[32]。李典友等(2008)研究也表明，長江中游地區(qū)濕地土壤開墾為稻田是相對理想的保持土壤有機碳庫的土地利用途徑[33]。趙海超等對春玉米種植密度對土壤有機碳組分的影響進行了研究，高、低密度均增加土壤 0～40cm土層有機碳質量分數，中密度下促進土壤微生物生物量碳增加。隨著種植密度的加大土壤中活性有機碳增加，輕組有機碳減少[34]。曾從盛等,(2008)研究，在閩江口區(qū)域，不同土地利用類型的濕地在土層0~50 cm處的易氧化碳平均含量結果顯示為天然蘆葦沼澤濕地>草地>撂荒地>水田，其中易氧化有機碳的不同組分含量也存在一定的差異，蘆葦沼澤濕地主要以低活性有機碳為主，中等活性有機碳在草地中占有較大比重，而高活性有機碳則是出現(xiàn)在水田和撂荒地[35]。張金波等,(2005)研究表明，土壤DOC含量在不同土地利用方式下，小葉章草甸濕地>耕作后棄耕濕地，那么濕地墾殖為水田的有機碳含量大于濕地墾殖為旱田的有機碳含量[36]。黃靖宇等,(2008)研究表明，墾殖后的小葉章沼澤濕地等一些土地利用方式的土壤微生物碳含量低于未受人類干擾下的天然土壤微生物量碳含量，農田棄耕還濕或棄耕人工造林的土壤微生物量都呈增長趨勢，而小葉章濕地墾殖為農田20年后，土壤微生物量碳下降趨勢很明顯，，但土壤微生物的活性距離恢復到墾殖前天然沼澤濕地的水平還很遙遠[37]。以上是對不同的土地利用和管理方式下，土壤有機碳庫及土壤活性有機碳形態(tài)表現(xiàn)出明顯的差異，土壤碳形態(tài)對于土地利用和施肥等措施反應十分敏感，也是當前在濕地土壤呼吸方面的研究熱點。

3 不同組分有機碳的固碳潛力

運用物理技術分組法、化學技術分組法和生物技術分組法將土壤有機碳分為不同的形態(tài)，從而分離出的活性有機碳、緩性有機碳和惰性有機碳。Parton等(1987,1989)根據有機碳周轉時間的不同將土壤有機碳庫劃分為活性碳庫、緩性碳庫和惰效性碳庫[38-39]，土壤活性碳庫易被土壤微生物分解礦化,對植物養(yǎng)分供最直接作用。緩效性碳庫指介于活性和惰效性碳庫之間的那部分，惰效性碳庫化學性質和物理性質較為穩(wěn)定，對于土壤的固碳和積累作用較強，是最具有固碳潛力的一種有機碳形態(tài)[40]。

3.1 固碳差異性的表現(xiàn)

土壤碳固存始終與有機碳積累有密切關系，楊麗霞等(2006)模擬結果表明:各土壤剖面的土壤活性碳庫一般占總有機碳的0.5%~7.6%,平均駐留時間為41~64天;緩效性碳庫占總有機碳的45%~71%,平均駐留時間為3~30年;采用酸水解法測定惰效性碳庫的庫容,一般占總有機碳的20%~50%，并且緩效性碳庫和惰效性碳庫從表層到下層其含量銳減[40]?；钚杂袡C碳占的百分比越大,說明有機碳質量也就越高,越易被微生物分解,有機碳的穩(wěn)定性也就越差[41]。緩效性碳庫的固碳時間以年為單位，較活性碳庫分解慢。惰效性碳庫由于它的物理和化學性質更為穩(wěn)定，分解速率慢、固存時間長達50年乃至幾千年[13]。

3.2 固碳差異性原因分析

影響土壤有機碳穩(wěn)定性及固碳潛力的因素主要有土壤的物理性狀,土壤生物,以及人為因素等。許多研究者認為,不同粒徑土壤團聚體及土壤基本顆粒中有機碳的含量及質量存在明顯的差異[42]。不同的環(huán)境因子對土壤的PH值、土壤三相、微生物、土壤溫度、水分的影響是研究土壤不同碳形態(tài)固碳差異的核心內容。不同的土壤生物對土壤的固碳也較明顯，Moore J C等(2003)強調了根際細菌和真菌與各自對應的微型土壤動物驅動有機碳的積累和穩(wěn)定過程[43]。以上三個主要影響因素造成了不同組分碳的固碳差異性，而最根本的還是不同碳形態(tài)本身的抗物理和化學性質。活性碳庫又是容易被微生物分解礦化的那部分有機碳，Skogley等,(1994)指出,活性有機碳是作為碳源和能源和能被微生物利用的有機物。因此活性有機碳的固碳時間和潛力要明顯低于抗物理和化學性質教強的緩性有機碳和惰性有機碳[44]。

4 活性有機碳組分與碳排放的關系

溫室氣體是指大氣中自然或人為產生的的氣體成分,它們能夠吸收和釋放地球表面、大氣和云發(fā)出的熱紅外輻射光譜內特定波長的輻射。濕地在化學元素循環(huán)中,特別是在CO2和CH4等溫室氣體的固定和釋放中起著重要的“開關”作用,被稱之為“轉換器”[45]。二氧化碳和甲烷作為主要的溫室氣體，它們的增溫效應分別占70%和23%[46]。CO2和CH4排放主要受水分和溫度變化的控制。當濕地排水后,CO2和N2O的排放量大大增加,而CH4的排放量減少[47]。全球天然濕地CH4排放量占全球排放總量的22%，稻田CH4排放量占全球排放總量11%[48]。這一部分排放的碳主要是活性有機碳，這種碳形態(tài)對溫室氣體的影響非常之大。

4.1 活性有機碳與CH4排放的關系

沈宏等(1999)研究，土壤活性有機碳是微生物生長的速效基質,其含量高低直接影響土壤微生物的活性,從而影響溫室氣體的排放[24]。土壤DOC的含量與CH4產生量顯著相關,增加淹水土壤活性有機碳含量可以增加CH4生成量[49]。很多研究也表明土壤活性有機碳與 CH4排放量有顯著關系，Wang等(1992)研究指出，土壤可溶性有機碳和微生物量碳與CH4呈極顯著的正相關關系[50]。Yagi等(1990)人研究指出,CH4排放量和易礦化碳呈明顯的線性關系[51]。

4.2 活性有機碳與CO2排放的關系

濕地土壤有機碳儲量與溫室氣體排放具有緊密的內在聯(lián)系，特別是活性有機碳能夠靈敏、準確、真實地反映土壤有機碳的存在狀況以及土壤質量變化，提高土壤活性碳庫有利于提高土壤肥力從而增加作物產量和實現(xiàn)土壤固碳減排的效果緊密相連。有研究表明，土壤總有機碳與產量關系不明顯，進而探索活性有機碳（比如水溶性有機碳、微生物量碳、易氧化態(tài)碳），發(fā)現(xiàn)作物產量以及大氣的固碳減排與土壤活性有機碳顯著相關。

5 結語

目前對于土壤碳形態(tài)分組的研究較多，大多數都是通過物理、化學、生物技術法對土壤進行形態(tài)分類，表述形式各有不同，但大多數研究者認為,它是由活性的有機碳、緩性的有機碳和穩(wěn)定性有機碳所組成。而其中活性碳庫又是與碳排放溫室氣體排放等緊密相關的。因此，在研究土壤碳與氣候變化的關系中，應加強對有機活性碳的研究。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中不同土地利用方式對土壤活性碳組分的影響研究相對較少，今后應加強濕地土地利用/土地覆被變化這一研究方向對土壤活性碳庫組分的影響研究，在人類活動下對濕地生態(tài)系統(tǒng)的科學管理和合理的農業(yè)開發(fā)利用具有重要的指導意義。與此同時繼續(xù)加強不同土地利用方式下土壤有機碳組分與碳排放、碳固定的研究，為農業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)應對氣候變化研究提供理論基礎。

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