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农业土壤有机质的功能及生态系统服务问题。
对于农业来说,最重要的土壤功能应当是生物量生产(作物生产力),物质转化(养分和水分转化)和生物区系与活性的保持;与这些功能相对应,土壤的供应服务、调节服务和支撑服务,特别是对养分和水分的供应、对微生物区系和多样性的维持是土壤有机碳功能及服务的关键,而对于微生物区系和活性的作用更应是这种关键的核心。
高的微生物生物量、多样性及代谢活性(可概括为功能多样性)可以代表土壤微生物区系的活性(microbial activity),尽管不一定只是生物学活性。
土壤微生物利用土壤有机碳作为代谢基质,提供能量维持其生命活动,进行着元素转化和能量代谢。无疑,我们需要土壤中的有机碳、至少部分有机碳能满足养育一个高生物活性的微生物区系。
那么,当前十分关注的土壤碳固定及稳定与微生物活性存在什么样的联系呢? 碳固定和稳定是否可以与微生物活性及功能项协调甚至耦合? 如果是,其土壤学过程和机理如何,应该如何表征? 这些便成为土壤固碳研究的新问题。
有机碳固定和稳定的土壤学认识进展。
早期认为,土壤碳固定和稳定首先是有机化学转化和稳定过程。传统的有机质分组可以解释土壤碳的稳定,大分子的木质素以及腐殖化的胡敏酸等化学稳定的有机碳被认为是有机碳固定和稳定的化学机制, 这可以通过化学氧化性分组(Labile Organic Carbon,LOC; Recalcitrant Organic Carbon,ROC)来表征。
后来,Six 等提出,有机碳固定的土壤机制在于大团聚体物理保护、与粉砂和黏粒颗粒的复合和生物化学稳定(形成惰性有机质)。Hassink提出的黏粒保护理论是对这种物理保护和矿质复合的特别扩展,相应于这些保护机制,土壤有机碳可以分出快库(未保护碳)、慢库(物理保护和粘粒复合碳)和惰性库(生物化学稳定的腐殖质碳)。DOC(溶解迁移的有机碳组分),POC(颗粒态的有机碳)和ROC(残渣态碳)等形态可以相对地解释这些碳库。
稍后,Mar鄄schner 等通过同位素标记的分解研究,指出分子结构对有机碳稳定的作用可能被高估,而只有在物理保护于团聚体或吸附结合于矿物表面才使进入土壤的有机碳稳定化。
存在于团聚体的物理保护碳,可能通过与矿物表面基团的化学结合,例如与氧化铁矿物表面的结合进一步稳定化,例如钙键结合的胡敏酸年龄明显小于非钙键合的腐殖酸(Mobile Humic Acids, MHA)。
从夏威仪火山灰土由森林改为草地和甘蔗田后有机质变化,认识到土壤中铁铝氧化物含量对尚存土壤有机碳水平的控制,从而支持了铁铝结合有机质的稳定化。
而Mikutta 等研究认为,土壤团聚体中有机碳既被物理保护又被化学稳定,物理保护的有机碳在土壤中经受固有的化学转化和稳定作用,而化学稳定又可以分出被氧化物结合的稳定和化学转化为惰性有机质的稳定,只是目前对于物理保护和化学稳定种作用相对重要性还了解很少。
这种结合稳定可以通过钙键结合态、氧化物结合态和强酸提取的有机碳组分来对应分析讨论。Mikutta 等 的这一工作可能预示着化学结合稳定和转化为惰性有机质可能是碳固定和稳定的最终本质。可惜的是,这一工作没有得到更多关注。
Scht 等于2011 年在《自然》杂志发表了“Persistence of soil organic matter as an ecosystemproperty冶的论文,通过对不同碳组分更新周期与土壤本体有机质更新周期资料的对比,进一步诠释和确立了土壤碳固定和稳定的机制,化学结构本身的控制作用可能并不是主要的或重要的稳定机制,而限制或降低土壤有机碳被(微生物)分解的可能性是重要的又是主要的土壤碳稳定机制,这更多地受
局地环境控制的物理、化学和生物学的综合影响。
因此,可以认为,土壤有机质的滞留稳定看来不是有机质分子属性问题,而是生态系统属性问题。而以Century 模型为代表的碳库模型显然都基于土壤碳库及其微生物分解特点,都未能与土壤的生态系统过程相联系,因而并不能令人满意地模拟土壤有机碳库动态及对气候变化的响应,主要是因为这些以有机质分解过程为基础的模型没有考虑到土壤有机碳的存在状态,因而不能联系到物理保、化学结合稳定和生物学稳定对有机质分解的控制。
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