杉木林土壤有机碳矿化文献综述
摘要:全球变暖的大背景下，土壤作为陆地生态系统中最大碳汇的载体，其微小变化都会引起大气 CO2浓度显著的改变。土壤有机碳矿化是土壤中重要的生物化学过程, 直接关系到土壤养分元素的释放与供应、CO2气体的排放以及土壤质量的维持。本文将讨论土壤有机碳和有机碳的矿化以及一系列影响有机碳矿化的因素。结果表明：土壤类型的差异会造成土壤物理化学性质, 尤其是土壤有机碳含量的改变, 加之其它生物要素和非生物要素的差异, 从而对土壤有机碳的矿化过程和矿化速率产生不同程度的影响。同时土壤类型的差异会影响土壤有机碳矿化, 其影响因素较复杂。这些因素既包括生物因素的直接影响, 如参与有机碳矿化过程的土壤动物和微生物种类和活性的差异, 植被类型;也包括非生物因素的间接影响, 如土壤温度、土壤理化性质、土壤含水量、土壤底物浓度等物理和化学性质的不同, 不同类型土壤有机碳的结构和组成也存在着较大差异。
关键词:土壤类型;有机碳矿化;理化性质：影响因素；
1.土壤有机碳及土壤有机碳矿化
土壤有机碳是全球陆地碳池最大的组成部分,土壤有机碳约占陆地碳库总容量的50%，在全球碳周期循环中发挥着的重要作用不容忽视。相比于无机碳，有机碳的周转速率更快,SOC较小的变化也会引起大气CO2浓度的大幅改变。其在农业生态系统的碳循环和土壤质量中也扮演着重要角色，对维持作物的生产力和产量稳定性方面起着重要作用。土壤有机碳不仅可以为植物生长提供营养，而且能维持土壤良好的物理结构，是土壤质量评价的重要指征。土壤有机碳通过呼吸释放CO2是土壤与大气快速交换CO2的主要形式，是影响陆地生态系统碳平衡的主要因子，也是全球碳循环的重要流通途径之一，此外由于土壤碳库容量巨大，其储量的微弱变化在很大程度上都会引起大气CO2浓度发生较大变化,与气候变暖息息相关，直接影响全球碳平衡格局5%。有机质输入和分解过程共同制约土壤碳库平衡,土壤有机碳矿化被认为是除净光合作用外,大气与生态系统间最大的碳交换通量,也是土壤向大气排放CO2的主要途径之一。此外，土壤有机碳矿化是土壤中重要的生物化学过程，与土壤养分元素的供给与排放、CO2气体的释放以及土壤质量的保持密切相关，也可以反映其对环境因素或人为因素变化的响应。有机碳矿化产生的CO2、土壤有机碳中存在的稳定部分以及微生物组成成分共同构成了土壤有机碳库。土壤有机碳矿化所释放的CO2由土壤活跃碳库和慢性碳库两部分组成，是有机物质被微生物代谢转化后所产生的。土壤潜在矿化碳是能够矿化的土壤有机碳，被认为是慢性碳库和活性碳库中的一部分，是指能够释放CO2的有机碳。温度、湿度和培养时间等因素能够影响土壤有机碳矿化量，因此在测定过程中严格控制培养条件，降低土壤碳输入和输出的影响，以保证准确的测定出单位时间内土壤有机碳矿化量[1-5]。室内培养法，其限制了有机碳输入和淋溶输出，同时能够在一定范围内有效地控制土壤温度和湿度，在一定培养条件下，通过测定培养过程中CO2释放的趋势和强度来反映土壤有机碳分解动态，被广泛地用于测定土壤有机碳矿化，土壤有机碳矿化释放的CO2量随土壤培养的条件和时间不同而变化，具有有机碳稳定性和周转速率之间的差异性。利用室内培养法对不同土地利用方式下的土壤进行培养，可通过测定土壤有机碳矿化释放的CO2量来评价不同利用方式下土壤有机碳的稳定性[6-8]。
2.土壤有机碳矿化影响因素
2.1土壤温度：
SOC矿化本质上是生物化学过程,温度通过对有机质的分解速率以及微生物活动的影响进而对土壤有机碳矿化过程产生影响[9-10]。研究表明，土壤温度与碳矿化之间通常存在若干相关性，包括一次关系，二次关系，乘幂关系，指数方程及 Arrhenius方程等，一般以指数方程居多[11-12]。曾蔓漫等[12]研究结果显示在66d培养期内，好气和淹水条件下，在15℃和25℃条件下培养的紫色土壤有机碳累积矿化量和矿化强度与在恒温20℃时无明显差异，这表明可用20℃恒温来评估变温（15/25℃) SOC矿化的影响效应。Kirschbaum等[14]研究了在无水条件下进行了温度变化对不同区域土壤有机碳矿化的影响。结果表明，随着温度的升高，有机碳矿化速率呈指数增长，土壤有机碳的流失随温度的升高而增大,且相对于高温地区来说，低温地区更为敏感。康成芳等在对川西高寒山地生态系统进行研究时发现，土壤有机碳矿化速率、累积矿化量、CO/SOC 以及可矿化有机碳量值均表现为半阴坡高于半阳坡。土壤碳矿化的季节性动态变化和日动态变化通常用这些规律可以得到解释，一年四季中以夏季CO2释放速率最大，冬天是最小的,每天的变化中是正午最高，午夜最低。近年来，很多学者引入并采用温度敏感性系数（Q10）这一概念作为衡量不同土壤温度与碳矿化变化之间的关系指标，Q10代表温度每升高10℃土壤呼吸速率增加的倍数，Q10值与碳矿化速率之间通常呈负相关，但越来越多研究发现时间与空间的变异对该值的大小存在一定的影响[15-16]。
温度主要是通过影响土壤微生物活性、植物呼吸酶的活性来影响植物的生长以及有机质的分解。温度升高会加快土壤有机碳的矿化作用，释放更多的CO2[39-40]，王红等[11]研究表明，土壤有机碳矿化速率随温度升高而增加，两者呈现显著的指数关系;王淼等[12]研究也表明，当温度在0-35℃范围内，土壤有机碳矿化速率与温度呈正相关关系;王清奎等对常绿阔叶林和杉木人工林土壤有机碳矿化的研究结果表明,温度从9℃升高到28℃后，林地土壤有机碳矿化速率提高3.1-4.5倍。黄耀等[13]研究发现,培养温度为12-24 ℃的范围时,升温可以促进有机碳的分解，而温度高于24℃时，则可降低该促进作用。吴建国等[14]对祁连山中部4种典型生态系统土壤有机碳矿化的研究表明，温度对土壤有机碳矿化影响显著。
2.2土壤理化性质:
土壤质地，土壤水份，土壤pH，土壤容重，土壤有机质，土壤养分状况，土壤的理化性质，如氧化还原点位等，是影响土壤有机碳矿化过程的重要因素，影响着CO2的释放过程[17]。土壤质地作为土壤的内在属性，是影响碳矿化的重要物理因素。土壤质地是指土壤中不同粒径的矿物颗粒成分，包括砂粒、粉粒、粘粒。陈香碧⒅等研究发现，土壤团聚体、微生物量碳及有机碳矿化均表现为黑色石灰土gt;棕色石灰土gt;红壤。土壤的紧实度对土壤碳矿化有着重要影响[19],粘粒含量的差异会影响土壤的水气状况及微生物活性，当粘粒含量高时，土壤孔隙度相对较小、通气性差，从而减缓了有机碳的矿化，粘粒类型的差异影响着土壤颗粒对碳素的吸附[20-21]。
2.3土壤含水量
土壤含水量是另一影响土壤有机碳矿化的重要因素之一。一方面，其会对生物体内的含水量产生进行调节从而对生命体的行为活动产生影响,另一方面土壤含水量也会在一定程度上影响土壤结构、土壤透气程度、土壤中微生物的活动，起到不同程度的促进或抑制碳矿化过程的作用[22-23]。研究表明,当土壤中水分含量为最大田间持水量时，土壤中微生物的活性最大，碳矿化速率最大。而水分过高或过低都会对碳矿化过程产生抑制作用[24]。贾俊仙等[26]研究发现对于半干性地区的石灰石土壤来说，当水分条件为40%~70%时，土壤有机碳矿化以及可矿化潜力受土壤水分条件影响较大。张敬智等[26]同时在好气条件与淹水条件下对东北稻田进行碳矿化研究，在好气条件下，该过程主要是对多聚类碳源为利用，而淹水条件下会提高可溶性有机碳（DOC）含量，增加土壤中微生物可利用底物与微生物活性，从而加快了碳矿化进程。研究发现，土壤水份对土壤呼吸速率的影响也与土壤温度密切相关，特别是当水份条件成为胁迫因素时，温度就成为了该过程次要影响因子，当土壤培养条件为最佳含水量时，高温培养监测时，土壤呼吸对土壤湿度条件就会格外敏感[27]。土壤 pH环境通过调节微生物活动和酶活性影响土壤碳矿化产生，过酸或过碱的土壤环境都会对该过程产生抑制作用[28]。强酸性土壤环境使植物残留物在分解的初始阶段变慢，土壤酸碱度对其产生的影响会维持5年以上的时间[29]。Bottner[25]认为pH是影响土壤有机质的重要因素，其生物机理、细菌和真菌异质性以及酶活性都会随pH增加而增加[30]。李顺姬[31]等人研究发现，土壤环境pH值处于中性范围时为最佳的有机碳矿化分解状态，该条件下速率最高。
水分是土壤有机碳矿化的主要影响因子之一，研究表明,温度、土壤含水量以及土壤有机碳含量的变化对樟子松人工林地土壤有机碳矿化影响显著。据Wang 等报道，在相同的温度下，水分含量分别为0%，30%，60%和100%的处理，在水分含量为60%时，土壤有机碳矿化速率达到最高。李银坤等[28]对华北平原农田土壤有机碳矿化的研究表明，田间持水量在25%-100%范围内，随着土壤含水量增高，有机碳矿化速率呈增加趋势,但增幅降低,其中田间持水量为75%时,有机碳净矿化率最高，原因是在水分含量较低时，土壤可溶有机碳含量较少，不能为微生物矿化提供足够的能源;而较高水分条件下，微生物生长又会受到厌氧环境的制约[27]。
研究表明，当土壤含水量为田间饱和持水量的60%-80%时，有机碳矿化作用最强[28]。土壤含水量是通过改变土壤微生物活性和数量、土壤通气状况及养分分布等，影响土壤有机碳的矿化速率。黄东迈等[36]运用14C示踪技术比较研究旱地和水田土壤有机碳分解速率，发现淹水条件下有机碳分解速率快于旱地土壤。王丹等[18]以若尔盖高寒湿地和草甸为对象，研究温度、水分对土壤有机碳矿化速率的影响，表明增温显著促进高寒湿地和草甸土壤有机碳的矿化，而水分过高会抑制土壤有机碳的矿化。
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