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土壤有機碳和土壤結構是衡量土壤肥力的重要指標，同時也是影響土壤穩定性和生產力的主要因素。實際農田生態系統中的土壤有機碳是處在不斷的礦化（老有機碳為主）和腐殖化（新加入的作物殘體、有機肥等）過程中，而土壤結構則是在團聚體不斷分散和聚集過程中逐漸形成，且有機碳的礦化和累積[4]與團聚體的分散和聚集過程往往是同時進行的。中國中低產田分布廣泛，土壤有機碳含量低下和團聚結構不良往往是中低產田形成的主要因素，而適宜的土壤有機碳組成和含量常常伴隨著良好的團聚結構，因此深入研究土壤有機碳和團聚體的相互作用機制對于中低產田改造和地力提升具有重要意義。

1土壤有機碳和團聚體分類及其對地力的作用

土壤有機碳是泛指以各種形態和狀態存在于土壤中的各種含碳的有機化合物。在有關農田生態系統的研究中，土壤有機碳常指的是土壤中腐爛分解的有機物或其再合成產物，即所謂的腐殖質(Humus)。由于土壤有機碳種類繁多、結構復雜，不同的研究者有不同的分類方法和標準，與土壤團聚體結構研究相結合的土壤有機碳分組上常常包括化學分組和物理分組。在化學分組上，根據其腐爛分解過程中是否形成具有特異性質的有機化合物，土壤有機碳可分為兩大類，一類為非腐殖物質，其化學結構已經明確，可能來源于植物殘體降解物，也可能是微生物新合成的有機物，如糖、蛋白質和木質素等；另一類為腐殖物質，其化學結構尚未明確，采用酸或堿提取的含苯環結構的一系列呈褐色或黑色的非晶型有機化合物，如胡敏酸(humicacid,HA)、富里酸(fulvicacid,FA)和胡敏素(humin,HM)。土壤有機碳的60%以上為腐殖物質。依據有機碳在土壤中的物理形態和作用進行顆粒分組：游離態顆粒有機物(freeparticulateorganicmatter,fPOM)、閉蓄態顆粒有機物（occludedparticulateorganicmatter,oPOM；或intraaggregatePOM,iPOM）、礦物結合態有機物(mineralassociatedorganicmatter,MOM)和可溶性有機物(dissolvedorganicmatter,DOM)。fPOM主要由大顆粒的沒有完全降解的生物殘體形成，并存在于土壤團聚體外部相連的大孔隙中；oPOM為存在于團聚體內部的難降解的有機物；MOM為與土壤粘粒和粉粒緊密結合的有機物，一般為生物殘體降解的最終形態；DOM為可溶于水的能通過0.45μm微孔濾膜的有機物，在不同土壤微結構中普遍存在[3,9]。土壤團聚體是以土粒為基礎而形成的土壤結構的基本單位。土壤團聚體的分組和土壤有機碳的顆粒分組同屬物理分組，其中，水穩性團聚體是團聚體中最重要部分，而土壤有機碳和水穩性團聚體的形成密切相關。水穩性團聚體一般是采用濕篩和震蕩進行土壤崩解處理后得到，然后按照粒徑大小進行分組[4,8-9]，以250μm為界限將團聚體分為大團聚體(macroaggregates,A)和微團聚體(microaggregates,M)。A以2000μm為界可分為A1和A2，A1和A2還可分別以5000μm和1000μm為界續分；M以分53μm為界續分為M1和M2，M2可進一步續分為＜2、2~5、5~10、10~53μm。土壤有機碳和團聚體是衡量地力的重要指標，其對土壤地力具有多方面的作用。土壤有機碳具有三大作用，即作物養分的重要來源[10]、提高土壤的保蓄性和緩沖性、改善土壤物理性質。土壤團聚體在地力提升中也具有三大作用，即擴增土壤的水分養分容量、提升土壤微生物活性和功能、形成良好的土壤孔隙結構。

2土壤有機碳對團聚體形成和穩定的作用機制

土壤團聚體主要是通過動植物殘體及其分泌物或微生物等有機物與土粒膠結形成，其過程極其復雜。前期研究者認為土壤團聚體的形成過程主要有2種截然相反的模式，一種認為土壤是由小團聚體團聚后再形成大團聚體[13]，顆粒有機碳與粘粒或微生物粘液結合形成微團聚體，然后相互作用形成大團聚體。另一種則認為先形成大團聚體，再于其內部的有機碳顆粒周圍形成小團聚體，或大團聚體由于有機碳分解而破碎形成小團聚體。基于以上2種模式，關于有機碳對團聚體的形成過程的作用主要形成了以下3個階段和假說：（1）Edwards和Bremner于1967年提出團聚體形成的有機無機鍵和復合體形成模型，團聚體是由粘粒通過陽離子鍵和極性有機物形成，即有機無機的復合過程。這種模型一般適用于粘粒含量較高團粒結構豐富的土壤，且在粘性土壤中得到了廣泛的研究和驗證[15]；（2）Tisdall和Oades于1982提出團聚體的等級發育模型，認為土壤團聚體由微團聚體向大團聚體逐級連續層次性形成。1984年Oades進一步作了重要修改，認為微團聚體能夠形成于大團聚體中心，植物根系和微生物菌絲可以通過纏繞作用直接形成大團聚體。這種模型有利于解釋oPOM和MOM形成穩定微團聚體的機制，即有機碳先在大團聚體中累積，在大團聚體內部逐漸形成并結合到微團聚體中，而后和微團聚體一起釋放出來形成穩定的不易分解的土壤有機碳，而累積在大團聚體中的有機碳則是容易分解的fPOM和DOM。這種模型在大團聚體逐級降解的研究中得到了驗證；（3）Six等[8]于1998年提出了大團聚體周轉模型，認為微團聚體的形成有賴于顆粒有機物，顆粒有機物增加能夠提升大團聚體含量，而其降解則能導致大團聚體的破碎從而釋放出微團聚體。并于2000年和2002年進一步完善了該模型，并發展了基于土壤有機碳的胚胎發育模型，認為新鮮有機碳加入土壤后，在微生物的降解下，一部分與土壤礦物結合促進土壤團聚體的形成，余下的fPOM則為微生物繼續降解。與此同時，形成的團聚體則反過來阻塞有機碳于大團聚體內，從而對有機碳進行物理保護，使土壤有機碳得到積累。當fPOM被微生物分解殆盡時，微生物就會開始破壞土壤大團聚體的有機膠結劑，從而降低土壤團聚體的穩定性，并使土壤有機碳減少。以上研究主要集中于團聚體形成過程的理論機理模型，而實際田間土壤團聚體是經過一系列物理、化學和生物的作用而形成的，已有研究對其形成機理并無統一明確的認識，仍需進一步的深入研究。土壤團聚體數量和形態能否保持穩定（尤其是水穩定）能夠顯著影響土壤肥力、結構和功能。土壤團聚體的穩定性對于土壤結構和地力極其重要，且和有機碳水平之間密切相關。團聚體與有機碳結合會提升團聚體的穩定性。土壤濕潤時團聚體中閉蓄空氣的壓力與膠結物質粘結力之間的相對變化決定著土壤團聚體的水穩定性[21]。土壤團聚體的大小及其穩定性往往隨著土壤總有機碳含量的增高而增加。有機碳既能增加團聚體之間的相互作用和抗破碎能力，又能降低水分濕潤鋒在土壤界面中的前進速度，從而提高團聚體穩定性。楊瑩瑩等[22]研究發現，紅壤中水穩性團聚體粒徑大小與有機碳含量呈顯著正相關。王哲峰等[13]在對干旱農牧交錯帶的草原土壤的研究中發現，碳水化合物（尤其是稀酸提取的碳水化合物）是影響水穩性團聚體形成和穩定的關鍵因素，耕種顯著降低了土壤有機碳含量，進而顯著降低了土壤結構穩定性。

3土壤團聚體對有機碳累積的作用機制

土壤團聚體能夠對有機碳進行保護而促進有機碳的穩定和累積。團聚體儲存有機碳組分和能力隨著其粒徑不同而變化。一般來說，與小團聚體相比，大團聚體中具有更多的有機碳，Abdollahi和Schjønning通過長期試驗發現團聚體對多聚糖有機碳的累積具有重要影響，MOM在土壤有機碳的中期周轉更新中具有重要作用，但粉粒結合態的有機碳則參與了長期的土壤有機碳循環。周萍等發現有機碳含量在大團聚體(200~2000μm)和微團聚體(＜2μm)中最高，而在中小團聚體中分布較少，而易氧化態碳主要存在于大團聚體中，該粒級團聚體主要作為新增碳源的載體。張曼夏等[28]認為大團聚體(＞0.25mm)在土壤團粒結構中占主導地位，并且隨著團聚體粒徑的增加，土壤有機碳含量呈下降趨勢。郭素春等[29]報道烷基碳/烷氧碳比值隨著團聚體粒徑的減小而增加，說明有機碳的分解程度是隨著團聚體粒徑的減小而增加的。O’Brien等利用C3和C4作物自然13C豐度差異發現了微團聚體中有機碳形成時間早于大團聚體。李江濤等的研究表明土壤顆粒有機物的含量隨著土壤團聚體粒徑的增加而降低，而C/N比為降低趨勢。

總之，在目前已有研究基礎上，根據土壤團聚體對于有機碳的保護機制（圖1）可以將土壤有機碳庫分為4類：（1）粘土礦物保護態碳庫。土壤粘粒含量和粘土礦物類型顯著影響著土壤有機碳的穩定性。土壤粘土礦物（粘粒和粉粒）由于具有巨大的比表面積和表面電荷，能夠與有機碳緊密結合形成有機-無機復合體[32]，這部分有機碳非常難以降解，屬于土壤有機碳中極穩定的碳庫（；2）微團聚體保護態碳庫。土壤微團聚體主要通過物理機制來減緩土壤有機碳降解。主要體現在2個方面，一個是微團聚體內的孔隙極小，能夠在土壤微生物和酶及有機碳之間形成屏障，阻礙了微生物對有機碳的降解，另一個是團聚體影響了微生物食物網絡代謝和周轉[17]，據已有研究有機碳在微團聚體內存在可長達100多年[9]。可見該碳庫難以降解，能夠促進土壤有機碳的累積和提升；（3）大團聚體保護態碳庫。存在于大團聚體中的碳庫，通過生物化學作用來維持土壤有機碳，主要是土壤微生物通過自身活動分泌或其軀殼形成的穩定有機物從而積累有機碳[33]（；4）非保護態碳庫。主要是指土壤中易于降解的有機碳，如植物根系分泌的小分子有機酸、可溶性糖等，以及作物秸稈降解及微生物活動分泌的DOM等。這部分有機碳極易被氧化或被微生物所利用，能夠快速釋放養分供作物吸收，但是對土壤有機碳的累積和土壤固碳沒有顯著效果。

4農田管理措施對土壤有機碳和團聚體的影響

農田生態系統的物質循環和能量傳輸受到人類活動的極大影響。在進行土壤有機碳和團聚體的研究中，人類活動所產生的擾動和影響不可忽視，而這些影響主要體現在耕作、施肥和秸稈還田等農田管理措施上。耕作對土壤結構進行了強烈的破壞，而免耕則降低了大團聚體的破碎，為細顆粒有機碳提供儲存場所，降低了細顆粒有機碳的降解速率，進而促進了土壤有機碳的提升。苑亞茹等的研究結果顯示，水穩定性土壤團聚體在種植農作物條件下顯著低于長期植被自然恢復的草地，表明耕作通過物理擾動極大地破壞了大團聚體，且加速了土壤有機碳的降解。施肥往往有利于土壤有機碳的累積，其原因在于施肥能夠提高植物根系分泌物含量，且施用有機肥能夠直接往土壤中輸入外源有機碳。徐江兵等指出長期施肥能夠顯著提升團聚體中輕組有機碳、粗顆粒有機碳、細顆粒有機碳和MOM含量，且微團聚體中有機碳大部分為MOM。長期施用有機肥或配施無機肥可以提高微團聚體內的fPOM和大團聚體內的微團聚體中的POM[38]。秸稈還田是農田土壤有機碳的重要來源，對有機碳和土壤團聚體具有重要影響。吳海勇等的研究表明，秸稈還田增加土壤中有機碳含量，降低土壤溶質，增加土壤孔隙度，有利于水穩性大團聚體的形成，進而提高土壤的穩定性，形成良好的土壤結構。郝翔翔等對黑土連續8年進行秸稈還田，發現秸稈能夠顯著提升大團聚體和各級團聚體內的有機碳含量，同時秸稈還田使得有機碳在大團聚體中的比例增加。博國棟等發現，土壤有機碳隨秸稈還田量的增加而增加，高量秸稈還田對改良煙田土壤結構有良好的效果，土壤有機碳與團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑及分形維數呈極顯著正相關，表明增加土壤有機碳能夠改良土壤結構。

5土壤有機碳和團聚體相關研究的新技術

5.1同位素示蹤示蹤法采用的同位素可分為穩定性和放射性2種，能夠用于定量區分土壤團聚體中有機碳周轉和分布。（1）穩定性同位素示蹤法（13C自然豐度法）：土壤有機碳主要來自植物殘體，而不同的光合類型植物（C3和C4）具有不同的13C含量，進而形成具有13C差異的土壤有機碳，因此可以用于定量化有機碳的周轉及示蹤土壤團聚體中有機碳的去向[42]。盡管13C自然豐度能均勻標記作物秸稈，且由于其無污染可供土壤長期標記試驗等優勢，但其應用范圍必須是實驗土壤與種植的植被有顯著不同的13C含量，故在實際應用中往往受到諸多限制（；2）放射性同位素示蹤法：采用14C同位素標記物來標記供試植物，然后通過追蹤被14C標記的植物殘體來檢測有機物質在土壤中的周轉。14C示蹤標記靈敏度高，可明確有機碳分解與轉化產物的來源，能夠克服13C示蹤方法的應用限制，但該方法所用的示蹤物質具有放射性而不適宜于長期田間定位試驗。

5.2基于X射線的顯微層析技術(synchrotron-basedX-raymicrotomography,SXM)SXM是在傳統的土壤切片顯微鏡觀察技術基礎上開發出的一種高分辨率和內部結構無損檢測的圖像檢測技術，主要原理在于檢測通過土壤外部的X射線來剖析土壤結構內部信息。操作中分別采用稍高和稍低于C吸收限的入射能量，對土壤樣品分別進行掃描，再用差減處理即可獲得C元素三維空間分布圖，進而解析有機碳在團聚體中的分布。Kinyangi等利用SXM發現了細顆粒有機碳包裹在微孔隙中，增強了微結構在土壤結構中的地位。Peth等[44]利用SXM技術成功地定位了土壤有機碳在團聚體的分布。可見在團聚體結構的研究中，SXM不僅可以突破傳統的掃描顯微技術的二維結構局限，還可以進行非擾動土的直接成像，避免了薄片制作過程對土壤結構的收縮影響。但是應用SXM技術進行土壤團聚體結構研究時，輻射光源的通量、強度、色度對檢測結果均具有較大影響，在進行實際土壤樣品分析時，應根據土壤的不同質地和不同體積（厚度）慎重的選擇光源參數。

5.3掃描電子顯微鏡(scanningelectronmicroscopy,SEM)相關的新技術SEM最初廣泛應用于地質、地球化學、材料科學和生物科學領域，在土壤學領域的應用中起步較晚。SEM可以直接用于觀測土壤顯微結構，但是該技術只能應用于分析干燥的土壤樣品，且電子束下掃描測定過程中土樣表面需涂上一層金或鉑進行導電。而土壤樣品干燥過程往往會對樣品產生干擾，如風干土壤時，空氣干燥會引起土壤體積的收縮（尤其是粘質土壤）；冷凍干燥不可避免地形成的結晶水會引起樣品整體的膨脹；高溫烘干干燥則會極大的破壞土壤顆粒結構。針對常規SEM的缺陷，隨著科學技術的發展，在SEM基礎上發展新的技術成為土壤結構分析領域的一種趨勢。目前相關應用報道的主要有環境掃描電子顯微鏡(environmentalscanningelectronmicroscopy,ESEM)和SEM與X射線能譜儀(energydispersiveX-rayspectroscopy,EDX)結合技術(SEM-EDX)。應用ESEM進行土壤結構分析時，由于能在檢測過程中控制樣品的濕度和溫度，而不需要在分析前對土樣進行干燥處理，且ESEM附帶的場發射槍能夠帶來高達30KV的電壓，因此無需采用導電金屬金或鉑對土樣表面進行涂層，避免這些前處理對土樣的干擾和破壞，能夠最大限度地呈現出自然狀態下的土壤團聚體結構[46]。由于EDX具有利用特征X射線光譜來提供土樣C元素組成的定性定量信息的特點，將EDX和SEM結合起來不僅能夠測定土壤團聚體的內外結構，還可以獲取團聚體中C元素的含量分布圖，明確其中有機碳的位置以及礦物與C元素的結合形態。可見SEM-EDX技術將非常有助于深入解析土壤團聚體和有機碳之間的相互作用機制，但此類定量研究目前見于報道的還很少。

6存在問題

目前，在土壤有機碳和團聚體相互作用的機制研究中還存在一些問題：（1）在研究內容上，農田生態系統中輸入的有機物種類繁多（如秸稈、作物留茬、有機肥、畜禽糞便等），組成復雜（如秸稈含有木質素、纖維素、可溶性糖、有機酸等有機物，且各組分含量隨作物品種外界環境而異），各種外源有機物的組分、結構及其礦化分解過程并沒有得到廣泛深入的研究，進而阻礙了農田土壤有機碳和土壤團聚體形成和轉化的機制研究。有機碳如何通過團聚體發生物理、化學和生物上的相互作用至今也還處在探索階段。另外，外界條件的變化（如耕作、溫度、降雨灌溉引起的干濕交替等）極大的改變了有機碳和團聚體在土壤中的分布和穩定性，但是這種改變還存在著極大的不確定性，而且這種改變的強度往往局限于定性的描述。（2）在研究手段上，雖然關于土壤有機碳和團聚體的研究技術已有很多，但這些技術常常局限于某種土壤或者某種特定實驗目的，導致了這些技術往往還處于摸索驗證階段，而沒有被廣大同行廣泛認可和采用。另外，現有的研究大都采用一種技術和方法來研究土壤有機碳和團聚體的變化（質量、大小或結構等），而較少綜合各種手段和技術。

作者：趙金花 張叢志 張佳寶 單位：封丘農田生態系統國家試驗站/中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室 河南糧食作物協同創新中心/河南農業大學農學院 小麥玉米作物學國家重點實驗室