当前世界环境

介绍

碳在土壤中的储存主要有土壤无机碳和土壤有机碳两种形式。土壤中无机碳的来源要么是母质岩石物质，要么是碳酸盐的溶蚀沉淀。由于活性较低，碳化硅的周转时间相对较长，但在微生物活性高的情况下，在短时间内迅速重新分配^1、2土壤中的有机碳是植物和动物的残留物。土壤碳的范围从新沉积的植物碎屑到高度抗性的形式，如腐殖质。土壤碳参与养分循环、粮食产量和其他各种土壤功能^{3、4、5、6、7、8}．土壤有机质的周转率影响养分的生物地球化学转化和土壤结构的稳定性⁹．SOM根据其周转率和监管要素分为不同的组¹⁰．颗粒有机碳、潜在矿化碳、微生物生物量碳和KMnO4可氧化碳等具有较高周转率的碳组分比总有机碳更能预测土壤有机碳动态变化^{11、12、13所示}．根据土壤有机碳的保护覆盖度，将土壤有机碳分为受保护(物理和生化保护)有机碳和未受保护有机碳¹⁴．SOM是一种在养分含量上存在差异的物质混合物，由于其周转时间的不断变化，也体现出了动态性¹⁵．SOM是许多碳库的集合，其分解速率从一年(非常活跃)到数千年(稳定)不等。^16、17．不稳定的土壤有机碳组分，相对于顽固性有机碳组分，分解相对容易，周转率更高¹⁸．它们不仅参与氮、磷、硫等养分的生物地球化学转化，还有助于土壤结构和稳定¹⁹．不稳定有机碳组分对环境或污染变化的反应比顽固性有机碳组分更快，因此是土壤质量的主要指标^{20日,21日,22}．

土壤碳分馏

土壤碳分馏是将土壤有机质根据其固有性质分离成不同的库^1、23．碳组分具有较大的周转率，是土壤质量动态的快速敏感指标^{24日,21日,18岁}．有机碳作为土壤质量变化的敏感指标，其主要缺陷在于其检测能力，即土壤有机碳随控制因素波动而变化，这是由于土壤中已经存在大量稳定的有机碳，且周转时间较长¹¹．利用碳的子部分或组分作为敏感性指标，使土壤碳库对估计不同管理措施对土壤碳的影响非常有用^{25日,26日,27日}．

每个有机碳组分在大小、组成、理化性质和分解速率上可能不同。土壤的小气候，如土壤类型、水分有效性和管理措施可以影响不同组分中碳储量的数量、相对稳定性和生物有效性。土壤碳分馏提供了植物功能的概述，具有控制凋落物整体质量和数量的特性。土壤碳组成和周转受土地管理、生物和非生物元素之间的关系以及生物地球化学循环的相关速率的影响。离散组分的固有性质，它们在土壤基质中的稳定程度和位置也影响特定SOM组分的组成。土壤碳分馏有助于评估土壤对气候变化的二氧化碳释放和碳储存能力。根据不同的管理实践，具有快速变化能力的不同土壤碳组分被证明是一种有效的工具，可以确定优化的农业管理实践，从而提高土壤碳的质量和数量。

不同大小团聚体的碳库

不同的碳库对聚集的影响不同，SOM也受到聚集周转率的影响^{28、29、30、31日}．因此，团聚体中的C含量与其粒径是相互依赖的。土壤团聚体中的碳库为研究不同团聚体粒径组分的碳分解和碳储量提供了重要依据。适当的管理措施有助于保护土壤团聚体中的碳库。C组分在土壤团聚体粒度组分中的分布是可变的^32、33．根据周转时间，将C池分为Active、Slow和Intermediate池。活跃池随季节变化并影响聚合^34、35．土壤碳浓度随着时间的推移而逐渐改变，因为它们的体积很大³⁶．颗粒有机碳在土壤碳动态中反映为过渡池，并作为微生物活动的基质^{28日,36岁,29岁}．

土壤有机碳作为土壤质量的指标

有机碳库的物理、化学和生物组分提供了相对于土壤总碳的有机碳动态变化的敏感指示。土壤生物质量可以作为土壤质量评价的敏感指标，包括响应可持续管理实践的土壤固碳³⁷．碳动态还取决于微生物种群、植物的内在特性和营养物质的可用性³⁸．土壤微生物有形地将土壤颗粒组织在一起，丰富土壤团块，保护宏观团聚体中的碳^39、40．土壤有机质在团聚体中受到物理保护⁴¹团聚体对微生物群落结构、气体交换、水分维持和养分循环有重要影响⁴²．土壤结构由自由初级颗粒(砂、粉和粘土)、微团聚体和作为团聚体物理单位的宏观团聚体组成。它们聚集的结合力主要是微生物和植物衍生的碳水化合物与不同的金属和化合物的结合⁴³．有机碳的增加增加了土壤团聚体的稳定性。新鲜残渣是土壤聚集的基础，为微生物活动提供C源，并产生结块剂作为副产品。微观种群及其功能在不同大小的集合分数中波动⁴⁴土壤团聚体中微生物群落和微生物尺度上的活动变化很大，土壤团聚体中有机质的结合也报告了土壤团聚体中碳库的长期变化⁴⁵．土壤团聚体影响碳的保存和矿化⁴³．大团聚体是大于250微米的组分，由有机残留物和涂有粘土基质的粗砂组成。这些大聚集体被许多微生物定植⁴⁶．宏观团聚体有机质含量随栽培而降低⁴⁷长期种植导致土壤有机质减少，导致宏观团聚体减少，而微观团聚体相对不受影响⁴⁸．宏观团聚体比微团聚体含有更多的有机碳、氮和磷。微团聚体(20至250微米大小的组分)是土壤结构的组成部分，并结合形成大团聚体。土壤中微团聚体的有机质浓度明显低于大团聚体。微团聚体中氮、磷含量高于碳。微团聚体中有机质含量丰富，有机质被高度加工、腐殖化、老化、被动和顽固^{49岁,50岁,51}．

管理实践对SOC池的影响

在不同管理的生态系统中，土壤性质差异很大，导致土壤功能的变化^{52、53、54 55}．土壤管理不当导致土壤侵蚀、有机质和其他营养物质枯竭，从而造成永久性土壤贫瘠和效率损失^56、57．

为了实现生产力和土壤肥力的可持续增长，良好的管理做法至关重要⁴⁰．管理实践的变化会导致土壤碳的质量和数量的变化^58岁的59．传统的管理方法包括翻耕、凿子翻耕和多次翻耕。传统耕作法将残茬纳入土壤，从而增加了土壤与残茬的接触，有利于土壤有机质的快速分解⁶⁰．土壤残留物的掺入使土壤湿度和温度达到最佳水平，微生物种群丰富，土壤结构更健康，土壤质量显著提高，从而减少了碳的降解⁶¹．土壤生物、化学和物理质量在一定时期内，免耕提高，常规耕作降低^{62, 63, 64, 65, 66, 67}．根据Lee等人的研究，耕作可以物理地破坏土壤团聚体并降低其稳定性⁶⁸．保护管理措施包括将植物生物量的残留物放置在不间断的表面上，这大大提高了土壤团聚体中碳的积累。在许多传统耕作系统中，增加耕作强度会减少总碳，特别是活性碳，并通过破坏土壤团聚体和使团聚体保护C暴露于微生物攻击而增加碳的分解代谢⁶⁹．与传统耕作相比，保护性耕作提供了土壤固碳的机会，更有利的植物生长环境和土壤健康改善⁷⁰．保护性耕作可防止土壤有机碳的流失^71年,72年在保育和传统管理方法中，保育管理方法较能随时间发展土壤品质特性。免耕大大提高了不同大小土壤的长期碳保持能力^73年,74年．

有机碳在土壤生产力中的作用

土壤具有养分的更新和积累能力及其动力学。农业生态系统的效率取决于其生产力。SOM支持陆地系统的生态系统功能。停留时间较长的顽固性物质明显涉及土壤中的主要池。SOC具有控制水和空气运动的能力。土壤有机碳与土壤的生物和物理状态密切相关。土壤的理化反应性也受有机碳的影响。土壤碳在调节生态系统服务中起着至关重要的作用。随着时间的推移，管理系统会影响土壤的所有内部和相互关联的特性⁷⁵．获得各种社会经济和环境效益的土壤管理实践需要采取保持和提高土壤碳的果断行动。需要采取综合政策和奖励措施，以限制由于管理不善造成的土壤碳损失，这些管理不善导致温室气体的损失和排放到大气中⁷⁶．土壤易受碳损失的影响，由于土地利用变化或不可持续的管理做法导致土壤加速退化，导致二氧化碳释放到大气中⁷⁷．土壤中的微生物产生某些物质，作为土壤颗粒的结合物质⁷⁸．这些土壤团聚体作为土壤碳的仓库，也有助于土壤碳的稳定。土壤碳对土壤团聚体稳定性和植物养分吸收至关重要^7、8．如果更多的碳以有机物的形式储存在土壤中，就会导致大气中碳的减少，这意味着温室气体的减少和全球变暖。碳作为土壤有机质在土壤中的储存称为“土壤固碳”。

提高或维持高水平SOM的优势

土壤有机碳是土壤生产力的主要伴生物。它为植物和微生物的生长储备和排放养分，刺激土壤结构，土壤健康，并作为有害物质的缓冲。有机物质中的碳增加了土壤的抗旱性、结构稳定性和保护土壤免受土壤侵蚀⁷⁹土壤有机质是营养物质的储存库，是对抗有害物质的缓冲剂。土壤有机质对作物生产力和土壤微生物的增殖至关重要，通过提供食物和基质来促进结构、物理和生物健康⁸⁰通过采取各种管理措施来增加土壤的碳含量，可以观察到生产力的直接提高⁸¹土壤的储存能力是有限的;含碳量有限的土壤具有捕获和储存碳的潜力。土壤有机碳对土壤健康和农业可持续发展具有重要意义。土壤中的有机碳在为植物提供适宜的生长环境方面发挥着重要的作用，如使植物更健康，提高其对病虫害的抵抗力;由于其海绵性质，在干旱时期起着储水的作用。

结论

土壤管理措施影响土壤碳库。可以采用各种管理措施，如添加适当的肥料、免耕和作物轮作，通过增加碳输入来提高土壤生产力。土壤碳分馏有助于预测大气中微量气体的排放和岩石圈生态系统对气候变化的响应。分馏过程可用于测定不同土壤系统碳的状态和变化速率。为了提高土壤有机碳含量，可以采取一定的保护措施。对大量增长的人口来说，管理和改善土壤质量是必不可少的，因为他们保守地依赖土壤资源来不断提供食物和纤维。有必要让农民了解农业中土壤碳的事实，以便他们能够做出适当的决定，采取适当的管理措施，同时提高土壤的生产力和肥力。

致谢

这组作者感谢印度政府人力资源发展部资助了这项研究工作。我们还感谢丹巴德印度矿业学院环境科学与工程系为开展实地监测和实验室分析提供了后勤支助。

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