李 雄，張旭博，孫 楠，張崇玉，徐明崗，馮 龍

（1 貴州大學農(nóng)學院，貴陽 550025；2 中國科學院地理科學與資源研究所/生態(tài)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室，北京100101；3 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；4 貴州工程職業(yè)學院，德江 565200）

土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大且周轉(zhuǎn)周期最慢的碳庫，主要由土壤有機碳 (Soil organic carbon，SOC) 和無機碳 (soil inorganic carbon，SIC) 兩部分組成，是繼海洋碳庫和地質(zhì)碳庫之后的第三大碳庫[1]。全球0—100 cm土壤剖面SOC的儲量約為1220～1576 Pg，SIC的儲量約為700～1700 Pg[2]。SOC和SIC的巨大庫容決定了二者在碳循環(huán)和減緩氣候變化方面具有重大作用[3]。

有學者對我國SOC和SIC儲量的研究發(fā)現(xiàn)，0—100 cm土壤剖面SOC儲量為83.8 Pg，SIC儲量為77.9 Pg，且該研究結果表明我國的SOC儲量高于美國的SOC儲量 (65.5 Pg)[4]。Wu等[5]對我國SIC儲量的估計值為55.3 Pg，且該研究發(fā)現(xiàn)SIC主要分布在我國的華北、西北地區(qū)，土地利用方式對SIC的儲量影響顯著。Wang等[6]在新疆地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤中SOC和SIC的含量高于撂荒地。也有學者通過在甘肅河西走廊、寧夏云霧山等地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤中SIC的含量高于草地[7–8]。這些研究結果均表明，在干旱半干旱地區(qū)將土地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田有利于SIC的積累。

陸地生態(tài)系統(tǒng)中存在著“SOC—CO2—SIC”的微碳循環(huán)系統(tǒng)，SOC以CO2為媒介轉(zhuǎn)化為SIC[9]，當前對SOC和SIC相互關系的研究極其缺乏，且研究結果不一。潘根興等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱地區(qū)，由石灰性母質(zhì)發(fā)育的均腐土、淋溶土、干旱土和雛形土的SOC和SIC呈現(xiàn)負相關關系。然而，在我國新疆焉耆盆地，SOC和SIC呈現(xiàn)顯著的正相關關系[11]。同時有學者在加拿大以及美國部分地區(qū)的研究結果也表明SOC和SIC為顯著的正相關關系[12–13]。因此，急需系統(tǒng)量化不同條件下SOC和SIC之間的相互關系，進一步明確碳在土壤中的轉(zhuǎn)化過程。

本研究旨在總結現(xiàn)有關于SOC和SIC研究的結果，通過數(shù)據(jù)的收集、整理、分析，量化SOC和SIC之間的相互轉(zhuǎn)化關系，以期為更好地理解碳循環(huán)、更準確地模擬碳在土壤中的轉(zhuǎn)化過程、更精準地估計碳儲量奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 文獻搜集

為了系統(tǒng)地揭示SOC和SIC的相互關系，本研究從Web of Science、中國知網(wǎng)和百度學術等文獻庫對1990—2018年期間發(fā)表的文獻進行檢索。選取土壤碳庫 (soil carbon pool，soil carbon stock)，土壤有機碳 (soil organic carbon) 和土壤無機碳 (soil inorganic carbon) 等關鍵詞進行文獻搜集。篩選文獻采用以下標準：1) 文獻中數(shù)據(jù)至少含有均值、標準差SD (或標準誤差SE) 和重復數(shù) 3個要素，其中重復數(shù)至少為3次；2) 文獻中必須包含SOC和SIC含量或其中一個數(shù)據(jù)以及總碳 (soil total carbon, STC) 含量 (STC =SOC + SIC)；3) 文獻中包含明確的土地利用方式 (草地、林地、農(nóng)田等)。同時，還獲取了每個獨立試驗站點的基本信息，包括氣候類型、地理位置 (經(jīng)度、緯度和海拔)、土壤類型、年降雨量、年蒸發(fā)量和年均溫等。

1.2 數(shù)據(jù)分析

本研究選用GetData Graph Digitizer 2.24軟件進行數(shù)據(jù)提取，Excel2007統(tǒng)計整理數(shù)據(jù)，SPSS進行數(shù)據(jù)分析及Origin9.2進行作圖，采用LSD法進行多重比較分析 (顯著性水平P = 0.05)。

為了進一步探討不同氣候區(qū)、不同土地利用方式及不同土壤類型SOC和SIC的比例 (相互關系)，對搜集整理后的數(shù)據(jù)按照氣候區(qū)、土地利用方式、土壤類型進行分類。按照各試驗站點的降雨量大小，將氣候區(qū)劃分為溫帶大陸性氣候區(qū)和溫帶季風性氣候區(qū)，青海、新疆、內(nèi)蒙、陜西、甘肅氣候區(qū)屬于溫帶大陸性氣候區(qū)，吉林、山東、河北、寧夏為溫帶季風性氣候區(qū)；土地利用方式包括草地、林地和農(nóng)田；土壤類型包括棕壤、荒漠土和黑壚土。按照數(shù)據(jù)在土壤剖面的分布，將所得數(shù)據(jù)分為0—20 cm和20—100 cm兩個土壤剖面層次。提取文獻基本信息如表1所示。

2 結果與分析

2.1 不同氣候區(qū)SOC和SIC含量變化

溫帶大陸性氣候區(qū)，0—20 cm土層草地、林地和農(nóng)田三種土地利用方式下，SOC含量無顯著差異(P ＞ 0.05)，20—100 cm 土層 SOC 含量草地 ＞ 農(nóng)田 ＞林地，且差異顯著 (P ＜ 0.05)；0—20 cm、20—100 cm土層 SIC 含量草地 ＞ 農(nóng)田 ＞ 林地，且差異顯著 (P ＜0.05)。溫帶季風性氣候區(qū)0—20 cm土層土壤中SOC含量農(nóng)田顯著高于其他兩種土地利用方式 (P ＜0.05)，林地土壤中SOC含量最低；20—100 cm土層SOC含量無顯著差異，草地和林地土壤中SIC含量無顯著差異，但都顯著高于農(nóng)田土壤的SIC含量(P ＜ 0.05, 表 2)。

2.2 不同氣候區(qū)SOC和SIC比例分布

溫帶大陸性氣候區(qū)，0—20 cm、20—100 cm土層SOC/SIC均值 (標準差) 分別為0.70 (0.34)、0.50(0.24)(圖1a和圖1c)。溫帶季風性氣候區(qū)0—20 cm、20—100 cm土層SOC/SIC值分別為1.06 ± 0.05、0.31 ± 0.08 (圖1b和圖1d)。且兩個氣候區(qū)SOC/SIC 符合正態(tài)分布 (P ＜ 0.05)。

2.3 不同土地利用方式下SOC和SIC比例特征

溫帶大陸性氣候區(qū)0—20 cm土層，草地、林地和農(nóng)田土壤中SOC/SIC值變化范圍 (均值) 分別為0.10～1.54 (0.53)、0.15～1.95 (0.90)、0.32～1.46(0.80)，林地和農(nóng)田土壤中SOC/SIC值無明顯差異，但都顯著高于草地 (P ＜ 0.05)。20—100 cm土層，SOC/SIC值變化范圍 (均值)0.10～0.86 (0.38)、0.12～1.07 (0.68)、0.13～1.04 (0.49)，林地土壤中SOC/SIC值顯著高于草地 (P ＜ 0.05)，農(nóng)田和其他兩種土地利用方式無顯著差異 (P ＞ 0.05)。相同土地利用方式下，林地、農(nóng)田土壤0—20 cm土層中SOC/SIC值顯著高于20—100 cm土層 (P ＜ 0.05，圖2a)。

溫帶季風性氣候區(qū)0—20 cm土層，草地、林地和農(nóng)田三種土地利用方式下SOC/SIC值變化范圍 (均值) 分別為 0.18～2.23 (0.82)、0.22～0.36 (0.29)、0.55～1.4 (1.05)，農(nóng)田土壤中SOC/SIC值顯著高于其他兩種土地利用方式，且草地顯著高于林地 (P ＜0.05)。20—100 cm土層SOC/SIC值變化范圍 (均值)分別為 0.14～0.46 (0.27)、0.13～0.44 (0.18)、0.17～0.59 (0.31)，三種土地利用方式下SOC/SIC值無顯著差異 (P ＞ 0.05)。同一土地利用方式下，草地和農(nóng)田土壤0—20 cm土層顯著高于 20—100 cm土層 (P ＜ 0.05，圖 2b)。

2.4 不同土地利用方式下SOC和SIC的相互關系

溫帶大陸性氣候區(qū)，草地、林地和農(nóng)田三種土地利用方式下總的SOC和SIC在0—20 cm、20—100 cm兩個土層呈極顯著正相關關系 (圖3a)。溫帶季風性氣候區(qū)，0—20 cm土層二者呈顯著負相關關系，20—100 cm土層則呈顯著正相關關系 (圖3b)。

溫帶大陸性氣候區(qū)，草地、林地和農(nóng)田0—20 cm土層中SOC和SIC均呈現(xiàn)極顯著正相關關系 (圖3c)；林地和農(nóng)田20—100 cm土層中，SOC和SIC呈極顯著正相關關系。然而，草地土壤20—100 cm土層二者則呈現(xiàn)顯著負相關關系 (圖3e)。溫帶季風性氣候區(qū)，林地和農(nóng)田0—20 cm、20—100 cm土層中SOC和SIC均為顯著的正相關關系，而在草地中則為顯著的負相關關系 (圖3d和圖3f)。

表1 文獻信息Table 1 Information of literature

表2 不同氣候區(qū)SOC和SIC含量Table 2 SOC and SIC contents in different climate zones

2.5 土壤類型對SOC和SIC比例特征的影響

農(nóng)田土地利用方式下，0—20 cm土層，棕壤土、荒漠土和黑壚土三種土壤類型中SOC/SIC值變化范圍 (均值) 分別為 0.84～1.27 (1.10)、0.33～1.96(1.00)、0.17～0.72 (0.45)，棕壤土和荒漠土SOC/SIC無顯著差異 (P ＞ 0.05)，但均顯著高于黑壚土 (P ＜0.05)。20—100 cm土層，三種土壤類型二者比例(均值) 分別為 0.18～0.53 (0.35)、0.19～1.15 (0.58)，0.13～0.59 (0.28)，荒漠土顯著高于其他兩種土壤 (P ＜0.05)，其他兩種土壤類型間無顯著差異 (P ＞ 0.05)。同一土壤類型，0—20 cm土層SOC/SIC值均顯著高于 20—100 cm 土層 (P ＜ 0.05，圖 4)。

三種土壤類型中SOC和SIC在0—20 cm、20—100 cm土層均呈現(xiàn)正相關關系，且棕壤土和荒漠土中二者極顯著正相關 (P ＜ 0.01，圖5)。

3 討論

3.1 不同氣候區(qū)SOC和SIC含量變化

溫帶大陸性氣候區(qū)，0—20 cm土層草地、林地、農(nóng)田土壤中SOC含量無顯著差異。其原因可能是本研究搜集的數(shù)據(jù)中，草地和林地部分的數(shù)據(jù)為人工管理措施下的植被恢復，植被地上、地下生物量較豐富，作物碳回歸量大，SOC含量無顯著差異[47–48]。SIC 含量為草地 ＞ 農(nóng)田 ＞ 林地，草地土壤中植物根系較淺，根系分泌物對SIC的影響較小，而林地土壤中植物根系發(fā)達，根呼吸、根系分泌物會形成酸性環(huán)境，易造成SIC的溶解[49]。因此，在林地土壤中SIC含量最低 (表2)。

溫帶季風性氣候區(qū)，0—20 cm土層農(nóng)田土壤中SOC含量最高，其原因可能是施肥、灌溉等農(nóng)田管理措施促進了作物的生長，作物碳歸還量較高，且秸稈還田、有機無機配施等管理措施進一步提高了SOC的含量[50–51]。草地、林地土壤中SIC含量顯著高于農(nóng)田土壤中SIC含量。該氣候區(qū)降雨量豐富，土壤水分含量較高，不利于SIC的形成，農(nóng)田土壤中集中式的灌溉措施會引起SIC的溶解，易淋失至更深層土壤[52–53]，導致SIC含量低于其他兩種土地利用方式 (表 2)。

3.2 不同土地利用方式對SOC/SIC的影響

溫帶大陸性氣候區(qū)，SOC/SIC為林地 ＞ 農(nóng)田 ＞草地。一方面，林地土壤中植物根系發(fā)達，分泌物較多，土壤腐殖層較厚，腐殖質(zhì)含量高，且微生物活動旺盛，促進了有機質(zhì)的分解，提高了SOC的累積[54–57]。農(nóng)田土壤中施肥和灌溉等農(nóng)田管理措施促進了作物的生長，作物根系發(fā)達，有益于SOC的累積，但對土壤的翻耕等會加速SOC的礦化，且作物成熟后被收割，減少了碳素向土壤的輸入，一定程度上降低了SOC的含量[58–59]。該氣候區(qū)草地多為荒漠草原，地上生物量相對少，投入土壤中的碳素較少，所以草地SOC相對最低[60–61]。另一方面，SOC分解會釋放更多的CO2，與土壤水作用后形成酸性環(huán)境，而且根系分泌物產(chǎn)生有機酸，導致土壤pH降低，促進了SIC的溶解[60,62]，因此，根系相對發(fā)達的林地土壤中SIC含量較低，SOC/SIC值較大(圖 2a)。

圖1 溫帶大陸性氣候區(qū)、溫帶季風性氣候區(qū)0—20 cm、20—100 cm SOC/SIC頻率分布Fig. 1 Distribution frequency of SOC/SIC in the 0?20 and 20?100 cm soil layers of the temperate continental climate zone and the temperate monsoon climate zone

圖2 不同氣候區(qū)三種土地利用方式下0—20 cm、20—100 cm土層SOC/SIC值Fig. 2 SOC/SIC value in the 0?20 cm and 20?100 cm soil layers of grassland, forest and cropland in different climate zones

圖3 不同氣候區(qū)、土地利用方式及土層SOC和SIC相互關系Fig. 3 Relationship between SOC and SIC affected by climatic regions, land use and soil layers

相同土地利用方式，草地土壤不同土層中SOC/SIC無顯著差異，因為該氣候區(qū)草地土壤中SOC含量較低，導致在兩個土層其比例較低。林地和農(nóng)田土壤中0—20 cm土層SOC和SIC比例顯著高于20—100 cm (圖2a)。這與SOC、SIC含量隨土壤深度的變化有關：SOC含量隨土壤深度的增加而降低，SIC含量則隨土壤深度的增加而增加[6,63]，因此，SOC/SIC值隨之降低。

溫帶季風性氣候區(qū)0—20 cm土層中，SOC/SIC表現(xiàn)為草地 ＞ 農(nóng)田 ＞ 林地 (圖 2b)。該氣候區(qū)草地土壤中常伴生灌木，植物種類復雜多樣，回歸土壤枯枝落葉量大，微生物活動頻繁，促進了SOC的累積[64–65]；農(nóng)田管理措施促進了作物的生長，作物根系發(fā)達，分泌物增多，但作物成熟后地上部分被移除，降低了SOC含量[58]。本研究搜集的文獻中林地大多為喬木林，群落結構較簡單，且植物自身消耗也多，土壤碳歸還較少，導致SOC含量低，SOC/SIC值較低。

3.3 SOC和SIC相互關系及其影響因素

SIC主要為碳酸鹽類，包括巖生性碳酸鹽、發(fā)生性碳酸鹽。巖生性碳酸鹽主要由母巖發(fā)育形成，在較短時期內(nèi)不會發(fā)生改變。發(fā)生性碳酸鹽在風化成土過程中形成，以碳酸鈣為例，其形成過程包括以下兩個化學過程[41,54,66]：

圖4 棕壤土、荒漠土、黑壚土農(nóng)田0—20 cm、20—100cm土層SOC/SIC值Fig. 4 SOC/SIC value in 0?20 cm and 20?100 cm of brown loamy soil, desert soil and dark loessial soil in cropland

通常情況下，SOC含量增加能提高土壤中CO2的濃度，此時，反應 (1) 向右移動，和 H+含量提高，在土壤中形成酸性環(huán)境，易造成碳酸鈣的溶解，即SIC的含量下降，SOC、SIC呈現(xiàn)負相關關系[67–68]。當土壤中鈣鎂離子含量較高時，高的則使反應 (2) 向右移動，利于碳酸鈣的形成，即SIC含量增加，二者呈現(xiàn)正相關關系[11,69]。

本研究結果表明在溫帶大陸性氣候區(qū)，林地和農(nóng)田0—20 cm、20—100 cm土層SOC和SIC皆為正相關關系，和前人研究結果一致[2,70]。該氣候區(qū)土壤類型大多為堿性土，土壤pH ＞ 7.5，具備一定的酸堿緩沖能力，而額外的鈣鎂離子則促進了碳酸鹽類物質(zhì)的形成，SOC含量越高，分解產(chǎn)生的CO2越多，更有利于碳酸鹽的形成。因此，SOC、SIC呈現(xiàn)正相關關系 (圖3a，圖3c和圖3e)。然而，草地0—20 cm土層中二者呈正相關關系，20—200 cm土層呈負相關關系 (圖3c和圖3e)，0—20 cm土層，植物枯枝落葉較多，SOC含量較高，分解產(chǎn)生CO2，有利于SIC的形成，20—100 cm土層SIC含量明顯增加，而SOC含量由于受到作物碳歸還的限制，其含量急劇減少[54,66]，二者呈負相關關系。

圖5 棕壤土、荒漠土、黑壚土農(nóng)田0—20 cm、20—100 cm SOC和SIC的相互關系Fig. 5 Relationship between SOC and SIC in the 0?20 cm and 20?100 cm of brown loamy soil, desert soil and dark loessial soil in cropland

溫帶季風性氣候區(qū)0—20 cm、20—100 cm土層草地中SOC和SIC呈現(xiàn)負相關關系，與Li等[60]和Zhao等[71]研究結果一致。該氣候區(qū)氣候濕潤，植被覆蓋較好，植被根系和凋落物豐富，產(chǎn)生了大量的有機酸，降低了土壤pH[63,71]，且SOC分解產(chǎn)生CO2，土壤中CO2分壓增強，促使反應 (1) 向右移動，產(chǎn)生更多的H+，易造成碳酸鹽的溶解。因此，SOC和SIC呈顯著的負相關關系。農(nóng)田土壤中施肥、灌溉等農(nóng)田管理措施促進了作物生長，提高了生物量的投入，增加了作物碳的歸還，SOC含量提高[72–73]，同時施肥、灌溉等農(nóng)田管理措施向土壤提供額外的鈣鎂離子，促使反應 (2) 向右移動，促進SIC的形成[74–75]，田土壤中二者為正相關關系。林地土壤中二者相互關系與Zhao等[71]的研究結果不一致，其機制需要進一步探究明確 (圖3b、圖3d和圖3f)。

3.4 不同土壤類型對SOC/SIC的影響

農(nóng)田土地利用方式下，20—100 cm土層荒漠土SOC/SIC高于棕壤土和黑壚土 (P ＜ 0.05，圖4)?；哪廖撮_墾為農(nóng)田時，植物類型大多為荒漠草原，有機質(zhì)和養(yǎng)分含量極低，且植物殘渣年歸還量低，SOC含量低。開墾為農(nóng)田后，灌溉和施肥等增加了有機膠結物質(zhì)的輸入，持續(xù)的農(nóng)業(yè)利用提高了作物地上、地下部生物量，增加了土壤碳的輸入，SOC含量提高[72]。因此，荒漠土開墾為農(nóng)田提高了SOC含量，SOC和SIC比例隨之提高。同時農(nóng)田管理措施還提供了額外的鈣鎂離子[74]，所以在提高SOC含量的同時，存在SOC向SIC的轉(zhuǎn)化，三種土壤類型中SOC和SIC均呈現(xiàn)正相關關系 (圖5)。

4 結論

不同土地利用方式、不同土壤剖面深度對SOC和SIC比例影響顯著，SOC和SIC在溫帶大陸性氣候區(qū)0—20 cm土層為顯著的正相關關系，20—100土層林地和農(nóng)田中SOC、SIC呈正相關關系，但草地呈負相關關系。溫帶季風性氣候區(qū)0—20 cm、20—100 cm土層林地和農(nóng)田中SOC、SIC呈正相關關系，但在草地中呈負相關關系。這表明碳在土壤中存在著顯著的轉(zhuǎn)化循環(huán)，SOC可能最終轉(zhuǎn)化為SIC儲存，也可能溶解SIC，導致土壤碳的流失，這種相關性與土地利用方式密切相關。就目前的研究現(xiàn)狀來看，我國對土壤碳庫的大部分研究只關注SOC，忽略了對SIC的研究，對土壤碳儲量估計值偏低，未來的研究應該側(cè)重于不同氣候條件、不同土地利用類型、不同土壤類型及農(nóng)田管理措施下SOC和SIC的相互關系，明確土壤碳的循環(huán)積累機制，精確地估算土壤碳儲量。