土壤生物在物质循环中的作用

三、陆地碳源和碳汇
在几十年到几个世纪的时间尺度上，人们主要关心的是碳 在大气圈、海洋和陆地生态系统(包括植物和土壤等) 三个碳 库之间进行的连续交换， 即碳的流量问题或者说是碳源和碳 汇的问题 碳源可以理解为向大气圈释放碳的过程或系统 碳汇可以理解为从大气圈中清除碳的系统、过程或机制 大气圈与陆地生态系统之间碳的交换过程存在的未知问题 最多，受人类活动的影响最大，是全球碳循环的研究重点 CO2 、CH4 和CO三种气体的源与汇则是主要的研究对 象，其中以CO2最为重要
1、土壤有机质的化学分组
在19世纪后期曾提出过腐殖质是作物所吸收养分的唯一来源 的假说，矿质营养学说的提出和随后的化学肥料的发明打破了 这一假说,但一直到20世纪60年代之前，对土壤有机质的研究主 要集中在对腐殖质元素组成、功能团结构和性质等方面的研究. 根据腐殖质类物质在酸／碱中的溶解性将其分为富非酸、胡 敏酸和胡敏素. 2个方面的原因使这一研究领域逐渐淡化：一方面是腐殖化 过程需要的时间短则几十年，长则上千年，平均时间在几百 年，因此，要用土壤腐殖质的变化来反映一些农业措施对土壤 质量的影响有明显的滞后性；另一方面是从北极圈的冻原土壤 到赤道的热带土壤其腐殖质类物质的化学组成(C\N\P\H\S)和功 能团结构没有明显差别.
化石燃料燃烧排放的CO2是目前了解得最清楚的一个量 值， 每年约为6.0 PgC，如果这些CO2全部存留在大气中，将 使大气CO2浓度以0.8 %/a的比率递增，但实际上目前的增加 速率仅为0.4%/a(1.5 ppmv/a)，也就是说不考虑别的排放途 径，每年化石燃料排放的CO2中也只有56% (3.36PgC)保留在 大气中，其余33%(2PgC)被海洋吸收，两者合计约占化石燃 料燃烧年排放量的89%，也还存在11%(0.66PgC)的“未知汇” 大气中CO 浓度较低(45×10-12~250×10-12)，滞留时间 约2个月,CO 的源汇平衡主要取决于人类活动的排放量，少量 的CO 由植被吸收，大量的CO 汇是在大气中与羟基(OH)反 应， 由于CO 与OH 反应生成CO2很快，所以CO 在全球碳的 源汇平衡计算中包括在CO2的流量之内
土壤生物在物质循环中的作用
1、土壤生物是生物食物链的初级生产者：固 氮蓝细菌和地衣，最早寄居于岩石上的生 物，转化与积累氮素和有机物。 2、土壤生物是有机物质的降解者 包括异样 细菌和真菌 3、土壤生物特别是土壤微生物是地球上物质 和能量的保存者
物质循环的基本介绍
自然界物质与能量循环流动是生态系统中最基 本的运动。整个生物圈要获得繁荣与发展，其能量 来源于太阳，而物质元素来源则主要依于微生物所 推动的生物地球化学循环。 生物地球化学循环____在生物圈内生命与非生 命环境间往复交换、运转的过程。地球表面各种化 学元素，在气象、地质、生物等生命作用力的推动 下，沿着特定的途径从环境到生物，再回到环境的 循环过程。
碳库单位：Pg C 全球碳循环概况
二、陆地碳库的贮量
在全球碳循环中，大气圈与陆地植物群落间的CO2 交换量 最大，其次是大气与海洋之间 陆地碳循环对于大气二氧化碳浓度上升有着重要影响 目前陆地碳循环研究的主要问题包括： ① 陆地生态系统各主体类型中碳的贮量和流量(源、汇)； ② 人类活动对这些变量的影响； ③ 温度和大气CO2 浓度升高对各陆地生态系统碳循环的潜 在效应以及二者之间的循环因果关系。
碳是组成生物体各种有机物最主要的组分（50%） 碳的基本循环过程简述: 大气CO2（植物与生物(土壤和海洋)）__有机物 质（自然或人为）__进入土壤中的不同有机物残体__ 生物酶的分解作用___土壤有机质（惰性和活性）___ 释放CO2到大气中（甲烷等）以及各种营养物质为植 物和生物提供营养。 据估计：地球上90%以上的有机物的矿化作用有 细菌与真菌完成。
第一节 全球碳循环及分布与储量
一、全球碳循环概述
全球碳循环是指碳素在地球的各个圈层(大气圈、水圈、生 物圈、土壤圈、岩石圈)之间迁移转化和循环周转的过程 在漫长的地球历史进程中，碳循环最初只是在大气圈、水 圈和岩石圈中进行，随着生物的出现，有了生物圈和土壤圈， 碳循环便在五个圈层中进行 碳素的循环流动从简单的地球化学循环进人到复杂的生物 地球化学循环，而生物圈和土壤圈在碳循环过程中扮演着越来 越重要的角色 碳循环的主要途径是：大气中的CO2被陆地和海洋中的植 物吸收，然后通过生物或地质过程以及人类活动干预，又以二 氧化碳的形式返回到大气中 就流量来说，全球碳循环中最重要的是CO2的循环、CH4 和 CO的循环是较次要的部分。下图展示了全球碳循环的概况
自20世纪以来，人类活动的影响在规模上已从陆地系统扩展 到整个地球系统，如大气中温室气体浓度增加、森林锐减、土 地退化、环境污染及生物多样性丧失等等， 特别是人类活动 产生的CO2浓度急剧上升和由此导致的增温效应是目前人类面临 的最严峻的全球环境变化问题 从70年代后期开始，全球碳循环研究受到人类的普遍关注， 特别是在几十年到几百年时间尺度上的人类活动，如化石燃料 (煤、石油和天燃气等)的燃烧和非持续性土地利用(砍伐森 林，开垦草地，改造沼泽等)对全球碳循环的影响 在当前的国际地圈一生物圈研究计划(IGBP)中，碳循环是全 球变化与陆地生态系统(GCTE)等多个核心计划中的重要研究内 容，而陆地碳循环是全球碳循环的重要组成部分，在全球碳收 支中占主导地位，研究陆地碳循环机制及其对全球变化的响 应，是预测大气CO2 含量及气候变化的重要基础，
循环过程中库与流
库____表示物质在生物和非生物成分中的滞留， 贮存库与交换库，贮存库容积大，滞留时间长， 对生物的有效性差。
流____物质从贮存库中释放出来，借助水和空气 进入生物体，受生命控制，在库和库之间的运转。
根据物质的贮存形态与贮存库不 同，分为气态循环与沉积循环
气态循环：主要的贮存库为大气圈、土壤圈和水圈， （从大气圈转移到生物循环中来），如碳、氮循环，物质 流动性大，循环迅速，是一种比较完全的循环。 沉积循环：以固态形式存在，主要的贮存为土壤圈， 如磷、钙、铁、钾等矿质元素，这类循环不经过气态循 环，移动性小，循环缓慢，趋向于不完全循环，调动土壤 中的沉积态的矿质元素，还防止被固定和流失。
对腐殖质类物质的更进一步的分级方法，如根据提取剂 的不同将其分作松结态、稳结态和紧结态腐殖质类物质. 根据胡敏酸在酒精、盐溶液中的溶解性又可以分作灰色 胡敏酸和褐色胡敏酸. 根据褐色胡敏酸的光学性质将其分作A、B、Rp型胡敏酸 根据腐殖质酸与土壤颗粒结合的分层结构原理，将富非 酸和胡敏酸用超声波处理后又分作A、B组富非酸和胡敏酸.
CO2的源与汇
化石燃料燃烧与土地利用变化产生的CO2超过同期大气CO2 的 增量及海洋的吸收量，使得CO2 收支失衡 一部分CO2 “失踪”，导致所谓的碳的“未知汇”问题 在1958-1978年问这部分碳汇大约有37Pg C这一“未知汇”一 般认为存在于陆地生态系统，分布区域可能在北半球中纬度地 带，而土壤和植被是可能的汇.
由于土壤有机质组成、结构、存在方式的复杂性，对土壤 有机质的研究一直与其分组技术相联系，即使对其某一组分的 化学组成、功能团结构、性质的研究也是在对分组产物纯化的 基础上进行的，通过多年的研究人们已经达成了一个共识，即 所分出的某一组分不是组成和结构均一的化合物，而是具有某 一特性的一类化合物的混合物，一些组分甚至具有细胞结构或 组织结构.
土壤中未分解的动植物残体和活的有机体被称作有机残体，在国内被 称作土壤有机物 活的有机体一部分是土壤动物和作物根系，另一部分是土壤微生物体 占土壤有机质总量的2~l2% 在现行的大部分研究工作中，通过微生物作用所形成的腐殖质、动植 物残体和微生物体被合称为土壤有机质(SOM)
(二) 土壤有机质的分组
物质循环途径
生物循环：环境中的营养元素经生物的吸收利用，并以生 物残体及其分泌排泄物的形式归还土壤，通过微生物分解 为无机物。这种循环以生物为主体，通过对营养元素的吸 收、存留、归还完成，循环的范围小、周期短，完全循环。 地球化学循环：指经过生物循环归还到环境中的物质。以 气态、固态与液体形式，通过热、水分等各种反应的作用 完成。 前者寓于后者之中，后者是前者的源头和归宿。生物地球 化学循环。共同完成物质循环的全过程。
一、土壤有机质的概念及分组方法
(一) 土壤有机质的概念
从18世纪80年代开始，土壤中的一类黑色物质引起了人们的广泛 关注，随着对其化学组成和结构研究的深入，最后被定名为土壤腐 殖质 土壤腐殖质是动、植物残体在微生物作用下分解并再合成的一类 深色、难分解、大分子有机化合物 动植物残体及根系分泌物在微生物作用下生成土壤有机质的过程 被称作腐殖化过程 土壤腐殖质可分为2类，一类是与已知的有机化合物具有相同结构 的单一物质，被称作非腐殖质类物质，另一类是腐殖质类物质 腐殖质包括：(1) 碳水化合物，(2) 碳氢化合物如石蜡，(3) 脂肪族 有机酸和酯类，(4) 醇类，(5) 酯类，(6) 醛类，(7) 树脂类，(8) 含氮 化合物，这一类物质可占腐殖质总量的5~15%
2、土壤有机质的比重分组 自20世纪60年代，对土壤有机质研究的主流转向了物理分 组，对土壤有机质的比重分组技术最早出现于20世纪80年代 根据土壤在一定比重(1.6～2.5 g/ml)溶液中的沉降将其分作 轻组和重组土壤，它们中的有机质被分别称作轻组有机质 (LFOM)和重组有机质(HFOM). LFOM 的主要成分为动植物残体、菌丝体、孢子、单糖、 多糖、半木质素，严格地讲，这一部分并不属于土壤腐殖质类 物质，它是介于动植物残体与腐殖质类物质之间的一个中间C 库，而且有机C含量和其它养分含量高于腐殖质类物质，转化 时间也很短，一般只有几周到几十年，被认为是土壤中的易分 解C库，同时，LFOM在土壤中的存在形式也并非游离的有机 残体或微生物体，而是后者与不同粒径矿质颗粒结合所形成的 松散复合体.
陆地土壤是地球表面最大的碳库，其有机碳总 贮量约在1400～1500Pg C之间 Parton等 将土壤碳库区分为活性(active)、缓 性(solw)和惰性(passive)3部分 活性碳库由活的土壤微生物及其代谢产物组 成，周转迅速，存留时间小于1年 缓性碳库包括植物材料中经生物代谢难以分解 的成分，存留时间为几十年 惰性碳库包括化学代谢反应中不能够分解的有 机质成分，如木质素和部分纤维素，存留时间一般 在几百年至数千年之间
第二节 农田土壤有机碳循环
陆地土壤是地球表面最大的碳库，其有机碳 储量约在1400～ 1500PgC，其中农田土壤贮存 的碳占土壤碳贮量的8～10% 据Buringh估计全球农业土壤碳贮量为142PgC 开垦荒地和翻耕农田一方面加剧营养元素流 失，土壤结构破坏，同时消耗土壤有机碳。目 前土地开垦已使土壤有机碳减少了30～50%， 全球每年因耕作损失的碳为0.8Gt，大部分以 CO2的形式释放到大气中 农业土壤对大气温室气体累积贡献最大，积 累量占人类活动释放到大气CO2的1/4。
第七章 陆地生态系统碳循环与转化
教学目的 熟悉和了解陆地生态系统碳分布特征与储量变化 弄清土壤碳循环转化过程与机理 了解农田生态系统有机碳积累的规律与演变过程 了解全球气候变化对陆地生态系统碳循环转化的影 响机理
第一节 全球碳循环及分布与储量 第二节 农田土壤有机碳循环 第三节 土壤溶性有机质介绍 第四节 土壤溶性有机质的效应 第五节 土壤呼吸与碳循环 第六节 有机质的原料及其分解 第七节 腐殖质与腐殖化过程 第八节 土壤有机质的影响因素
有机质在土壤组分中的比例
孔隙 50%
矿物质 45%
有机ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 5%
矿物质 95-99%
有机质 1-5%
体积比
重量比
土壤有机质作用
土壤保肥性和保水能力 土壤阳离子交换量的一半来源于土壤有机质 土壤物理性状 影响土壤团粒结构的最重要的因素 土壤养分供应 土壤有机质是作物所需P、S的主要来源；土壤N 的绝大部分存在于土壤有机质中（土壤有机氮的研究 具有重要的意义） 土壤生物化学过程 土壤有机质是土壤生物的能量和碳素来源