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。除了有机形式的碳之外，有些土壤中还含有大量地无机碳（如碳酸钙）。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。

达·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.      地球上到底有多少碳被土壤保管？

3.      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？

4.      土壤碳含量越高，植物生长越好吗？

5.      植物会从土壤中吸收碳吗？

6.      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？

7.      哪些措施，能使土壤固定更多的碳？

8.      土壤碳含量可以无限制的增加吗？

9.      细菌、真菌、病毒在土壤碳循环中起着什么作用？

10.  微生物既可以分解土壤碳，又可以保护土壤碳，这是为什么？

11.  土壤碳为什么会在土壤中保存千年之久？

12.  气候变暖会不会导致土壤碳全部释放出来？

13.  不同生态系统（农田/草原/森林）中土壤的固碳能力一样吗？

14.  土壤碳和土壤有机质有什么关系？

15.  为什么很多农田土壤中的无机碳越来越少，甚至消失不见？

16.  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？

17.  土壤中的碳和氮等其他小伙伴是如何相处的？

18.  土壤矿物为何能成为“护碳使者”？

19.  植物光合作用后，怎样把碳交给土壤？

20.  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？

21.  黑炭、生物炭是什么？“炭”和“碳”一样吗？

22.  干旱、酸雨等不良气候条件会给土壤碳带来怎样的影响？

23.  微生物死后给土壤留下了什么遗产？

24.  土壤碳家族中有哪些活跃分子？哪些懒惰家伙？

25.  躲在土壤深层的碳也会损失吗？

26.  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？

27.  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？

28.  沿海土壤中也含有大量碳酸钙，为什么？

29. 水稻土为什么比旱地土壤具有更高的碳含量？

30. 为什么全球不同气候带不同植被下的土壤的C/N都趋近于10左右？

31. 为什么寒冷地区土壤碳含量要高于热带地区？

32. 为什么黏土中碳含量一般要高于砂土？

33. 为什么保护性耕作会增加土壤碳含量？

34. 为什么开荒后土壤碳含量会降低，而退耕还林还草后土壤碳又会增加？

35. 为什么湿地开垦后，土壤碳含量会降低？