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碳在土壤中的奥秘(一):绪论 精选

已有 4181 次阅读 2020-5-3 21:02 |系统分类:科研笔记| 土壤;碳

碳在土壤中的奥秘(一):绪论

丁凡徐英德

沈阳农业大学土地与环境学院

碳是一种神奇的元素,地球上所有已知的生命都是以碳元素为基础的。能成为生命体的基础元素需要满足3个条件:1.化合价适中,至少可以形成3个以上共价键;2.活泼性适中,既不能太惰性、也不能太活泼;3.此元素相互之间可以形成共价键。这样才能形成复杂多样的高分子化合物(如DNA分子),为生命的形成提供物质基础,并为自然选择提供可能。经过筛选,符合这样条件的元素只有碳和硅。硅也有作为有机物骨架的潜力,但是硅和氧形成的化合物二氧化硅是固体,不易排出生命体外,因而不适合生命,而广泛的分布在了岩石、砂砾之中。所以,最终碳元素胜出,其化学活性适中,价态刚刚好,自身可以和自身结合形成长链,从而成为了生命之源。

土壤是一个富有生命力的王国,居住在里面的部落包括土壤动物(如蚯蚓、跳虫、螨虫等)、真菌、细菌、病毒等数以百万计的生物。这些生物体吃什么呢?答案是土壤中的有机物质。动植物残体是土壤中有机物质的主要来源。土壤中具有较高的温度和湿度,动植物残体会被很快地分解殆尽。为了长期生存,土壤微生物会把动植物残体转化为土壤有机质(腐殖质),长期保存在土壤中,然后再缓慢释放,供微生物享用,并等待下一次动植物残体的到来。因此对土壤生物来说,动植物残体是新鲜但无法长期保存的粮食,而土壤有机质是可以长期储存但只能缓慢释放的粮库。

碳在土壤中的奥秘无穷无尽。无论是动植物残体,还是土壤有机质,能成为微生物食物的最主要原因是它们都是富含碳的有机物。碳元素一般以动植物残体的形式进入土壤,经过复杂的微生物的分解和转化过程,大部分分解成CO2排放到大气中,最终只有很少量的碳进入到土壤有机质中而长期保留下来。小小的碳原子,在土壤中的一举一动,却可以影响很多宏观事件,如气候变暖、土地退化、人类贫穷等等。如果土壤碳入不敷出,土壤肥力会显著降低,从而影响粮食安全;如果全球土壤碳全部被释放出来,大气中的CO2浓度将增加3倍,土壤将变成无生命的风沙,地球也会变成无生命的不毛之地。

·芬奇曾说过:我们对脚下土壤的了解,远不及对浩瀚的天体运动了解得多。经过几代土壤科学家的不断努力,许多土壤碳的奥秘被陆续解锁,但这也只是管中窥豹、冰山之一角,我们对碳在土壤中的核心过程土壤有机质的形成和稳定机制仍然停留在猜想阶段。想要完全揭开土壤碳的神秘面纱,无疑,未来路远且长。我们尝试参照经典科普读物《十万个为什么》的写法,以问题为导向,讲述土壤碳的故事。我们提出了一些与土壤碳相关的有趣问题,这些问题的答案有的已经比较清楚,有的还悬而未决。接下来我们将逐个进行解析(但不限于这些问题)。我们写这些博文不是为了告诉大家问题的答案,而是希望能引起大家对土里土气的土壤的兴趣与关注。

1.       土壤碳从哪里来,最终到哪里去?

2.       土壤离天空那么远,为什么土壤碳的变化会引起气候变化呢?

3.       土壤碳含量越高,植物生长越好吗?

4.       植物会从土壤中吸收碳吗?

5.       往土壤中添加大量的植物秸秆,会不会快速提升土壤碳含量?

6.       哪些措施,能使土壤固定更多的碳?

7.       土壤碳含量可以无限制的增加吗?

8.       细菌、真菌、病毒在土壤碳循环中起着什么作用?

9.       微生物既可以分解土壤碳,又可以保护土壤碳,这是为什么?

10.    土壤碳为什么会在土壤中保存千年之久?

11.    气候变暖会不会导致土壤碳全部释放出来?

12.    为什么北方土壤中碳酸钙含量较高,而南方土壤中很少含有碳酸钙?

13.    喀斯特地区从地表土壤到地下上百米深的岩石,主要成分都是碳酸岩矿物,这么多的碳从哪来的?

14.    沿海土壤中也含有大量碳酸钙,为什么?

15.    煤、石油、天然气都是古代植物残体演变而成的含碳有机物,为什么有的地方产煤,有的地方产油,而有的地方产气?

16.    不同生态系统(农田/草原/森林)中土壤的固碳能力一样吗?

17.    土壤碳和土壤有机质有什么关系?

18.    为什么很多农田土壤中的无机碳越来越少,甚至消失不见?

19.    从岩石变为土壤的过程中,碳是怎样从无机态变为有机态的?

20.    地球上到底有多少碳被土壤保管?

21.    土壤中的碳和氮等其他小伙伴是如何相处的?

22.    土壤矿物为何能成为护碳使者

23.    植物光合作用后,怎样把碳交给土壤?

24.    我国哪的土壤有机碳含量最高?寒冷干燥的北方还是温暖潮湿的南方?

25.    黑炭、生物炭是什么?一样吗?

26.    干旱、酸雨等不良气候条件会给土壤碳带来怎样的影响?

27.    微生物死后给土壤留下了什么遗产?

28.    土壤碳家族中有哪些活跃分子?哪些懒惰家伙?

29.    躲在土壤深层的碳也会损失吗?

 




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