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但是,土壤碳的固定,无论是可分解碳被土壤保护而不能被微生物接触而分解,还是转化为惰性有机质成为非微生物可利用碳,,最终的表现均是土壤碳减少被微生物的分解而释放CO2,即有机碳的呼吸率降低。
因此,土壤有机碳固定和稳定的实质应该是土壤微生物有机碳分解保持稳定甚至降低 。于是,碳固定和稳定中的生物活性应该首先表现为碳基质利用率的提高。
有许多案例研究表明,有机质增加而碳固定的土壤中,单位有机碳的呼吸率(呼吸商)降低,例如有机农田与常规农田对比。土壤呼吸,特别是呼吸商(有机碳归一化的土壤呼吸)和代谢商(微生物生物量归一化的土壤呼吸)实际上代表了土壤碳的生物学稳定性。
例如,我们观察到重金属污染土壤呼吸商和代谢商提高[。又如,在喀斯特生态系统中,土壤有机碳的呼吸商和代谢商均随土壤退化而显著升高。
相反,无论是实验室研究还是田间试验,农田施用以固定态碳为主要成分的生物质炭促进了土壤微生物生长,提高了其多样性,但同时降低了土壤碳的呼吸率。
我们对田间试验中土壤呼吸的观察也同时表明,生物质炭施用下土壤呼吸没有显著提高,代谢商显著降低,因而稳定态有机碳—生物质炭施用下降低了土壤微生物的胁迫,缓解了疲劳的土壤(recovered tired soil),因而提高了碳基质利用率。
这提供了碳固定和稳定有利于微生物活性保持和提高的直接证据。因此,以土壤呼吸表示的土壤微生物生化活性并不能全面指示土壤微生物活性。如果相对于有机碳库的增长,土壤微生物生物量保持增长,多样性提高和生化活性增强,就认为土壤固碳有利于微生物活性提高。
单从有机碳的数量积累难以理解土壤碳固定与生物活性的关系。
碳固定与生物活性的一个矛盾是,碳固定会提高土壤碳氮比,因而理论上会限制微生物和作物的养分利用,特别是氮素有效性。在不施肥的情况下,因为微生物需要更多能量来挖掘利用土壤中已经限制的氮素,势必造成微生物的碳基质利用效率降低,而限制土壤碳稳定性基于这种考虑,土壤碳固定可能会提高对氮素的需求。
事实上,对太湖地区黄泥土长达20 年的不同肥料处理的试验研究表明,有机碳积累提高了土壤微生物活性和氮素的作物利用率,提示微生物促进了氮素周转。
另外的例子是,普遍观察到生物质炭(稳定态有机质为主)施用于农田后农田氮素利用率提高[。在生物质炭与绿肥对退化土壤生产力恢复影响的对比研究中,绿肥等活性有机质恢复生产力57% ~110%,而生物质炭恢复的生产力居然是绿肥的2 倍多。这同样排除了稳定态碳限制了土壤中氮素利用的可能性,相反,稳定态有机质可能通过其他土壤因子改善了生物活性,而提高了氮素等养分资源的利用率。这个研究也提出了一个难分解或惰性有机质不一定是低品质有机质(low qualityOM),反之快速被微生物分解而矿化出养分的有机质不一定是高品质有机质(high quality OM)。
有机质的质量,可能重要的是其生物物理(biophysical)作用,即对土壤团聚体建成和生境的改善而不是其生物化学作用(微生物的碳基质及其分解性) 。
科学界早有评论,良好的农作管理应该是保持和稳定一个能促进农学生产力和经济可持续性的有机质碳库;同理,可持续固碳应该是保持和提高土壤生物活性和土壤质量的土壤固碳及稳定化,亦即维持和促进土壤生态系统功能的土壤固碳。
4摇从土壤团聚体过程认识土壤固碳与生物活性的关系
土壤碳固定和稳定首先是土壤团聚体过程。土壤有机碳固定,首先都增进团聚体稳定性。在10 年以上可持续管理的长期试验中,进入土壤的有机碳与黏粒和粉砂级团聚体碳没有相关性,而只与大团聚体(>250 滋m)碳显著相关,因此被大团聚体包裹的微团聚体碳固定是土壤新碳存在并积累的归趋。
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