土壤团聚体结构与有机碳的关系、定量研究方法与展望

摘要:近些年土壤固碳研究受到广泛关注。在诸多影响土壤固破的因素中,团聚体结构对土壤有机破的物理保护机制是研究的焦点。土壤中原始有机碳在土壤团聚体和团聚体结构形成中发挥着不可替代的作用,土地利用方式、精作方式以及施肥措施发生变化后,团聚体及其结构在土壤有机碳固定中的作用变得更加凸呈。团聚体结构包含众多的孔隙,这些孔隙的大小、数量、形状以及空间分布等都会影响土壤中水分运移、植物根系生长、土壤生物活动以及土壤有机碳分配,它们相互作用影响土壤中有机破的固定,本文分析了水分、植物根系以及土壤生物与团聚体孔隙结构之间的关系,阐述了这些因素在土壤有机碳变化中所起的作用,并对目前研究的不足进行了概述。同时,闹述了不同CT(ComputedTomography,CT)技术在土壤团聚体结构探测中的应用及其对结构数据的提取方法,探讨了团聚体孔隙结构对有机破固定的影响,展望了团聚体结构对有机破固定影响需要加强的研究内容,土壤学关注的核心问题主要是土壤固碳容量以及土壤固碳机制两个方面。自上个世纪末开始相关研究报道已有很多,但对于土壤固碳机制的研究到目前为止仍需要深入探究。土壤固碳研究是在国际社会聚焦缓解温室气体排放和粮食安全问题背景下产生的新研究课题2习。化学稳定性、生物稳定性和物理稳定性是用来解释土壤有机碳稳定性机制比较常用的三种机制。土壤结构是可以用来控制和表征土壤有机碳稳定状态的一个主要物理稳定性综合变量,团聚体是其重要组成部分,团聚体结构改变会使微生物生存的物理化学环境发生变化,进而影响土壤中有机碳分解转化和固定土壤团聚体的形成区别于成土母质土壤形成过程,植物残体和植物根系渗出液等有机物胶结作用及微生物分解转化作用在团聚体形成模型中被认为是其主要驱动因素5.1-8,Bronick和Lal认为土壤有机碳在团聚体形成过程中起粘合剂和团聚核心的作用。团聚体形成初期离不开土壤有机碳的粘合作用,而在团聚体多次团聚和土壤中有机碳的再次分配作用下,团聚体以及团聚体孔隙结构对土壤有机碳的固定作用,就凸显出来了,特别是当土地利用方式、农田土壤中耕作方式以及施肥方式改变时[o-12,团聚体之间和团聚体内部的有机物与空气、水分和微生物接触直接或间接受到团聚体间和团聚体内部孔隙结构空间分布,特征影响,从而影响有机碳的固定和分解。文章简要介绍了团聚体孔隙结构分级,主要从团聚体结构与土壤水分迁移、植物根系和土壤动物三者间关系来阐述团聚体结构对土壤有机碳固定的影响。同时,鉴于获取团聚体间孔隙的手段和方法以及对孔隙结构定量和筛选制约着团聚体结构对土壤有机碳固定机制的,定量描述,文章对团聚体结构提取手段和定量分析方法进行了相关总结团聚体结构对有机碳动态变化的影响土壤结构被定义为土壤颗粒和孔隙的数量和排列,是影响土壤功能的一个关键因素,特别需要指出的是可以调整土壤中碳矿化和分解的过程。团聚体作为土壤结构组成的基本单元,其动态变化是对土壤结构与土壤物理、化学和生物过程的综合反映[4-19。团聚体稳定性是决定土壤结构好坏的关键因素,进而也会影响有机碳的分解与转化.团聚体结构主要包括团聚体间和团聚体内部结构两部分,这两部分形成的孔隙结构和团聚体本身构成了土壤结构整体。而孔隙结构的确定基本上可以限定团聚体的空间分布。团聚体间和内部的孔隙结构制约着土壤中水分流通性、植物根系生长和发育、土壤空气含量以及土壤微生物数量、活性和群落结构组成等”。而这些因素是影响土壤有机碳变化及土壤CO;排放的主要因素,从这一层面讲团聚体结构与土壤有机碳矿化之间存在直接或者间接的联系。1.1团聚体孔隙结构特征简述良好的团聚土壤在团聚体之间和团聚体内部都存在一个宽泛的孔隙范围0。比较常用的孔隙分级如:大孔隙(直径>30m的非毛管孔隙),中孔隙(0.2um<直径<30um的毛管孔隙),微孔隙(直径<0.2um的贮存孔隙)(%,土壤孔隙的空间分布、大小和数量能够影响土壤有机碳的含量及其分解转化,土壤有机碳和土壤质地反作用于土壤的多孔性(2。Naveed等学者对不同种植作物下自然和室内培养后团聚体进行计算机断层扫描指出团聚体中大于30m孔隙所占的比例可以很好地表征团聚体好坏。Wang等学者对长期定位试验中常规耕作和原生植被演替两种土壤团聚体中不同孔径孔隙的分布进行了研究[2Ananyeva等学者也做过类似研究,同时还指出包含较多<15m和>100jm原生植被演替土壤团聚体更加有利于土壤中碳的固定"。团聚体间孔隙会影响水分、空气和土壤养分在土壤中的空间分布和运移2,这些孔隙的存在可以使水、气、化学物质和微生物进入团聚体。Mangalassery等研究表明,土壤孔隙度和孔隙大小对温室气体特别是CO;和CH,的排放通量有显著的影响,农田管理措施如耕作方式对,土壤团聚过程和土壤孔隙特征的发展有极大的影响,会直接影响土壤中温室气体的排放0。目前,对团聚体孔隙结构特征的报道多集中在团聚体内部,对于团聚体间孔隙结构的研究还比较少,定量表征更有待加强。利用高分辨率CT技术提取更加精确孔隙数据是用来解决土壤孔隙提取准确性和精确性的新方法,但对于利用CT技术结合图像处理软件提取的孔隙数据进行筛选分析,从而获取更加准确表征团聚体孔隙构指标的工作也有待加1.2团聚体孔隙与土壤水分迁移团聚体间和团聚体内部孔隙大小制约着土壤中水分的运移速度,间接影响着土壤中有机碳被微生物利用的程度。大孔障促使优先流的产生,进而带动可溶性有机碳在土体中迁移。冯杰等利用医用CT技术结合分形维数确定了土壤中大孔隙的分布情况,指出可以利用其定量描述大孔隙对水及溶质在土壤中运移的,影响2。裂隙和动物巢穴以及通道等大孔隙的存在,促成了土壤优先流的产生。Ghafoor等研究表明,在耕作土壤的表层,优先流的产生与土壤有机碳有着密切的联系,有机碳含量较高的土壤优先流较弱,优,先流对有机碳的冲刷作用较小,有机碳可以更加稳定的存储在团聚体和土壤中.Gish等在对土壤中优先水流途径的研究中发现,免耕处理的农田,植物根系腐烂留下的根孔不仅对优先水流产生较大的影响,而且有机物含量、微生物群落结构和氧气含量在这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迁移会直接或者间接影响土壤有机碳在土壤中空间分布和转化与固定。团聚体间和团聚体内部中小孔隙的存在为土壤中水分再次分配提供了可能,土壤水分和溶质通过外力和自身入渗作用形成新的土壤水分和可溶性有机碳的空间分布格局。团聚体孔隙结构与土壤水分迁移对有机碳动态变化研究,大多是探讨团聚体间大孔隙中优先流带动下土壤有机碳的迁移转化,至于其它较小孔隙在土壤水分迁移对,有机碳动态变化的研究相对不足。1.3团聚体孔隙与植物根系团聚体间和团聚体内部广泛的孔隙是植物赖以生存的空间要素。作物根系生长需要充足的水分和养分以及空间,在土壤大孔隙中保存着大量的水分和养料,也提供着植物扎根的空间。中等孔隙则有一定的限制,微孔隙更是极大地制约土壤根系的生长。DalFerro等发现传统耕作破坏了土壤原有的大孔隙(54μm~750jm)结构,增加了土壤中54um-250um孔隙的数量,进而改善了土壤的松弛度,对作物根系生长产生了一定的影响(。有学者利用CT技术对种植植物和未种植植物的土壤孔隙进行分析发现,生长植,物的土壤孔隙度和平均孔隙直径比未生长植物的土壤大得多00。植物根系会选择性的在有利于其生长的土壤孔隙中生长,也会向着水分和养分充足的地方渗透,在作物死亡后,这些根系分解后会产生新的孔隙。植物根系生长和凋亡的更替是促使土壤孔隙逐步形成的一个重要因素。植物根系会促成团聚体间大孔隙的形成,同时对土壤中有机碳分解转化有着重要的影响。水分和土壤中溶质是植物根系生长必不可少的,植物根系对土壤大中孔隙中水分和养分获取难易程度,最终将影响植,物生长好坏及其向土壤有机物料输入的量。Schmidt等P研究指出,通过植物根系输入土壤中的碳比通过表层添加秸秤等方式输入的碳固定效果好。在土壤表层施入的碳大部分在枯枝落叶层或者是土壤表层就被矿化了,而通过植物根系和菌丝方式进入土壤的碳则多是通过与土壤颗粒和团聚体间的物理化学交互作用而固定的,更加有效和稳定.Vinther等和王大力等研究认为,生长过程中植物根系分泌物提供了微生物生长必需的碳源,形成一系列微生物群落:根系死亡分解腐烂后,孔隙中有大量的根系残体,加上优先,流提供的水分和溶质以及进入的空气,共同促成了这些孔隙周围微生物活性的提高,导致土壤碳的分解速,率加快-33,进而影响土壤有机碳动态变化。这方面研究主要是从土地利用方式或者耕作方式变化后植物根系对土壤孔隙度产生的影响,或者是某一孔径孔隙发生变化后对土壤有机碳动态变化的影响这些方面,展开,对团聚体孔隙定量数据精确度不够,进而影响到对有机碳动态变化的相关研究。1.4团聚体孔隙与土壤生物土壤孔隙为植物的生长提供了必不可少的环境条件,也促成了土壤中动物和微生物数量和群落结构的1.4团聚体孔隙与土壤生物土壤孔隙为植物的生长提供了必不可少的环境条件,也促成了土壤中动物和微生物数量和群落结构的变化土壤动物可以改善土壤的通气性、孔隙度、团聚体稳定性、动植物残体混合度和养分获取度,提高土壤中碳和氮的稳定性、减少土壤中碳的转化[36-37。亦有研究发现,土壤中大型动物虹蚓对土壤有机碳的作用受土壤有机