土壤有机质(Disorganization,SOM)是土壤的重要组成部分,它有助于土壤的稳定性、养分和水分的保持以及抵抗风蚀和水蚀,具有保持土壤耕作,吸收和降解污染物等重要作用[1-3]。土壤有机碳库是陆地生态系统表层最大和最活跃的碳库之一,研究发现,全球的土壤有机碳库储量约为1500Pg,相当于大气碳库的2倍[4],土壤有机碳的数量和质量对于全球碳循环有重要影响,对全球气候变化研究有着重要意义[5]。土壤有机碳库的数量大小可有效地反映出当地植被状况、土壤生物群、气候、景观、母质以及自然和人类扰动的历史[6]。土壤有机质的演变是一个长期过程,其数量取决于初始土壤有机质水平、不同土地利用方式以及土壤管理措施下外源有机物质的输入和原有土壤有机质的矿化损失[7-9]。输入土壤的有机物经过微生物分解转化后一部分以CO2的形式直接排入大气,一部分形成不同组分和结构的衍生物进入土壤,进一步参与SOM的形成和稳定。不同组分和结构的有机质动态变化受不同气候环境条件、地上植被类型、土壤自身性质和微生物活性的影响。由于土壤有机质组成和结构的复杂性,把具有高度异质性的土壤有机质作为一个整体进行分析,极大限制了人们对陆地生态系统碳循环过程的认知[10]。因此,充分认识土壤有机质的转化循环必须从土壤有机质的数量、组分和化学结构特征研究入手,这对于评估陆地生态系统碳循环,了解陆地生态系统中养分循环和动态平衡,对农业可持续发展都至关重要[11]。我国幅员广阔,气候和地形复杂多变,不同地区土壤有机质性质呈现明显差异,对土壤有机质多年研究发现,不同气候条件和植被类型是造成不同地区土壤有机质差异的主要原因。根据我国地理格局特征,本文主要从东北、华北、西北、东南、西南以及中部地区的典型土壤展开介绍,阐明不同地区土壤有机质的数量、组分和结构特征,并深入分析不同地区气候和地上植被等因素对土壤有机质变化的影响,旨为评估区域乃至全国土壤碳循环,合理规划和利用土地资源,控制区域碳源汇机制转变,以及为未来土壤有机质管理和应对未来气候变化的策略提供参考资料。

1、不同地区土壤有机质数量变化特征

我国主要地区有机质数量趋势为西南地区>东北地区>东南地区>华北地区>西北地区>中部地区[12](表1),西南地区和东南地区有机质含量处于高水平的原因是该地区属于亚热带季风气候,全年雨量充沛,湿度很大[13],主要以森林生态系统为主,地表凋落物来源极其丰富,导致其土壤表层有机质含量很高。但是西南地区具有大面积的喀斯特地貌,近些年受气候和人类的影响导致该生态系统出现了不同程度的石漠化[14],影响该地区土壤有机质的含量。

表1  中国主要地区土壤表层有机质含量及变异系数[15-16]

东北地区是我国重要的粮食产业基地,其土壤有机质含量高,较高的土壤肥力是粮食高产稳产的重要保证[17],该区地处中纬度亚洲大陆东部,属中温带大陆性季风气候,年降水量在500~700mm左右,主要集中在4-9月的作物生长季,占全年降水总量的70%~90%左右。温度自北向南温度逐渐升高。夏季温暖湿润,生长季雨热同期;冬季严寒少雪,土壤冻结深且持续时间长,季节性冻层明显。该地区独特的气候条件形成了茂密的草原化草甸和森林植被,每年10月中下旬气温迅速转冷结冰,土壤中的微生物活性受到抑制,土壤表层有机物质积累大于分解,为土壤积累腐殖质创造了有利条件,形成了深厚肥沃的土壤[18-21],土壤碳库中的活性组分和稳定性组分含量都很高,有利于土壤有机碳的固定和周转。华北地区的气候和东北相比更为湿润,以华北平原为主,但温度较高,土壤有机碳的周转速率较快,固碳能力较弱,因此土壤储存的有机碳含量低。中部地区属于温带季风气候和亚热带季风气候,日照充足、温度较高、降水较少,经常出现干旱,使得该地区植被情况不如其他几个地区,外来的有机质输入较低,由于温度较高使微生物的分解和代谢活动旺盛,进而对外源有机质的分解程度高,不利于SOM的积累,因此该地区的活性有机碳含量较低,从气候和地形方面来看该地区不利于有机碳的周转。西北地区各个区域的SOM含量差异更为明显,主要是因为西北地区地形复杂,有海拔较高的高寒地区,也有极度干旱的沙漠地区,使得有机质的积累过程呈现两极化,高寒地区气候寒冷而且较为湿润,虽然很难形成类似于东北地区的高海拔植物,但是地表较为低矮的植被生长丰富,同样提供了充足的凋落物等有机质来源,极低的温度使得分解速度非常缓慢,可以充分积累土壤有机质[22]。而西北地区的沙漠、荒漠等地区由于植被覆盖很低、温度高、降水少等极其恶劣的环境条件使SOM难以得到稳定积累,导致SOM含量极低。

除了环境条件的影响,各个地区不同的土壤类型所造成的自身土壤性质各异也是影响各个地区SOM含量和周转的主要原因。东北地区主要的土壤类型为暗棕壤、棕壤、黑土、黑钙土、白浆土、草甸土及沼泽土等。此类土壤具有较厚的腐殖质层,土壤团粒结构好,土壤内部水分充足,众多条件都有利于土壤有机碳(SOC)的固定和周转[15-16]。华北地区的主要土壤类型为褐土,该类型土壤的腐殖质形成过程较弱,地表的凋落物大多以干燥的形式覆于土壤表面,通常是以机械摩擦破碎和好氧分解为主,从而导致积累的腐殖质较少,惰性碳库含量较低,不利于有机碳的固定。中部地区主要的土壤类型为黄棕壤、黄褐土及棕壤等,其土壤质地多为壤质土、粒状、团块状结构居多,矿物化学风化和淋溶、淋移作用强烈,土壤有机质含量较低且周转快。东南地区主要的土壤类型为红壤、砖红壤和赤红壤,土壤成土母质为花岗岩、砂页岩风化物以及第四纪红土,土壤酸度高,土壤pH一般为4~5.0左右,全氮、钾、磷等养分含量也偏低,加上较高的温度,不利于SOM的积累。西南地区具有代表性的土壤为紫色土,磷、钾含量高,肥力较高,矿质养分含量丰富,是我国南方肥力最高的自然土壤,而且西南地区生态系统以森林为主,因此其表层SOM含量丰富,但是西南地区含有我国面积最大的喀斯特地貌,该地貌区石漠化严重,水土流失现象频发,其SOM含量较高于全国平均水平。西北地区的土壤类型较为复杂,整体上来说主要有棕钙土、灰钙土、荒漠土及风沙土,土壤性质主要为砂质土壤,土壤颗粒中>0.02mm的粗沙和细沙含量较大,土壤孔隙较大,不利于养分的储存,而且西北地区土壤偏碱性,pH通常高于8.0,大多数地区自然植被趋向旱化,外源有机质输入量低,持续的高温和稀疏的土壤质地导致绝大多数西北地区的土壤有机质含量很低,但是在一些海拔较高的山脉上,含有高寒草甸土,具有强烈的腐殖质积累层,SOM含量很高,外界较低的环境温度使得有机质输入大于分解,累积的有机质含量高于该地区其它土壤类型[15,23-24]。

2、不同地区土壤有机质组分特征

在SOM周转特征及其动态变化过程的研究中,有机质分组研究扮演着重要角色。SOM的组成非常复杂,主要包括易被作物和微生物迅速分解利用、易分解的活性有机质,同时还包括转化时间长、难分解的惰性有机质。目前对于有机质组分的研究大多依据SOM在土壤当中的转化时间以及分解程度,将SOM划分为3个主要碳库[25]:(1)不稳定土壤有机碳库(活性碳库)、(2)稳定土壤有机碳库(缓效性碳库)、(3)极稳定有机碳库(惰性碳库)3个组分[26-27]。不同土壤有机质组分其有机碳的组成也有很大差异,活性碳库主要是由微生物量碳(MBC)、可矿化碳、水溶性碳(DOC)和碳水化合物为主,具有活性强,分解速率快,转化周期短的特点,在为作物提供养分需要以及为微生物提供能量方面起着重要作用,但由于这部分碳稳定性极差,所以很难被土壤真正固定转化。缓效性碳库主要是颗粒有机物、脂类和碳水化合物,在周转速度和分解速度方面都要慢于活性碳库,它是土壤固定有机碳的主要来源[28-29]。惰性有机碳库主要是木质素、多酚以及被保护的多糖等,其分解速度和转化周期非常长,是土壤有机碳中稳定存在的主要部分。根据不同的分组原理和技术方法,目前对土壤有机碳组分的划分方法主要有物理、化学和生物分组技术。物理分组技术主要包括密度分组、颗粒分组和团聚体分组3种方法。在密度分组中主要依据土壤在一定比重(1.6~2.5g·mL-1)溶液中的沉降将其分作轻组和重组土壤,所对应的有机碳即为轻组有机碳(LFOC)和重组有机碳(HFOC)。

东北地区作为我国重要的商品粮基地,耕地面积占我国耕地面积的10%。以往研究发现,自然条件下,东北地区不同生态系统的土壤剖面(0~40cm)LFOC含量的关系是:草地>林地>农田>裸地(图1),并且在表层土壤上尤为显著(P<0.05),因为LFOC来源为动植物残体、根系及其分泌物,草地生态系统中根系生物量相对其他3种生态系统更为丰富,可提供大量活性有机碳,其次是土壤微生物代谢调控机制引起,土壤表层理想的生存环境使得微生物的生物量和活性都要高于深层土壤,草地及森林地表凋落物被微生物分解转化产生大量的活性有机碳,农田中作物收割后田间残渣移除,只留下很小部分作物残渣导致土壤产生激发效应,LFOC被迅速分解。深层土壤除草地外其他3种生态系统的LFOC没有显著差异(P>0.05)。

东北地区作为我国重要的商品粮基地,耕地面积占我国耕地面积的10%。以往研究发现,自然条件下,东北地区不同生态系统的土壤剖面(0~40cm)LFOC含量的关系是:草地>林地>农田>裸地(图1),并且在表层土壤上尤为显著(P<0.05),因为LFOC来源为动植物残体、根系及其分泌物,草地生态系统中根系生物量相对其他3种生态系统更为丰富,可提供大量活性有机碳,其次是土壤微生物代谢调控机制引起,土壤表层理想的生存环境使得微生物的生物量和活性都要高于深层土壤,草地及森林地表凋落物被微生物分解转化产生大量的活性有机碳,农田中作物收割后田间残渣移除,只留下很小部分作物残渣导致土壤产生激发效应,LFOC被迅速分解。深层土壤除草地外其他3种生态系统的LFOC没有显著差异(P>0.05)。

土壤中HFOC占土壤总有机碳90%左右,是土壤有机质的主体部分,土壤中HFOC主要与矿物态紧密结合,其稳定性极高,难以被分解利用,深层土壤环境对于细菌、真菌及土壤微动物等土壤微生物的抑制作用较强,使其活性下降,分解能力降低。在我国东北黑土区0~40cm的表层土壤中HFOC含量的关系是农田>裸地>林地>草地,主要是因为农田和草地生态系统新鲜有机物投入较少,活性有机质来源低于草地以及林地生态系统,使SOM趋向于更稳定的方向发展。

华北地区的地形以平原为主,华北地区属于温带季风气候,相对东北地区更为湿润。华北地区的土壤类型主要为棕壤及褐土。从气候条件和土壤环境等方面分析,华北地区主要农作物以小麦、大豆及玉米为主。因此华北地区有机质密度组分差异不大。西南地区属于亚热带季风气候,常年炎热多雨,气候湿润,地形以山地丘陵为主。土壤类型主要为红壤和砖红壤等。由于适宜的气候条件和地形结构,所以这两个地区的主要植被类型为热带季雨林、亚热带常绿阔叶林等。丰富的外源有机物,使得该地区的易氧化有机碳(ROC)、MBC及DOC等土壤中易变化和活跃的组分含量高,而且自然生态系统下,来源于新鲜动植物残体和腐殖化有机物的颗粒有机碳(POC)含量高,有利于SOM的固定和积累。但近些年来西南地区由于农业用地的迅速扩增以及人口压力的持续增长,大面积的自然森林转变为农田,SOM的组分发生转变,活性高的ROC、MBC及POC含量下降,惰性碳(IOC)含量升高,土地利用方式的改变破坏了原生态系统中的微生物群落结构,裸露土壤面积增加导致更多土壤暴露在温度较高的环境中,表层有机质的分解速率加快。

东南地区不同生态系统中SOM降低主要是由于细根生物量的下降(P<0.05),说明该地区有机碳来源主要是植物的残根。不同剖面的各个生态系统TOC变化显著,表层土壤中ROC和LFOC降低的幅度比底层土壤更大,说明表层土壤LFOC对于生态系统的改变较底层土壤敏感性更高(图2)。

图2  我国东南部不同生态系统不同土层轻组有机碳和易氧化有机碳含量变化

在自然森林、人工森林、坡耕地和果园4种生态系统中LFOC的含量关系为自然森林>人工森林>果园>坡耕地,且这种关系在表层土壤中更为显著(P<0.05)。主要原因是良好的气候条件为自然森林生态系统提供了适宜的生存环境,根系及周边生物量丰富,LFOC和活性有机碳来源丰富。相比之下,人工森林和果园由于种植的植被类型较为单一,土壤LFOC含量相对自然森林有所降低。东南地区地形以丘陵为主,土壤有一定坡度,森林生态系统转变为农田生态系统后,土壤有机碳总量以及各组分有机碳含量均显著降低,主要是农田的外源有机物摄入过低,严重影响土壤有机质的动态平衡,坡耕地因为雨水频繁导致土壤侵蚀严重,更不利于各个组分有机碳的积累(图3)。在毁林还田过程中,人为扰动破坏了土壤的团聚结构,导致土壤中闭蓄态有机碳(OFOC)失去物理保护而被微生物分解,HFOC在此过程中虽然影响较小,但由于土壤环境的改变使其含量也有所改变。另外,农田生态系统虽然LFOC的含量显著降低,但其HFOC含量略高于人工林和果园等生态系统,说明农田生态系统更有利于土壤有机碳的稳定。

图3  东南地区不同生态系统下不同土壤深度有机碳和细跟生物量的关系图

西北地区属于温带季风气候和温带大陆性气候,少雨且较为寒冷干燥。其主要土壤类型为棕钙土和草甸土等,草原生态系统为西北地区的主要生态系统类型,林地和耕地相对较少,由于其地形和水分的差异较大,不同地区的草原生态系统差异很大,主要包括荒漠草原、亚高山草甸、高山草甸和高寒草原。大量研究发现,西北地区ROC、MBC、DOC、POC和LFOC的含量在不同草原系统中呈现的关系是:高寒草原>高山草甸>亚高山草甸>荒漠草原。出现这种关系的原因主要有以下两方面,一是不同生态系统土壤本身的差异,荒漠草原的土壤主要是由碳酸盐发育而来的石灰型土壤,自身的Ca、Mg含量较高,土壤中细菌、真菌等微生物在该环境中较为活跃,对外源有机物的分解能力较强,将绝大多数有机物转变为腐殖质,不利于LFOC等活性有机质的积累;二是气候环境条件造成的,大多数研究认为气候是造成西北地区有机碳组分含量差异的根本原因。随着海拔高度增加,气候条件发生剧烈改变,外源有机碳的摄入和质量也发生变化,在高寒草原及高山草甸等生态系统中由于海拔较高,温度较低,气候相对湿润,土壤微生物活性和分解能力受到限制,对于表层残根及凋落物转化能力降低,使活性有机碳部分得到积累。在西北地区土壤矿物结合态有机碳(MOC)和HFOC、IOC的含量大小关系为:高寒草原>高山草甸>亚高山草甸>荒漠草原,因为荒漠草原处于一个半干旱的气候带,海拔相对于其他生态系统较低,其植被覆盖率较低和气温相对较高,虽然有机质的腐殖化程度相对较高,但是外源的有机物质摄入的较少,导致其转化为HFOC的含量也相对较低。

中部地区气候干燥且主要以农田为主,外源活性有机碳来源很少;因此该地区的ROC、DOC、MBC、POC及LFOC等含量很低;而稳定性组分的MOC、HFOC及IOC的含量较高。除了气候和地形因素外,SOM的不同组分含量和土地利用方式也有很大关系,大量研究得到在森林和草原等生态系统中ROC、MBC、DOC和POC等活性组分碳含量相对于农田生态系统轮作条件下较低,但矿物结合态MOC、HFOC和IOC等稳定性组分含量均显著高于农田生态系统,说明农田生态系统使有机碳更趋向于脂肪化和简单化,造成团聚体和矿物质结合对有机碳的保护作用降低,SOM稳定性下降。不同组分的SOM会影响作物对其利用效果,如活性组分易被微生物和作物利用,理论上和绝大多数实验证实这部分有机碳含量高会提升作物产量,因此有机质的整体含量并不能说明土壤肥力的强弱,还要根据当地的气候和环境条件以及土壤的成土母质情况,但提升土壤活性碳库对有机碳的周转和土壤肥力的提升都具有重大意义。

3、不同地区土壤有机质化学结构特征研究

近年来,受益于科技的飞速发展,对SOM化学结构的研究突破和进展也非常快,研究技术也不断完善更新,主要的测定分析方法有:元素分析法、差热分析法(Differentials,DTA)、化学分析法、同位素示踪法、热解气相色谱/质谱法(Hydrolysis/MS,Oy-AC/MS)、傅里叶红外光谱分析法、核磁共振分析法和X射线吸收近边结构。每种分析技术都有其独特优势和特点,这里不做详细介绍,主要基于核磁共振分析法得到的我国主要地区的SOM化学结构进行分析。核磁共振波谱技术(NMR)主要用于测定物质的化学成分和分子结构,它独特的优势在于无需破坏土壤样品,可直接分析土壤全土或有机碳组分中不同化学官能团的组成,而且在测定的过程中不会改变有机碳的结构,可有效避免在化学提取过程中产生新的或更复杂的化学物质,保证了分析结果更接近自然状态。在定量和定性研究中,NMR技术可以定量有机碳各个官能团的含量,定性分析有机碳化学官能团的比例,已成为土壤化学官能团和不同物质组分动态变化强有力的分析技术。目前,应用NMR技术对SOM的研究得出,SOM的化学结构可分为烷氧碳区(δ=45~110ppm,Chalky)、烷基碳区(δ=0~45ppm,Chalky)、芳香碳区(δ=110~160ppm,Achromatic)和羰基碳区(δ=160~220ppm,Carbon)4个主要官能团区。不同的官能团,其有机碳来源不同,含量最高的烷氧碳主要是来自碳水化合物,活性较强,在LFOC中其含量较高。烷基碳主要来自脂肪族化合物,活性相对烷氧碳相对较弱。芳香碳主要来自单宁及木质素等,其稳定性很强,难被分解利用,是土壤有机碳中的稳定组分。羰基碳主要来自氨基酸和脂肪酸,目前关于羰基碳的研究相对匮乏。

不同地区土壤有机碳化学官能团的差异与土地利用方式、土壤类型、有机碳含量、pH值、黏粉粒含量和颗粒组成等有密切联系。农田生态系统中,SOC官能团相对含量的整体趋势是:烷氧碳>烷基碳>芳香碳>羰基碳;森林生态系统和草地生态系统中,SOC官能团的相对含量差异不大,整体趋势为:烷氧碳>芳香碳>烷基碳>羰基碳(表2),烷氧碳主要来源于植物残体,来源丰富,森林和草地生态系统中的凋落物含量丰富,农田系统下虽然外源碳较少,但是和自身有机质的官能团含量相比,其烷氧碳数量还比较大。土壤中大部分有机质与土壤中黏土矿物颗粒结合,正是这种矿物结合对有机质的动态平衡起着至关重要的作用,在这部分中有机质主要是以芳香碳的形式存在,所以芳香碳代表着土壤当中稳定有机质组分。东南地区和西北地区的烷基碳含量较高,主要是由于土壤当中酶的活性和微生物的活性较强,使得芳香碳物质被氧化分解,导致芳香碳比例降低,羰基碳比例升高。烷基碳和烷氧碳的比值可以反映出土壤有机质的腐解化程度。核磁共振波谱技术之上,近些年来发展起来的XANES结合扫描投射X射线显微镜(STXM)技术可以有效地描绘出土壤有机质微观的空间结构。有研究发现,在酸性和钙质森林土壤中,总有机碳和处于不同降解阶段的有机碳波谱分析得到的形态非常相似,通过NEXAFS光谱可以发现虽然来自不同环境的SOC形态相似,但每一个单独的土壤当中,其内在不同空间和不同区域,SOC表现出高度的功能变化。同时,X射线吸收近边结构技术还可以得到土壤团聚体中的有机碳官能团组成信息和形态结构特征,在分析过程中不同的元素浓度可用来判断不同土壤类型的团聚体之间的化学异质性和各个元素之间的相关性,得到团聚体中的有机碳空间分布以及各个矿物的含量组成和内在结构。

表2  核磁共振波谱技术测定的我国主要地区表层全土土壤有机碳官能团相对含量变化分析

4、研究展望

本文对我国主要地区不同生态系统的SOM数量、组分和结构特征进行了概述,笔者认为对于SOM的研究还可以从以下几个方面进行拓展。

4.1 土壤微生物代谢调控对有机质数量影响的深研究

影响SOM的因素分为自然因素和人为因素两大类型,自然因素主要是由于温度和降水引起的气候变化,人为因素主要是土地的利用方式和施肥管理措施等,均属于宏观调控。结合微生物代谢调控对SOM影响机制的深层次研究或许成为未来的研究热点,在实验中运用同位素示踪技术和微生物分析技术等更加先进的技术手段,研究不同土壤类型中土壤微生物的生物化学转化和调控机制,阐明其影响SOM的组分和结构的机理,构建影响SOM特征演变的预测模型,揭示土壤微生物对SOM的作用机制,为土壤碳循环和土地管理提供依据。

4.2 有机质组分改变对提升土壤肥力的重要意义我国人口众多,粮食需求量巨大,为保证我国粮食安全,必须提升土壤肥力。农田生态系统中惰性有机质的含量和比例很高,下一步的研究重点可以适度转向SOM组分的转变机制上来,能否将惰性有机质转变为可被利用的活性有机质,同时在此过程中完善SOM组分分离技术,最大限度发挥SOM对土壤肥力的促进作用,可以作为未来的一个研究方向。

4.3 SOM化学结构研究技术

目前针对SOM化学结构的研究在实验过程中多数是运用一种技术方法,较为单一的方法都存在分析上的缺点,例如本文重点介绍的核磁共振技术,它对于SOM化学结构只能够定性或半定量分析,不能定量分析各个官能团碳的含量,在很大程度上影响了对SOM稳定性和有机质生态功能的认知,未来在SOM结构方面应该构建更加科学健全的研究方法,开发出更新、更好、更高效的技术,从定性、定量、相互关系及转化过程角度搭建较为完整的数据平台。

4.4 区域研究的整合与提升

以往研究大多是针对某一气候带或一种类型土壤进行研究,未来应更加注重多尺度、多土壤类型和多气候因素下SOM方面的研究。加强区域合作,信息和资源更大程度上共享,联合攻关,发挥现有技术优势,揭示SOM对全球碳库源汇效应的影响机制,为土壤肥力稳定和提升,为应对未来气候变化策略提供科学依据。

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基金项目:国家重点研发计划(2016YFD0300802-01);中国科学院前沿科学研究重点计划项目(QYZDB-SSW-SYS02);中国科学院青年创新促进会项目(2016211)和中国科学院东北地理与农业生态研究所优秀青年人才项目资助.