土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳的關(guān)系、定量研究方法與展望

摘要:近些年土壤固碳研究受到廣泛關(guān)注。在諸多影響土壤固破的因素中,團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)破的物理保護(hù)機(jī)制是研究的焦點(diǎn)。土壤中原始有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體和團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成中發(fā)揮著不可替代的作用,土地利用方式、精作方式以及施肥措施發(fā)生變化后,團(tuán)聚體及其結(jié)構(gòu)在土壤有機(jī)碳固定中的作用變得更加凸呈。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)包含眾多的孔隙,這些孔隙的大小、數(shù)量、形狀以及空間分布等都會(huì)影響土壤中水分運(yùn)移、植物根系生長(zhǎng)、土壤生物活動(dòng)以及土壤有機(jī)碳分配,它們相互作用影響土壤中有機(jī)破的固定,本文分析了水分、植物根系以及土壤生物與團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,闡述了這些因素在土壤有機(jī)碳變化中所起的作用,并對(duì)目前研究的不足進(jìn)行了概述。同時(shí),鬧述了不同CT(ComputedTomography,CT)技術(shù)在土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用及其對(duì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的提取方法,探討了團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)破固定的影響,展望了團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)破固定影響需要加強(qiáng)的研究?jī)?nèi)容,土壤學(xué)關(guān)注的核心問(wèn)題主要是土壤固碳容量以及土壤固碳機(jī)制兩個(gè)方面。自上個(gè)世紀(jì)末開(kāi)始相關(guān)研究報(bào)道已有很多,但對(duì)于土壤固碳機(jī)制的研究到目前為止仍需要深入探究。土壤固碳研究是在國(guó)際社會(huì)聚焦緩解溫室氣體排放和糧食安全問(wèn)題背景下產(chǎn)生的新研究課題2習(xí)?；瘜W(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性是用來(lái)解釋土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性機(jī)制比較常用的三種機(jī)制。土壤結(jié)構(gòu)是可以用來(lái)控制和表征土壤有機(jī)碳穩(wěn)定狀態(tài)的一個(gè)主要物理穩(wěn)定性綜合變量,團(tuán)聚體是其重要組成部分,團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)改變會(huì)使微生物生存的物理化學(xué)環(huán)境發(fā)生變化,進(jìn)而影響土壤中有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化和固定土壤團(tuán)聚體的形成區(qū)別于成土母質(zhì)土壤形成過(guò)程,植物殘?bào)w和植物根系滲出液等有機(jī)物膠結(jié)作用及微生物分解轉(zhuǎn)化作用在團(tuán)聚體形成模型中被認(rèn)為是其主要驅(qū)動(dòng)因素5.1-8,Bronick和Lal認(rèn)為土壤有機(jī)碳在團(tuán)聚體形成過(guò)程中起粘合劑和團(tuán)聚核心的作用。團(tuán)聚體形成初期離不開(kāi)土壤有機(jī)碳的粘合作用,而在團(tuán)聚體多次團(tuán)聚和土壤中有機(jī)碳的再次分配作用下,團(tuán)聚體以及團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳的固定作用,就凸顯出來(lái)了,特別是當(dāng)土地利用方式、農(nóng)田土壤中耕作方式以及施肥方式改變時(shí)[o-12,團(tuán)聚體之間和團(tuán)聚體內(nèi)部的有機(jī)物與空氣、水分和微生物接觸直接或間接受到團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)空間分布,特征影響,從而影響有機(jī)碳的固定和分解。文章簡(jiǎn)要介紹了團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)分級(jí),主要從團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與土壤水分遷移、植物根系和土壤動(dòng)物三者間關(guān)系來(lái)闡述團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳固定的影響。同時(shí),鑒于獲取團(tuán)聚體間孔隙的手段和方法以及對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)定量和篩選制約著團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)土壤有機(jī)碳固定機(jī)制的,定量描述,文章對(duì)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)提取手段和定量分析方法進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的影響土壤結(jié)構(gòu)被定義為土壤顆粒和孔隙的數(shù)量和排列,是影響土壤功能的一個(gè)關(guān)鍵因素,特別需要指出的是可以調(diào)整土壤中碳礦化和分解的過(guò)程。團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)組成的基本單元,其動(dòng)態(tài)變化是對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與土壤物理、化學(xué)和生物過(guò)程的綜合反映[4-19。團(tuán)聚體穩(wěn)定性是決定土壤結(jié)構(gòu)好壞的關(guān)鍵因素,進(jìn)而也會(huì)影響有機(jī)碳的分解與轉(zhuǎn)化.團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)主要包括團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩部分,這兩部分形成的孔隙結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體本身構(gòu)成了土壤結(jié)構(gòu)整體。而孔隙結(jié)構(gòu)的確定基本上可以限定團(tuán)聚體的空間分布。團(tuán)聚體間和內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)制約著土壤中水分流通性、植物根系生長(zhǎng)和發(fā)育、土壤空氣含量以及土壤微生物數(shù)量、活性和群落結(jié)構(gòu)組成等”。而這些因素是影響土壤有機(jī)碳變化及土壤CO;排放的主要因素,從這一層面講團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與土壤有機(jī)碳礦化之間存在直接或者間接的聯(lián)系。1.1團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)特征簡(jiǎn)述良好的團(tuán)聚土壤在團(tuán)聚體之間和團(tuán)聚體內(nèi)部都存在一個(gè)寬泛的孔隙范圍0。比較常用的孔隙分級(jí)如:大孔隙(直徑>30m的非毛管孔隙),中孔隙(0.2um<直徑<30um的毛管孔隙),微孔隙(直徑<0.2um的貯存孔隙)(%,土壤孔隙的空間分布、大小和數(shù)量能夠影響土壤有機(jī)碳的含量及其分解轉(zhuǎn)化,土壤有機(jī)碳和土壤質(zhì)地反作用于土壤的多孔性(2。Naveed等學(xué)者對(duì)不同種植作物下自然和室內(nèi)培養(yǎng)后團(tuán)聚體進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描指出團(tuán)聚體中大于30m孔隙所占的比例可以很好地表征團(tuán)聚體好壞。Wang等學(xué)者對(duì)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中常規(guī)耕作和原生植被演替兩種土壤團(tuán)聚體中不同孔徑孔隙的分布進(jìn)行了研究[2Ananyeva等學(xué)者也做過(guò)類似研究,同時(shí)還指出包含較多<15m和>100jm原生植被演替土壤團(tuán)聚體更加有利于土壤中碳的固定"。團(tuán)聚體間孔隙會(huì)影響水分、空氣和土壤養(yǎng)分在土壤中的空間分布和運(yùn)移2,這些孔隙的存在可以使水、氣、化學(xué)物質(zhì)和微生物進(jìn)入團(tuán)聚體。Mangalassery等研究表明,土壤孔隙度和孔隙大小對(duì)溫室氣體特別是CO;和CH,的排放通量有顯著的影響,農(nóng)田管理措施如耕作方式對(duì),土壤團(tuán)聚過(guò)程和土壤孔隙特征的發(fā)展有極大的影響,會(huì)直接影響土壤中溫室氣體的排放0。目前,對(duì)團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)特征的報(bào)道多集中在團(tuán)聚體內(nèi)部,對(duì)于團(tuán)聚體間孔隙結(jié)構(gòu)的研究還比較少,定量表征更有待加強(qiáng)。利用高分辨率CT技術(shù)提取更加精確孔隙數(shù)據(jù)是用來(lái)解決土壤孔隙提取準(zhǔn)確性和精確性的新方法,但對(duì)于利用CT技術(shù)結(jié)合圖像處理軟件提取的孔隙數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析,從而獲取更加準(zhǔn)確表征團(tuán)聚體孔隙構(gòu)指標(biāo)的工作也有待加1.2團(tuán)聚體孔隙與土壤水分遷移團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部孔隙大小制約著土壤中水分的運(yùn)移速度,間接影響著土壤中有機(jī)碳被微生物利用的程度。大孔障促使優(yōu)先流的產(chǎn)生,進(jìn)而帶動(dòng)可溶性有機(jī)碳在土體中遷移。馮杰等利用醫(yī)用CT技術(shù)結(jié)合分形維數(shù)確定了土壤中大孔隙的分布情況,指出可以利用其定量描述大孔隙對(duì)水及溶質(zhì)在土壤中運(yùn)移的,影響2。裂隙和動(dòng)物巢穴以及通道等大孔隙的存在,促成了土壤優(yōu)先流的產(chǎn)生。Ghafoor等研究表明,在耕作土壤的表層,優(yōu)先流的產(chǎn)生與土壤有機(jī)碳有著密切的聯(lián)系,有機(jī)碳含量較高的土壤優(yōu)先流較弱,優(yōu),先流對(duì)有機(jī)碳的沖刷作用較小,有機(jī)碳可以更加穩(wěn)定的存儲(chǔ)在團(tuán)聚體和土壤中.Gish等在對(duì)土壤中優(yōu)先水流途徑的研究中發(fā)現(xiàn),免耕處理的農(nóng)田,植物根系腐爛留下的根孔不僅對(duì)優(yōu)先水流產(chǎn)生較大的影響,而且有機(jī)物含量、微生物群落結(jié)構(gòu)和氧氣含量在這些根孔中的分布都要高于不存在根孔的土壤。土壤中大孔隙造成的水分遷移會(huì)直接或者間接影響土壤有機(jī)碳在土壤中空間分布和轉(zhuǎn)化與固定。團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部中小孔隙的存在為土壤中水分再次分配提供了可能,土壤水分和溶質(zhì)通過(guò)外力和自身入滲作用形成新的土壤水分和可溶性有機(jī)碳的空間分布格局。團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)與土壤水分遷移對(duì)有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化研究,大多是探討團(tuán)聚體間大孔隙中優(yōu)先流帶動(dòng)下土壤有機(jī)碳的遷移轉(zhuǎn)化,至于其它較小孔隙在土壤水分遷移對(duì),有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的研究相對(duì)不足。1.3團(tuán)聚體孔隙與植物根系團(tuán)聚體間和團(tuán)聚體內(nèi)部廣泛的孔隙是植物賴以生存的空間要素。作物根系生長(zhǎng)需要充足的水分和養(yǎng)分以及空間,在土壤大孔隙中保存著大量的水分和養(yǎng)料,也提供著植物扎根的空間。中等孔隙則有一定的限制,微孔隙更是極大地制約土壤根系的生長(zhǎng)。DalFerro等發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)耕作破壞了土壤原有的大孔隙(54μm~750jm)結(jié)構(gòu),增加了土壤中54um-250um孔隙的數(shù)量,進(jìn)而改善了土壤的松弛度,對(duì)作物根系生長(zhǎng)產(chǎn)生了一定的影響(。有學(xué)者利用CT技術(shù)對(duì)種植植物和未種植植物的土壤孔隙進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),生長(zhǎng)植,物的土壤孔隙度和平均孔隙直徑比未生長(zhǎng)植物的土壤大得多00。植物根系會(huì)選擇性的在有利于其生長(zhǎng)的土壤孔隙中生長(zhǎng),也會(huì)向著水分和養(yǎng)分充足的地方滲透,在作物死亡后,這些根系分解后會(huì)產(chǎn)生新的孔隙。植物根系生長(zhǎng)和凋亡的更替是促使土壤孔隙逐步形成的一個(gè)重要因素。植物根系會(huì)促成團(tuán)聚體間大孔隙的形成,同時(shí)對(duì)土壤中有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化有著重要的影響。水分和土壤中溶質(zhì)是植物根系生長(zhǎng)必不可少的,植物根系對(duì)土壤大中孔隙中水分和養(yǎng)分獲取難易程度,最終將影響植,物生長(zhǎng)好壞及其向土壤有機(jī)物料輸入的量。Schmidt等P研究指出,通過(guò)植物根系輸入土壤中的碳比通過(guò)表層添加秸秤等方式輸入的碳固定效果好。在土壤表層施入的碳大部分在枯枝落葉層或者是土壤表層就被礦化了,而通過(guò)植物根系和菌絲方式進(jìn)入土壤的碳則多是通過(guò)與土壤顆粒和團(tuán)聚體間的物理化學(xué)交互作用而固定的,更加有效和穩(wěn)定.Vinther等和王大力等研究認(rèn)為,生長(zhǎng)過(guò)程中植物根系分泌物提供了微生物生長(zhǎng)必需的碳源,形成一系列微生物群落:根系死亡分解腐爛后,孔隙中有大量的根系殘?bào)w,加上優(yōu)先,流提供的水分和溶質(zhì)以及進(jìn)入的空氣,共同促成了這些孔隙周圍微生物活性的提高,導(dǎo)致土壤碳的分解速,率加快-33,進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化。這方面研究主要是從土地利用方式或者耕作方式變化后植物根系對(duì)土壤孔隙度產(chǎn)生的影響,或者是某一孔徑孔隙發(fā)生變化后對(duì)土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的影響這些方面,展開(kāi),對(duì)團(tuán)聚體孔隙定量數(shù)據(jù)精確度不夠,進(jìn)而影響到對(duì)有機(jī)碳動(dòng)態(tài)變化的相關(guān)研究。1.4團(tuán)聚體孔隙與土壤生物土壤孔隙為植物的生長(zhǎng)提供了必不可少的環(huán)境條件,也促成了土壤中動(dòng)物和微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的1.4團(tuán)聚體孔隙與土壤生物土壤孔隙為植物的生長(zhǎng)提供了必不可少的環(huán)境條件,也促成了土壤中動(dòng)物和微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)的變化土壤動(dòng)物可以改善土壤的通氣性、孔隙度、團(tuán)聚體穩(wěn)定性、動(dòng)植物殘?bào)w混合度和養(yǎng)分獲取度,提高土壤中碳和氮的穩(wěn)定性、減少土壤中碳的轉(zhuǎn)化[36-37。亦有研究發(fā)現(xiàn),土壤中大型動(dòng)物虹蚓對(duì)土壤有機(jī)碳的作用受土壤有機(jī)