第1章 绪论
当前世界正面临多重挑战，包括粮食安全、环境资源的可持续性以及气候变化。土壤有机碳（ soil organic carbon，SOC）作为一种重要的自然资源，不仅有助于粮食生产，还可以缓解气候变化以及改善土壤健康和生态系统功能。然而，土壤有机碳在陆地生态系统中是动态变化的，人类活动的影响可以使土壤有机碳转化为向大气排放温室气体的净源。因此，保持土壤碳库的稳定并且研究增加土壤有机碳库的技术方案对减缓大气二氧化碳浓度的升高和维持农业可持续发展具有重要意义。尽管在理解和解释土壤有机碳动态方面已经取得了重大的进展，但是在区域和全球尺度上保护和监测土壤有机碳的储量仍然面临着复杂的挑战。因此，本书系统总结了陆地生态系统碳过程研究的基本原理和方法，为固碳减排、农田生产力的提升及土壤环境服务改善提供方法上的参考。
1.1 陆地生态系统碳循环与土壤碳固定
陆地生态系统碳循环是指碳元素在大气碳库、生物碳库和陆地碳库之间的流动。大气中二氧化碳浓度水平是光合作用固碳和生物呼吸失碳之间平衡的结果。在陆地生态系统中，每年约 1230亿 t的碳被初级生产者固定，大约 1200亿 t固定的碳通过自养呼吸和异样呼吸又被释放到大气中。因此，工业革命之前，大气中二氧化碳的浓度保持在恒定的状态。然而，化石燃料的开采使用和土地利用方式的转变已经显著增加了二氧化碳的释放总量，显著改变了全球的碳循环。其中，化石燃料的燃烧和土地利用变化每年分别向大气中排放 70亿～80亿 t和 10亿～20亿 t的碳。因此，每年排放到大气中的碳量要高于土壤和植被的固碳量，导致全球碳循环处于不平衡状态（图 1.1）。全球碳收支的失衡直接导致了大气中二氧化碳浓度的持续上升，这是全球变暖的主要驱动力，并进一步导致气候变化反馈响应难以预测。目前，大气中的二氧化碳浓度已经超过 400ppm①（Monastersky，2013；IPCC，2014），远远高于工业革命前的 280ppm水平。因此，深入了解全球碳循环及其与气候变化的相互作用，对我们人类的未来至关重要。
土壤碳库是陆地生态系统昀大的碳库，陆地表层 1m深的土壤中大约含有 15 500亿 t的有机碳，超过陆地植被碳库（5600亿 t）和大气碳库（ 7800亿 t）的总和。因此，即使很小一部分的土壤有机碳被分解成二氧化碳释放到大气中，也会引起大气中二氧化碳浓度的显著增加，进一步加速全球变暖。到 21世纪末，全球平均温度预计会增加 2～7℃，由于大气中温室气体的增加，全球的降雨量和分布也将会发生改变（Wu et al.，2011）。植物光合作用每年固定的碳如果可以在土壤中稳定保存，可以抵消一部分人类活动释放的二氧化碳（ King，2011）。陆地生态系统的固碳过程包括大气中的二氧化碳向植物生陆地生态系统碳过程室内研究方法与技术物量和土壤的转移以及有机碳在土壤中的稳定。当前，关于土壤有机碳的固定机制以及预测不同管理措施及环境因素变化对土壤碳库影响的研究，已经成为土壤有机碳研究领域的前沿方向。
图1.1 陆地生态系统碳循环示意图
1.2 土壤有机碳稳定的维持机制
土壤有机碳的稳定性是指有机碳在土壤中抵抗干扰及微生物分解的能力。由于土壤有机碳的稳定性取决于众多因素的相互作用并且随着不同时空尺度而变化，其全面的稳定机制至今还不能完全明晰。传统观点认为土壤有机碳的固存时间取决于植物凋落物的化学组成和有机碳分子结构的抗降解性。通常，植物残体中的碳水化合物和蛋白质类容易被微生物利用的物质被认为在土壤中昀先分解，而木质素等一些难分解组分则在土壤中富集并缩合成难分解的大分子腐殖质而长期存在于土壤中。但随着研究手段的不断进步，一些同位素标记和微生物分解实验表明，所谓顽固的腐殖质可以迅速地被微生物分解（Gramss et al.，1999；Tatzber et al.，2009）。一些被认为易分解的化合物（如糖类物质）甚至可以在土壤中持续存在几十年，而被认为难分解的木质素在土壤中的保留时间短于全土有机碳的保留时间（图 1.2）。此外，腐殖质需要通过强碱提取法从土壤中分离出来，这种提取方法容易破坏有机碳原来的结构（Schnitzer and Monreal，2011）。昀近的研究也表明土壤大分子有机物质其实是由小分子有机物自我组装聚合而成（Piccolo，2001；Sutton and Sposito，2005），且直接的原位观察发现这些大分子组分仅占土壤有机碳很小的一部分（Lehmann et al.，2008；Kleber and Johnson，2010）。因此，这些新的研究证据表明土壤中腐殖质与土壤有机碳的稳定性并不存在显著的联系。
图1.2 土壤中不同有机化合物的平均保留时间（修改自 Schmidt et al.，2011） PLFA代表磷脂脂肪酸（phospholipid fatty acid）；？代表平均保留时间不确定
物理和光谱学的发展推动了土壤有机碳稳定性的研究。有机碳稳定的新观点被提出来：土壤有机碳的稳定性不是由有机碳自身内在的物理化学性质决定，而是由有机碳周围的物理化学和生物学性质决定（ Schmidt et al.，2011）。因此，土壤有机碳的分子结构不是保证有机碳在土壤中稳定的关键因素。为了提高关于土壤对气候变化、植被类型转变或管理措施改变响应的预测准确度，需要提出与实验观测结果相一致的土壤有机碳新概念模型。
土壤有机碳由一系列处于不同分解阶段的有机碎片和微生物产物组成，化学、物理和生物因素共同控制其周转速率（Trumbore，1997）。Lehmann和 Kleber（2015）根据现有的证据提出了土壤有机碳连续分解模型（图 1.3）。在这个模型中，有机碳以连续的有机碎片存在于土壤中，微生物持续地分解这些有机碎片，将其分解成更小的有机分子。大分子有机碳分解形成的小分子有机碳具有高极性和易电离的特性，从而增加了这些小分子有机碳在水中的溶解度。同时，这些小分子有机碳容易被矿物表面吸附或团聚体包裹，防止其进一步被微生物分解。昀新的研究表明，微生物源有机碳是矿物结合有机碳的重要来源（ Miltner et al.，2012；Schurig et al.，2013）。吸附的有机碳也有可能从矿物表面脱附、与游离的有机化合物进行交换反应或被生物或非生物降解。此模型还解释了陆地生态系统碳过程室内研究方法与技术
有机碳的周转速率受到微生物、土壤矿物的性质及土壤中其他资源（如氧气）的共同控制。因此，土壤有机碳连续分解模型更好地解释了有机碳在土壤中的动态过程，进一步表明土壤中不存在腐殖化过程或腐殖质，且生物或非生物合成的化学结构复杂性并不是有机碳在土壤中稳定存在的决定因素。总之，土壤有机碳的稳定性是由有机碳分子在土壤中的空间排列状态和土壤周围的环境因子（如温度、水分和矿物）控制的。
图1.3 土壤有机碳连续分解模型（修改自 Lehmann and Kleber，2015）
1.3 土壤有机碳与生态系统功能
土壤有机碳通过对土壤结构和一些土壤过程的控制，参与植物生产、生物多样性维护及水分蓄持、固碳减排等多种生态系统服务。因此，无论是减缓气候变化，还是提高土壤质量和功能，都与土壤有机碳的数量变化息息相关。土壤碳库保持和稳定与土壤的生态系统功能及生态服务的关系已成为土壤有机碳研究的新热点。
首先，土壤有机质（碳）是作物所需的氮、磷等养分的主要来源。特别是土壤中的氮素，其 95%以上是以有机状态存在于土壤中。这些养分可直接通过微生物的降解和转化释放出来，供作物和微生物生长发育之需。其次，土壤有机碳是形成土壤水稳性团粒结构不可缺少的胶结物质，有利于促进土壤团粒结构的形成，改善土壤物理性质，从而改变土壤孔隙状况和水气比例，使土壤的透水性、蓄水性、通气性以及根系的生长环境都得到有效改善。土壤有机胶体带有大量负电荷，具有强大的吸附能力，能吸附大量的阳离子和水分，所以土壤有机碳还能提高土壤保肥蓄水的能力和对酸碱的缓冲性。
土壤有机碳是土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源，没有它就不会有土壤中大部分的生物化学过程。土壤微生物生物量随着有机碳含量的增加而增加。由于土壤有机碳的矿化速率较新鲜植物残体低，因此其可以持久稳定地向微生物提供能源。所以土壤有机碳含量高的土壤，肥力平稳而持久，不易产生作物脱肥现象。土壤有机碳还是许多土壤动物的食物来源。例如，一些蚯蚓专门以土壤中已分解的有机物质为食物，而其通过掘洞、排泄粪便等行为直接改变土壤微生物和植物的生存环境并影响土壤中的一些生物化学过程。
在全球变暖日益严重的今天，土壤有机碳库对减缓气候变化起到至关重要的作用。土壤有机碳通过分解作用产生二氧化碳是土壤碳与大气二氧化碳交换的主要形式，是每年石油等化石燃料燃烧释放的 7～10倍。土壤不仅可以通过土壤呼吸充当大气二氧化碳的“源”，也可以通过有机碳的净积累成为二氧化碳的“汇”，“源”或“汇”状态取决于土壤碳输入与输出之间的比例。因此，优化土壤碳稳定的土壤有机碳管理和土壤固碳技术成为生态学领域的关键任务。土壤固碳不仅应该服务于气候变化的应对，还应该服务于土壤功能的保持和提升。
第2章 植物碳输入过程研究系统及分析方法
2.1 植物碳输入过程室内模拟方法
2.1.1 13C脉冲标记
植物光合碳是“植物 -土壤”系统碳循环的主要驱动力。应用同位素技术，定量研究植物光合碳在植物各组织、土壤中的分配、周转以及转化对于理解全球碳循环具有重要的作用。相比于 14C放射性同位素标记及 13C稳定同位素持续标记方法， 13C脉冲标记无辐射安全问题，无需考虑长期维护复杂的、恒定的标记环境（如 13CO2浓度），成本相对低（Bromand et al.，2001；Griffiths et al.，2004；Reinsch and Ambus，2013）。13C脉冲标记方法如下。
将需标记的植物提前移入标记室以适应其环境，在标记前达到稳定状态。标记室温度控制在白天 26～28℃，夜间 22～23℃；光照时间控制在 14h，光照强度控制在 400μmol/(m2 s)；土壤湿度保持在田间持水量的 60%左右（Kuzyakov et al.，1999）。在标记开始之前，将风扇、 CO2红外分析仪放入标记室，利用氢氧化钠吸收装置将标记室原有的 12CO2去除，以提高 13CO2的吸收同化率（ Griffiths et al.，2004）。用 CO2红外分析仪监测标记室内 CO2浓度，当其降到 80ppmv时，往标记室内注入 13CO2。
目前主要有两种注入 13CO2的方法。一种为直接注入混有 13CO2的空气，如图 2.1所示。将压缩的标准大气用傅里叶变换红外光谱气体净化器去除 CO2后，与 13CO2（99% 13C）混合均匀，通过流速调节器控制混合气体的 CO2浓度，使其接近大气中的浓度（350ppmv），再将其注入标记室。另一种方法为提前在标记室内放入 Na213CO3或 NaH13CO3（99% 13C），开始标记时往其中加入酸使其释放 13CO2。相对来说，直接往标记室内注入 13CO2能更好地控制 CO2浓度，保证标记室内 CO2浓度接近大气，从而减少 CO2浓度差异对植物光合作用、光合同化碳的分配等过程的影响（ Hungate et al.，1997； Ostle et al.，2000）。标记时应将风扇开启以保证注入的 13CO2均匀分布于标记室内，13C脉冲标记时间通常为 3～8h。标记结束后利用 NaOH吸收装置将标记室内未被同化吸收的 13CO2去除，同时引入外界空气。
目前，13C脉冲标记技术被普遍用于生态学研究。例如， Pausch和 Kuzyakov（2018）对采用脉冲标记技术的研究进行整合分析发现，在草地生态系统
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