综述：土壤碳组分及其在气候韧性农业中的作用：一篇综述

本综述系统阐述了土壤有机碳（SOC）与无机碳（SIC）组分的动态行为、稳定机制及其在生态系统功能中的关键作用，强调了其在温室气体调控（如CO2、CH4）、养分循环和土壤结构改善中的贡献，提出了基于组分功能性的碳管理策略，为提升农业系统碳汇能力与气候韧性提供理论框架。

　　

1. 引言

土壤是地球最大的陆地碳库，储存的碳量超过大气和生物圈的总和。土壤碳不仅以总量形式存在，更以多种组分的形式动态存在，包括从周转迅速的活性库到可存留数百年的惰性库。土壤有机碳（SOC）和无机碳（SIC）组分的特性与行为决定了土壤对气候变化和农业实践的响应。

近年来，研究者日益关注具体碳组分——如溶解有机碳（DOC）、矿质结合有机碳（MAOC）和微生物生物量碳（MBC）——在养分循环、温室气体（GHG）调控和长期碳稳定中的作用。MBC代表土壤中有生命的碳组分，是衡量管理影响的敏感指标；DOC是最易移动的碳池，为微生物提供即时能源；轻组有机碳（LFOC）和颗粒有机碳（POC）与土壤团聚体密切相关，对耕作和残留物管理响应迅速；而MAOC通过与粘土和粉粒形成稳定的有机-矿物复合体，实现长期固碳。

SIC主要由碳酸盐组成，分为地质成因（成岩过程中形成）和成土成因（在土壤中次生沉淀），尤其在干旱和半干旱区可占土壤总碳库的90%以上。SOC和SIC的稳定性与功能受土壤pH、质地、微生物活动及气候条件的共同调控。

全球土壤碳储量巨大，在表层一米土壤中约储存2200 Pg（1 Pg = 101? g）碳，其中SOC约1500 Pg，SIC约700–1000 Pg。土壤碳库是大气碳库的3.2倍，更是生物碳库的近5倍。值得注意的是，SOC多积累于表土，而SIC常在更深层富集。

在印度，土壤平均有机碳含量较低，仅3.2 g/kg，主要原因包括干旱农业（占69%）和严重表土侵蚀。据估计，印度土壤在一米深度内约储存22.72 Gt的SOC和12.83 Gt的SIC。考虑到印度每年碳排放高达5.66亿吨，其土壤碳封存的需求远高于全球4‰的目标，需达到23–28‰才可有效抵消排放。

土地利用变化和管理措施强烈影响土壤碳储量。自农业活动开始以来，全球因垦荒导致的碳损失已达116 Pg。农业实践如增加有机质投入、林农复合经营等，已被证实可有效提升土壤碳组分，进而改善土壤健康与作物生产力。

2. 土壤碳组分的分类

2.1. 土壤有机碳（SOC）

SOC来源于植物凋落物、根系分泌物和微生物残体等生物质，可分为活性（易分解、周转快）和惰性（稳定、存留期长）碳库。全球2米深土壤中的SOC储量约2400 Gt，是大气碳的三倍，其微小变动即可显著影响气候。

2.1.1. 活性有机碳（LOC）

LOC包括水溶性蛋白、半纤维素、糖类等易分解物质，是土壤碳循环中最活跃的部分，可作为土壤有机碳变化的早期指标。LOC周转迅速（数天至数月），为微生物提供能量，启动腐殖化过程，支持养分循环。

2.1.2. 微生物生物量碳（MBC）

MBC是土壤中细菌、真菌、放线菌等微生物体内的碳含量，通常占SOC的6%左右。它是土壤生物活性的核心，参与有机质转化、养分循环和团聚体形成。MBC受季节、土壤深度和土地利用类型影响显著，雨季通常达到高峰。

2.1.3. 溶解有机碳（DOC）

DOC是可通过0.22–0.70 μm滤膜的小分子有机物，主要来源于凋落物淋溶、根系分泌物和微生物代谢产物。DOC浓度受降水、土壤类型和植被覆盖影响，是海洋和大气CO₂平衡的重要调节者。

2.1.4. 轻组有机碳（LFOC）

LFOC是密度分离中浮于液面的部分分解有机物质，周转较快，易受植被类型和凋落物组成影响，是土地利用变化的敏感指示剂。

2.1.5. 颗粒有机碳（POC）

POC包括附着于团聚体上的植物残体和微生物碎片，是活性与稳定碳之间的过渡库。POC对耕作和温度变化响应强烈，通常占SOC的20–45%，是土壤团聚和早期MAOC形成的重要来源。

2.2. 惰性有机碳（ROC）

ROC以腐殖质（HS）和矿质结合有机碳（MAOC）为代表，存留期可达数千年。腐殖质包括胡敏酸、富里酸和胡敏素，占土壤总有机碳的60–80%，能增强土壤结构、持水能力和植物抗逆性。MAOC通过与粘土和粉粒结合形成稳定复合体，是实现长期固碳的关键机制。

3. 土壤无机碳（SIC）

SIC主要由碳酸盐和重碳酸盐组成，是干旱区土壤碳库的主体。SIC分为地质成因和成土成因两类，后者与微生物呼吸和土壤CO₂动态密切相关。SIC能调节土壤pH，促进养分有效性和根系发育，并在碱性环境中显著促进SOC的稳定。

4. 碳组分动态的环境驱动因素

土壤碳组分的变化受多重环境因子驱动。土壤pH和质地决定微生物群落结构与酶活性，进而影响SOC分解与SIC溶解-沉淀平衡。细质地土壤（如粘土）通过形成团聚体和有机-矿物复合体促进MAOC积累；砂质土壤则利于活性碳组分。

微生物碳利用效率（CUE）是调控碳稳定与CO₂释放的关键。高CUE促进微生物残留碳形成和MAOC积累。菌根真菌协助植物碳向土壤转移，并稳定有机质。

温度和水分强烈影响碳组分动态。升温加速微生物呼吸与活性碳分解，多雨环境则促进植物生长与碳输入，增强团聚体保护作用。干旱区利于SIC积累，湿润冷凉区则更利于SOC形成。

5. 土地利用与管理措施对碳组分的影响

土地利用变化如森林转农田导致SOC显著下降，而可持续实践如保护性农业、有机改良剂施用则能提升碳储量。

5.1. 生物炭

生物炭是生物质热解产生的富碳材料，具高度稳定性。其多孔结构可吸附DOC、促进MAOC形成、改变微生物群落，并提升土壤pH，从而增强SIC沉淀。长期施用生物炭能显著提升SOC固存，减少CH₄和N₂O排放。

5.2. 耕作与种植制度

传统耕作破坏团聚体，加速活性碳分解；免耕和保护性耕作则维持土壤结构，促进MAOC积累。多样化轮作和多年生系统通过增加地下生物量与根系分泌物，进一步支持活性碳库发展。

5.3. 有机改良剂与覆盖作物

施用堆肥、绿肥和覆盖作物可提升MBC、DOC和POC，刺激微生物代谢与团聚体形成。覆盖作物尤其能增加根系分泌物，为MAOC形成提供碳源。

5.4. 林农复合与系统整合

林农系统通过持续凋落物输入和根系沉积增加碳积累，林下微气候还能减缓微生物呼吸，降低碳损失。长期研究表明，这类系统能同时提升SOC和SIC储量，特别适用于退化土地修复。

6. 土壤碳组分作为土壤健康与韧性的指标

各碳组分不仅是碳储存的载体，更是土壤健康、生态平衡和气候响应力的动态指标。MBC和DOC响应迅速，能早期指示环境变化与管理干预；POC和LFOC反映有机质输入和分解状态；MAOC和SIC则标志长期碳稳定与生态系统韧性。

7. 气候变化情景下的碳组分模拟

传统模型如RothC和DNDC将土壤碳视为整体，未能体现组分间功能差异。新一代模型如MiPrime和RothC3BIO-K开始整合微生物动态与碳组分行为，显著提升预测精度。空间显式建模与遥感结合进一步助力区域碳评估。然而，SIC行为与微生物相互作用的模拟仍较薄弱，尤其干旱区碳动态预测存在较大不确定性。

8. 提升土壤碳固存的策略

有效提升土壤碳固存需基于组分特性制定管理策略。覆盖作物与免耕可提高MBC和MAOC；生物炭改良侧重于长效稳定；有机肥与残茬还田侧重活性碳库与微生物驱动转化；林农系统则通过多样性输入实现多层级碳增汇。

9. 结论与展望

土壤碳组分研究为气候智能型农业和土地可持续管理提供了科学基础。未来需加强组分层次模型开发，整合SIC行为，并构建实时监测技术体系。实现“4‰倡议”目标需结合地区实际，推动碳农业实践，将土壤碳管理融入全球可持续发展议程（SDG 2、13、15），最终实现生态恢复、粮食安全与气候治理的协同发展。