土地整治对土壤有机碳活性组分的影响及固碳措施

　　摘要：指出了土壤有机碳及其纽分作为表征土壤质量的重要指标，在土壤物理、化学和生物特性中发挥重要作用。土壤活性有机碳作为土壤有机碳中活跃的化学组分，其所携带的动态信息能较灵敏地反映土壤有机碳受土地整治的影响程度。以土地整治对土壤有机碳及其活性组分（颗粒有机碳、可溶性碳、微生物量碳及轻组有机碳等）的影响展开了阐述。重点探讨了土壤活性有机碳对土地整治的响应特征和机制。结果表明：活性有机碳对农业管理措施的响应较总有机碳更为迅速和灵敏，能监测到土壤有机碳受土地整治影响而造成的微小、短期的动态变化，并可据此变化预测较长期内的潜在变化趋势，进而可作为表征土地整治后新构土体土壤固碳的早期指标。
　　关键词：土地整治；有机碳；活性有机碳；敏感性指标
　　1 引言
　　土地整治作为实现传统农业向现代农业转变的重要举措之一，不仅能增加有效耕地面积，优化十地利用结构，使农业增产增效，还能有效改善生态环境，为人类休养生息和生产劳动提供优良环境。随着土地整治在国内大范围地展开，土地整治对土壤有机碳的影响也日益受到关注，尤其是工程实施对土壤碳库的扰动必然打破原有生态系统碳平衡，进而加剧人类活动对土壤碳库的影响。土地整治既有可能破坏土壤物化结构，使土壤活性有机碳、微生物数量降低，形成碳源·也有可能通过改善上壤质量增加固碳。上地整治对有机碳的影响是一个长期的过程，它通过土体有机重构对土壤各种理化性质及相关生态过程产生影响，进而对土壤有机碳含量产生各种正面或负面效应。
　　土壤有机碳是表征土壤质量的重要指标之一，而土壤质量是维持土壤肥力、生产力及环境安全的最基本条件。研究发现，土壤活性有机碳，特别是颗粒有机碳（POC）、可溶性碳（ DOC）、微生物量碳（MBC）及轻组有机碳（LFOC）作为有机碳动态的敏感性指标，虽然占总有机碳的比例很小，却能显著影响土壤形成与生物化学过程，对农业管理措施及环境变化的响应较总有机碳更为迅速和灵敏，能监测到土壤有机碳微小、短期的动态变化，并能预测其长期变化趋势。尤其是土壤质量存在的微小差异均能得以显现。因此，研究土地整治对土壤有机碳及其活性组分的影响，既能及早发现土壤的肥力和环境质量状况，采取更合理的农田管理措施，为新增耕地土壤培肥提供科学的理论依据，又能为科学减排CO2做出贡献。
　　2土地整治对土壤有机碳的影响
　　2.1土壤有机碳
　　土壤有机碳作为有机质的一种化学量度，是矿化分解和合成的平衡结果，包含各种尚未分解或正在分解的动植物残体、微生物、腐殖质等成分复杂的混合物。土壤有机碳是以微生物为主导的土壤呼吸和氮矿化过程的驱动力，其为微生物生长繁殖提供养分和能源。有研究指出，任何提高有机碳含量的措施都有利于土壤性质和功能的改善，且有机碳的增量会在接近一个平衡值时停止。有机碳直接影响土壤物理、生化特征及过程，常用来评价土壤质量，是大气CO2的潜在源和汇，是植物必需营养元素的主要来源，可用来综合反映上壤的生产、环境和健康功能。
　　2.2 土地整治对有机碳的影响机制
　　土地整治是对土地资源及其利用方式的重组和优化。土壤有机碳的稳定性不仅影响土地整治后土壤养分和作物生长状况，还影响周边生态环境。研究表明，表层土壤有机碳直接参与陆地生态系统碳循环动态耦合，能够指示外界环境的变化。整治工程实施过程中，通过土体有机重构，可能增加原有耕层厚度，减少水土流失，改善局地气候，进而增加土壤生物量积累，提高有机碳含量；也有可能对地表和坡面的土壤结构和质地造成破坏，进而引起土体疏松和颗粒组成发生变化，加剧水土流失，不利于土壤有机碳的累积。
　　2.3 土地整治中有机碳的变化特征
　　土地整治是一个综合、复杂的系统工程，工程实施期间的任何一項措施都可能会对土壤有机碳含量产生影响，进而影响土壤碳库质量。土壤有机碳作为土壤肥力的核心物质，影响着土壤的结构和持水保肥性，并对与上壤退化及其生产力有关的一系列上壤过程具有缓解或调节作用。有研究表明，农田土壤贮存的碳占土壤碳储量的8%～10%，且只有农业土壤碳库强烈受人为干扰且能在短时间尺度上进行调节，其碳汇功能对缓解全球粮食供应与温室效应具有重要作用。研究表明，干旱区草地和林地开垦为农田后，分别使土壤有机碳下降15.7%和40%，而荒漠地垦殖后土壤有机碳含量呈增加趋势。随着复垦年限的增加，有机质和微生物量均增加，其中土壤微生物量碳的变化幅度最大，对复垦的响应最为敏感。此外，杭州湾南岸农田随围垦年限的延长，土壤有机碳含量增加但其稳定性下降，有机碳活性组分能敏感地反映土壤有机碳动态特征。李银科等研究发现，次生盐渍化地种植枸杞后，十壤活性有机碳较总有机碳增幅平均高出21.7%。章明奎等的研究指出，林地开垦为农地表土有机碳平均减少70%。自然土壤开垦后，频繁的农业管理措施对土壤有机碳的变化影响很大。其中林地转为农地，土壤有机碳损失25%～40%，草地开垦为农地，土壤碳素损失30%～50%。
　　3 土地整治对土壤有机碳活性组分的影响
　　活性有机碳作为微生物活动的能源和养分的驱动力，其在保持土壤肥力、改善土壤质量、维持土壤碳库平衡方面作用显著。其中，颗粒有机碳（POC 50～2000 μm）具有较高活性日对腐解高度敏感。可溶性碳被认为是反映土壤质量和功能的重要指标，土壤微生物量作为土壤养分转化过程巾一个重要的源和库，轻组有机碳是土壤生物调节的重要基质和土壤肥力的重要指标，对于整治后重构土体土壤培肥来说，土壤活性有机碳组分能很好地表征早期土壤肥力质量的变化。
　　3.1颗粒有机碳
　　POC是处于新鲜的动植物残体和腐殖化有机物之间暂时或过渡的有机物质，能够促进土壤团聚体的形成和稳定，对土壤碳素循环和平衡具有重要作用，可作为有机碳长期变化的累积性指标。Franzluebbers等研究发现，土壤整治会加速POC分解，Chan等在研究中发现，草地变为农田后首先流失的是POC，荒漠区土壤整治为农田后，POC呈增加趋势。Janzen等研究表明，POC对土壤固碳有物理保护作用，耕作过程中土壤总有机碳的下降主要是POC的损失引起的，提高土壤中POC比例，可能是缓解大气CO2浓度上升的重要措施。
　　3.2可溶性有机碳
　　DOC作为微生物最主要的能源物质，其10%～40%的组分能直接被微生物分解利用。DOC浓度和通量是土壤温度和湿度变化的敏感性指标，常在0～40cm土层中变化显著，且与土壤中CO2通量密切相关。湿地开垦为农田导致土壤DOC含量显著降低，Zhang等研究也表明，土地整治后耕种5年，土壤DOC含量明显降低，仅为初始值的27%～45%。真菌菌根分泌的DOC有利于水稳性团聚体的形成，进而有利于土壤有机碳含量的增加。DOC对土壤中有机和无机物质的转化、迁移及降解有重要作用，在土壤的形成，养分的有效性和污染物移动性方面有直接影响。因此，合理配施可溶性碳可作为土地整治后重构土壤的培肥措施。
　　3.3微生物量碳
　　MBC是指土壤中体积小于5000μm3活的细菌、真菌、微生物及动物体内所含碳量的总和，占总有机碳的1%～4%，是最易变化的组分。河滩地、林草地的土壤MBC明显高于水稻田和旱田土壤。湿地垦殖为农田20年后，土壤MBC下降很明显。Sugihara等在研究中发现，土壤含水量是MBC生育期内变化最主要的影响因素。土壤MBC的活性与植物残体、有机物以及土壤中氮、磷等营养元素的数量和质量密切相关，对整治后新构土体土壤肥力及污染程度的变化有很好地响应与表征作用。
　　3.4轻组有机碳
　　LFOC主要来自部分分解的植物残体和枯落物，其作为活性有机碳的一部分，具有C/N高、易分解、周转快等特点，它被}人为是土壤生物调节的重要基质，具有很强的生物学活性，是植物养分的短期储存库。LFOC周转期约为1～15年，在荒漠地垦殖后0～5年内增加量达99%。曾宏达等在研究中也提出，LFOC对土地覆被变化的响应较有机碳敏感，以表层（0～20cm）土壤LFOC受七地利用和覆地变化的影响最显著。LFOC在养分周转与稳定土壤结构中具有重要作用，其大小和组成具有季节性波动，可作为新增耕地土壤潜在生产力和有机碳变化的早期响应指标。
　　4土地整治中的同碳措施
　　整治后的土壤特性主要表现为土壤结构性差，养分含量低、养分空间变异大。容重高，无完整的土体构型。针对这些特性，通过农田基本建设、增肥改土、科学施肥、合理种植与耕作等综合固碳措施，提升耕作层肥力质量，逐步形成包括犁底层在内的土体构型。
　　4.1工程整治措施
　　土地整治项目实施前，制定适宜的土地整治规划，实施有利于土壤固碳的整治工程，不仅能增加土壤肥力和农业综合生产能力，又能减缓温窒效应。在土地整治过程巾，应尽量减小对土壤的扰动，注意表土的分离和填取土方量的计算，尽量做到挖填平衡。在土体重构过程中，先移走表层熟土，完成设计的挖、填深度后，再把熟土层归还地面，并适当增施有机肥。同时，还应与农田水利、防护林工程等结合起来，通过建立良好的灌排系统，在土地平整完成后及时灌溉。保水保肥。同时，通过道路林网建设改善田间小气候，抵御风沙灾害，防治水土流失，从而改善农日生态环境，有效提高土壤有机碳含量。
　　4.2改土施肥措施
　　土地整治后，必须进行地力的恢复与土壤的改良，新構土体的肥料用量要比常规施肥适量增加，并做到氮、磷、钾肥与有机肥配合施用。氮肥的施用量因田因苗灵活调控，减轻土壤养分空间变异带来的不利影响。同时，施用泥炭、种植绿肥可以疏松土体，改善土壤通气透水性，促进土壤团粒结构形成。新构土体的微生物量一般低于常规农田，故配合使用生物制剂，可以增加土壤微生物数量和群落，促进土壤养分释放，提高肥料的利用率。
　　4.3种植耕作措施
　　新增耕地土壤肥力低，直接进行耕种，很难满足作物生长需要。为使新增耕地数量与质量达到有机的协调统一，必须对新增耕地土壤进行针对性的培肥与改良，提高其土壤的肥力。在增肥改土的同时，根据土壤适宜性，调整作物布局，合理轮作倒茬；在土壤宜耕期。结合深耕深松、植被覆盖等耕作措施，促进耕作层和犁底层的形成，提高土壤蓄水保墒能力，促进土壤熟化，为作物生长提供土壤环境。此外，采用免耕播种技术可以减少土壤风蚀、水蚀，提高土壤肥力，降低农业生产成本，保护农田生态环境，促进农业可持续发展。
　　5结论与展望
　　土地整治是一项多因素、多目标的系统性工程。当前，随着人们对土地整治认识的不断深入和土地整治实践的广泛开展，土地经整治利用后，应通过工程整治、改土施肥及种植耕作等措施增加土壤固碳，将逐步提高土壤有机碳含量作为土壤培肥的中心环节，并将土壤有机碳活性组分的变化作为表征有机碳含量微小、短期动态变化的早期指标，进而预测其长期变化趋势。
　　此外，土地整治对活性有机碳影响方面的研究还相对较少，不同整治类型对活性有机碳库影响或调控碳库变化的机理仍是目前亟待研究的问题。因此，今后研究应加强以下内容：①开展不同整治类型下活性有机碳库组成的长期定位监测，并深入研究整治后不同固碳措施的固碳效应和潜力；②研究不同整治类型下土壤活性有机碳各组分间，以及其与养分有效性、生化特性、温室气体释放的相关性，进而建立土壤活性有机碳各组分与有机碳库周转的关系