圖1  土壤生物地球化學(xué)循環(huán)概圖

碳是名列首位的營養(yǎng)元素。碳營養(yǎng)的重要性，在于其提供構(gòu)建植物體內(nèi)各有機(jī)成分的必需成分——碳架，包括鏈狀、環(huán)狀的各類碳架，是植物合成糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、酶、激素、信號傳遞物質(zhì)等的基礎(chǔ)物質(zhì)。植物營養(yǎng)學(xué)理論指出，碳是植物營養(yǎng)中的大量元素，碳在植物體內(nèi)的含量平均為45%左右，遠(yuǎn)超大中微量元素之和數(shù)倍之多。

作物依靠自然狀態(tài)的二氧化碳營養(yǎng)，僅能補(bǔ)充滿足其需求的碳量的五分之一，長期處于“碳饑餓”中。通過施肥補(bǔ)碳，可以有效地消除“碳饑餓”而實(shí)現(xiàn)碳平衡。

土壤有機(jī)質(zhì)是指存在于土壤中的所有含碳的有機(jī)物質(zhì)。它含有作物生長所需要的各種營養(yǎng)成分，具有保水、保肥和緩沖作用，能夠促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成、改善土壤物理性質(zhì)，減輕或消除土壤中農(nóng)藥的殘毒和重金屬污染。最近的研究表明，在施肥過程中，通過補(bǔ)碳可實(shí)現(xiàn)碳與其他元素的養(yǎng)分平衡，增產(chǎn)效果很明顯。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐的補(bǔ)碳的經(jīng)驗(yàn)，受農(nóng)藥或受寒露風(fēng)危害的水稻等作物噴施有機(jī)碳肥也有良效。這與受害作物的光合作用受阻、碳水化合物合成不足有關(guān)。噴有機(jī)碳肥可以補(bǔ)充光合產(chǎn)物，因而可減輕藥害或冷害。可見，碳營養(yǎng)補(bǔ)充與土壤碳循環(huán)息息相關(guān)。

土壤碳循環(huán)是碳在大氣、陸地生命體和土壤有機(jī)質(zhì)幾個(gè)分室中的遷移、轉(zhuǎn)化過程，是生物界能量轉(zhuǎn)化的主要形式，主要由生命過程所驅(qū)動。土壤碳循環(huán)涉及到以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

1、土壤光合作用

指綠色植物吸收太陽光的能量，同化CO2和H2O，制造有機(jī)物質(zhì)（碳水化合物）并釋放氧的過程，是土壤碳循環(huán)中重要的碳同化途徑。

（1）根據(jù)光需與否分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)（圖2）。

  圖2 光合作用

（2）根據(jù)蓄積能量和形成有機(jī)物的先后順序，光合作用大致可以分為原初反應(yīng)?電子傳遞和光合磷酸化?碳同化。

（3）植物葉片中的葉綠體既是植物光合作用的重要場所，也是植物細(xì)胞生物化學(xué)活動的中心之一。

2、土壤呼吸作用

碳以CO2的形式從土壤向大氣圈的流動是土壤呼吸作用的結(jié)果。

3、土壤碳的固定

當(dāng)光合作用同化固定的碳量大于呼吸作用消耗的碳量時(shí)，即形成碳素在土壤中的固定。全球氣候變暖下，提高土壤的固碳能力和潛力，實(shí)現(xiàn)碳的減排，關(guān)鍵在促進(jìn)光合作用減少呼吸作用，延長有機(jī)碳在土壤中的存留時(shí)間。一般土壤碳儲量大小順序?yàn)椋簼竦赝寥?/span>>森林土壤>草原土壤>農(nóng)田土壤，表1是中國各類陸地植被的碳儲量。

表1  中國各類陸地植被的碳儲量

4、土壤碳循環(huán)與全球氣候變暖

陸地生態(tài)系統(tǒng)與大氣的氣體交換出C02外，還有CH4、N2O、NO、CO、H2S等痕量氣體的交換。圖3是碳循環(huán)中CH4、CO與CO2、有機(jī)物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖。

圖3  碳循環(huán)中CH4、CO與CO2、有機(jī)物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系

（1）引起CO2濃度升高的主要原因是土地利用的改變和燃燒化石燃料。由于燃燒礦物燃料以及其他工業(yè)活動，二氧化碳的生成量每年成倍增加，打破了自然界原有的平衡，導(dǎo)致氣候異常。

（2）礦物燃料的不完全燃燒和自然過程均會產(chǎn)生部分一氧化碳，一氧化碳在大氣中存留時(shí)間很短，主要是被土壤中的微生物所吸收，也可通過一系列化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

（3）CH4的排放主要來源于濕地土壤（自然濕地和水田）、白蟻和動物糞便、海洋、動物、污泥和化石燃料。CH4的代謝比CO2更為復(fù)雜。