European Journal of Soil Science

Đất đóng vai trò quan trọng trong việc thu giữ CO₂ từ khí quyển và trong việc phát thải các khí vết (ví dụ như CO₂, CH₄ và N₂O) có khả năng hoạt động bức xạ và làm gia tăng hiệu ứng ‘nhà kính’. Những thay đổi về sử dụng đất và sự nóng lên toàn cầu được dự đoán, qua các tác động của chúng lên năng suất sinh học ròng, cộng đồng thực vật và điều kiện đất, có thể có những tác động quan trọng đến kích thước của lượng chất hữu cơ trong đất và ảnh hưởng trực tiếp đến nồng độ khí vết trong khí quyển.

Một sự khác biệt khoảng 350 × 10¹⁵ g (hay Pg) carbon trong hai ước tính gần đây về dự trữ carbon trong đất toàn cầu đã được đánh giá bằng cách sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý được phát triển cho dự án World Inventory of Soil Emission Potentials (WISE). Cơ sở dữ liệu này chứa 4353 mẫu đất phân bố toàn cầu được coi là đại diện cho các đơn vị đất được thể hiện trên bản đồ đất FAO–UNESCO 1:5 triệu đã được chỉnh sửa và số hóa ở phiên bản tọa độ 1/²° vĩ độ và 1/²° kinh độ.

Tổng lượng carbon trong đất cho toàn bộ diện tích đất trên thế giới, không bao gồm carbon có trong lớp chất thải và than củi, ước tính từ 2157–2293 Pg carbon trong 100 cm đầu tiên. Carbon hữu cơ trong đất được ước tính là 684–724 Pg carbon trong 30 cm đầu, 1462–1548 Pg carbon trong 100 cm đầu, và 2376–2456 Pg carbon trong 200 cm đầu. Mặc dù việc phá rừng, thay đổi trong sử dụng đất và biến đổi khí hậu dự đoán có thể làm thay đổi nhanh chóng lượng carbon hữu cơ trong các lớp đất nông, nhưng điều này ít xảy ra hơn đối với carbon carbonate trong đất. Ước tính có khoảng 695–748 Pg carbon carbonate hiện diện trong 100 cm đầu của các loại đất trên thế giới. Tỷ lệ trung bình C: N của chất hữu cơ trong đất dao động từ 9.9 đối với Yermosols khô hạn đến 25.8 đối với Histosols. Lượng nitơ trong đất toàn cầu được ước tính từ 133–140 Pg nitơ cho 100 cm đầu. Những thay đổi có thể về động lực carbon hữu cơ và nitơ trong đất do nồng độ CO₂ trong khí quyển tăng lên và sự gia tăng nhiệt độ được dự đoán sẽ được thảo luận.

Các cơ chế ổn định carbon trong đất gần đây đã thu hút nhiều sự quan tâm do sự liên quan của chúng trong chu trình carbon toàn cầu. Ở đây, chúng tôi xem xét các cơ chế hiện đang được coi là, mặc dù thường mâu thuẫn hoặc không nhất quán, có thể góp phần vào việc bảo vệ chất hữu cơ (OM) chống lại sự phân hủy trong các loại đất ôn đới: (i) bảo tồn chọn lọc do tính kháng phân hủy của OM, bao gồm phụ phẩm thực vật, sản phẩm từ rễ, sản phẩm vi sinh vật, polymer humic và OM đã cháy; (ii) tính không truy cập về không gian của OM đối với các sinh vật phân hủy do sự chèn ép, sự xen kẽ, tính ưa nước và bao bọc; và (iii) ổn định nhờ tương tác với bề mặt khoáng (oxit Fe, Al, Mn, silicate phyllo) và các ion kim loại. Mục tiêu của chúng tôi là đánh giá mức độ liên quan của các cơ chế này đối với sự hình thành OM trong đất trong các giai đoạn phân hủy khác nhau và dưới các điều kiện đất khác nhau. Quan điểm cho rằng sự ổn định của OM chủ yếu được chi phối bởi sự bảo tồn chọn lọc các thành phần hữu cơ kháng phân hủy tích lũy theo tỷ lệ với các thuộc tính hóa học của chúng không còn có thể được chấp nhận. Ngược lại, phân tích của chúng tôi về các cơ chế cho thấy: (i) cộng đồng sinh vật đất có khả năng phá vỡ bất kỳ OM có nguồn gốc tự nhiên nào; (ii) tính kháng phân hủy của OM là tương đối, chứ không phải là tuyệt đối; (iii) tính kháng phân hủy chỉ quan trọng trong giai đoạn phân hủy sớm và trong các loại đất bề mặt hoạt động; trong khi (iv) trong giai đoạn phân hủy muộn và trong tầng dưới, mức độ liên quan của tính không truy cập về không gian và tương tác hữu cơ-khoáng đối với sự ổn định của SOM tăng lên. Chúng tôi kết luận rằng những khó khăn chính trong việc hiểu và dự đoán động lực của SOM phát sinh từ sự hoạt động đồng thời của một số cơ chế. Chúng tôi thảo luận về những khoảng trống trong kiến thức và các hướng nghiên cứu hứa hẹn trong tương lai.

Bài đánh giá này thảo luận về nguyên nhân và hậu quả của dòng chảy nước và vận chuyển chất tan ‘không cân bằng’ trong các mao quản cấu trúc lớn hoặc mao quản (các kênh rễ và sâu đất, các vết nứt và khoảng trống giữa các hạt). Chứng cứ thực nghiệm cho thấy rằng các mao quản có đường kính hình trụ tương đương lớn hơn c 0,3 mm cho phép dòng chảy không cân bằng diễn ra nhanh chóng. Ngoài kích thước lớn và tính liên tục, nguyên nhân cũng là do sự hiện diện của các lớp lót và màng không thấm nước làm hạn chế sự trao đổi khối lượng theo chiều ngang. Mao quản cũng đại diện cho các vi môi trường trong đất có hoạt động sinh học cao hơn, và thường phản ứng hóa học mạnh hơn so với đất chung. Tuy nhiên, quá trình hấp thụ dưới dạng trì hoãn trong quá trình vận chuyển qua các mao quản này yếu hơn so với trong đất chung, do diện tích bề mặt nhỏ và các hiệu ứng động lực học đáng kể, đặc biệt ở các mao quản lớn hơn. Tiềm năng cho dòng chảy nước không cân bằng và vận chuyển chất tan tại bất kỳ địa điểm nào phụ thuộc vào bản chất của mạng lưới mao quản, điều này được xác định bởi các yếu tố hình thành và suy thoái cấu trúc, bao gồm sự phong phú và hoạt động của sinh vật đất như sâu đất, các đặc tính của đất (ví dụ: hàm lượng đất sét), các yếu tố tại chỗ (ví dụ: vị trí độ dốc, cường độ khô, thực vật) và quản lý (ví dụ: trồng trọt, cày xới, lưu thông). Một mô hình khái niệm được đề xuất nhằm tóm tắt những tác động của các yếu tố tại chỗ đối với tiềm năng vốn có cho dòng chảy nước không cân bằng và vận chuyển chất tan trong các mao quản. Các điều kiện ban đầu và biên giới xác định mức độ mà tiềm năng này được hiện thực hóa. Cường độ mưa cao rõ ràng làm tăng độ mạnh của dòng chảy không cân bằng trong các mao quản, nhưng ảnh hưởng của hàm lượng nước ban đầu có vẻ phức tạp, do những ảnh hưởng phối hợp của sự co lại của đất và khả năng chối từ nước. Tác động của dòng chảy mao quản đối với chất lượng nước là đáng chú ý nhất đối với các chất tan tương đối không di động thần thánh đất và hiệu ứng của chúng đối với hệ sinh thái và sức khỏe con người là rõ rệt ngay cả đối với các phần đã bị rửa trôi nhỏ (ví dụ: thuốc trừ sâu). Bài đánh giá kết thúc bằng một cuộc thảo luận về các chủ đề mà hiểu biết về quy trình vẫn còn thiếu, và cũng đề xuất một số ứng dụng tiềm năng từ lượng kiến thức lớn đã tích lũy trong những thập kỷ gần đây.

Thuật ngữ 'lưu trữ carbon' thường được sử dụng để mô tả bất kỳ sự gia tăng nào trong hàm lượng carbon hữu cơ trong đất (SOC) do sự thay đổi trong quản lý đất đai, với hàm ý rằng việc gia tăng lưu trữ carbon trong đất (C) làm giảm thiểu biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng nếu phương pháp quản lý dẫn đến một chuyển giao net thêm C từ bầu khí quyển vào đất. Những hạn chế của việc lưu trữ C để giảm thiểu biến đổi khí hậu bao gồm các ràng buộc sau: (i) lượng C lưu trữ trong đất là có hạn, (ii) quá trình này có thể đảo ngược và (iii) ngay cả khi SOC tăng lên, có thể xảy ra những thay đổi trong dòng chảy của các khí nhà kính khác, đặc biệt là nitrous oxide (N₂O) và methane. Việc loại bỏ đất khỏi các vụ mùa hàng năm và chuyển đổi sang rừng, đồng cỏ hoặc cây trồng lâu năm sẽ loại bỏ C khỏi CO₂ trong khí quyển và thật sự góp phần vào việc giảm thiểu biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, những tác động gián tiếp như việc chuyển đổi đất từ thực vật bản địa sang nông nghiệp có thể làm mất đi lợi ích này thông qua việc tăng phát thải CO₂. Trồng lại đất bị thoái hóa, mà có giá trị hạn chế cho sản xuất thực phẩm, tránh được vấn đề này. Việc thêm các vật liệu hữu cơ như phụ phẩm cây trồng hoặc phân bón động vật vào đất, trong khi tăng SOC, thường không tạo thành một chuyển giao bổ sung C từ khí quyển vào đất, tùy thuộc vào số phận thay thế của phụ phẩm. Sự gia tăng SOC từ việc giảm cày xới hiện nay có vẻ nhỏ hơn rất nhiều so với những gì đã được khẳng định trước đó, ít nhất là ở các vùng ôn đới, và trong một số tình huống, việc tăng phát thải N₂O có thể làm mất đi bất kỳ sự gia tăng nào trong C lưu trữ. Lợi ích giảm thiểu biến đổi khí hậu từ sự gia tăng SOC do sự phát triển cây trồng tăng cường (ví dụ như từ việc sử dụng phân bón) phải được cân bằng với các khí nhà kính phát thải liên quan đến việc sản xuất và sử dụng phân bón. Việc nhấn mạnh quá mức vào lợi ích của việc lưu trữ C trong đất có thể làm mất đi sự chú ý đến các biện pháp khác có hiệu quả ít nhất như nhau trong việc chống lại biến đổi khí hậu, bao gồm việc làm chậm nạn phá rừng và tăng hiệu quả sử dụng N nhằm giảm phát thải N₂O.

Đất nông nghiệp là nguồn phát thải khí nitơ oxit (N₂O) chủ yếu do con người gây ra, phần lớn là do việc sử dụng phân bón chứa nitơ (N). Thông thường, việc phát thải N₂O được thể hiện như một hàm số của tỷ lệ ứng dụng N. Điều này gợi ý rằng, việc áp dụng phân bón nhỏ hơn luôn dẫn đến việc phát thải N₂O nhỏ hơn. Ở đây, chúng tôi lập luận rằng, do nhu cầu toàn cầu đối với các sản phẩm nông nghiệp, điều kiện nông học nên được đưa vào xem xét khi đánh giá phát thải N₂O. Việc thể hiện phát thải N₂O liên quan đến năng suất cây trồng (được thể hiện dưới dạng lượng N hấp thụ trên mặt đất: ‘phát thải N₂O theo năng suất’) có thể thể hiện hiệu quả N₂O của một hệ thống canh tác. Chúng tôi cho thấy cách mà các mối quan hệ thông thường giữa tỷ lệ ứng dụng N, N hấp thụ và phát thải N₂O có thể dẫn đến phát thải N₂O theo năng suất tối thiểu ở các tỷ lệ phân N giữa. Những phát hiện chính từ phân tích tổng hợp về phát thải N₂O theo năng suất ở các loại cây trồng hàng năm không phải đậu (19 nghiên cứu độc lập và 147 điểm dữ liệu) cho thấy phát thải N₂O theo năng suất là nhỏ nhất (8.4 g N₂O-N kg⁻¹ N hấp thụ) ở tỷ lệ ứng dụng khoảng 180–190 kg N ha⁻¹ và tăng nhanh chóng sau đó (26.8 g N₂O-N kg⁻¹ N hấp thụ ở 301 kg N ha⁻¹). Nếu lượng N dư thừa trên mặt đất bằng hoặc nhỏ hơn không, phát thải N₂O theo năng suất vẫn ổn định và tương đối nhỏ. Tại mức dư thừa N 90 kg N ha⁻¹, phát thải theo năng suất tăng gấp ba lần. Hơn nữa, một mối quan hệ tiêu cực giữa hiệu suất sử dụng N và phát thải N₂O theo năng suất đã được phát hiện. Do đó, chúng tôi lập luận rằng các phương pháp quản lý nông nghiệp nhằm giảm phát thải N₂O nên tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng phân N ở tỷ lệ đầu vào N trung bình, thay vì chỉ giảm tỷ lệ ứng dụng N.

Độ ổn định của biochar trong đất là nền tảng của sự quan tâm toàn cầu đang gia tăng về tiềm năng của nền tảng khí hóa/biochar trong việc lưu giữ carbon (C). Mặc dù biochar có tính bền hơn trong đất so với nguyên liệu hữu cơ ban đầu, số lượng nghiên cứu ngày càng tăng cho thấy có sự khoáng hóa C lớn hơn trong các loại đất được chỉnh sửa bằng biochar so với các loại đất không được chỉnh sửa. Các sinh vật trong đất được cho là đóng một vai trò trung tâm trong quá trình này. Trong bài tổng quan này, các tương tác khác nhau xảy ra giữa vi sinh vật, sinh vật trung gian và sinh vật đa dạng trong đất với độ ổn định của biochar được đánh giá. Ngoài ra, các yếu tố khác nhau được báo cáo ảnh hưởng đến độ ổn định của biochar, chẳng hạn như đặc điểm lý hóa của biochar, loại đất, hàm lượng carbon hữu cơ trong đất (SOC) và các thực hành quản lý nông nghiệp cũng được đánh giá. Phân tích tổng hợp dữ liệu trong tài liệu cho thấy rằng tỷ lệ khoáng hóa biochar-C giảm khi nhiệt độ khí hóa, hàm lượng biochar-C và thời gian tăng lên. Sự giải phóng CO₂ tăng cường sau khi thêm biochar vào đất có thể là do (i) kích thích các bể SOC bản địa, (ii) sự phân hủy sinh học các thành phần của biochar từ sự kích thích trực tiếp hoặc gián tiếp của biochar lên các sinh vật trong đất hoặc (iii) sự giải phóng abiotic của biochar-C (từ các carbonat hoặc CO₂ hấp phụ hóa học). Các tỷ lệ khoáng hóa hai pha quan sát được cho thấy sự khoáng hóa nhanh chóng của các hợp chất biochar dễ phân hủy bởi vi sinh vật, trong khi các thành phần thơm ổn định phân hủy với tốc độ chậm hơn. Thông tin tương đối ít có sẵn về tác động của động vật trong đất đến độ ổn định của biochar trong đất, mặc dù chúng có thể giảm kích thước hạt biochar và tăng cường sự phân tán của nó trong đất. Làm rõ các tác động của động vật trong đất lên độ ổn định của biochar, cả trực tiếp và gián tiếp, là một ưu tiên nghiên cứu hàng đầu.

Soil from Eutrochrept A horizons under long‐term spruce forest (Sf), mixed deciduous forest (Df), permanent grassland (Gp) and arable rotation (Ar) was fractionated according to particle size and analysed for contents of C, N, lignin‐derived phenols and carbohydrates.

Whole soil from Sf, Df, Gp and Ar contained 84, 59, 73 and 25 g C kg⁻¹ soil, respectively. For all sites, the C content declined and C/N ratio increased in the order: clay (<2 μm), silt (2–20 μm), sand (20–2000 μm). Clay and silt were significantly lower in C in Ar than in Sf, Df and Gp, C associated with sand being substantially lower under arable rotation.

The yield of lignin‐derived phenols decreased and carboxyl functionality and methoxyl demethylation of lignin derivatives increased with decreasing particle size, indicating a progressive lignin alteration. Whole soil from Sf and Gp was substantially higher in vanillyl (V), syringyl (S) and cinnamyl (C) units (VSC) than soil from Df and Ar. Compared to whole soil, clay was depleted and sand enriched in VSC. Only sand appeared to be affected significantly by land use. Sand from Ar and Df was more enriched in VSC than sand from Gp and Sf.

Whole soil carbohydrates decreased in the order: Gp>Ar>Df>Sf. Sand‐ and clay‐sized separates were enriched in carbohydrates compared to silt. Carbohydrates in sand were mainly of plant origin whereas microbially‐derived sugars accounted for a larger proportion in the clay. Compared to Sf, Df and Gp, clay from Ar was enriched and sand depleted in microbial sugars.

Lignin and carbohydrate distribution patterns indicate that organic matter was in a more advanced stage of decomposition in the sand separates from forest than from agricultural A horizons. The forest soils also show a higher degree of oxidative changes in lignin associated with clay. In contrast, differences between silt from the four A horizons were small.

The distribution of organic matter in soil aggregates was investigated by fractionating aggregates and measuring carbon contents. The distribution of recently incorporated organic carbon was analyzed using ¹³C natural abundance. The soils of the experiment, which previously only had C₃ vegetation, were cropped to maize, aC₄ plant, for 6 or 23 years.

Aggregate size distributions were determined for silty soils with different organic matter contents. Slaking‐resistant macroaggregates were enriched in C as compared to dry‐sieved macroaggregates or to microaggregates, and the C content increased with the size of aggregates. The δ¹³C value was used to calculate the amount of C₃‐derived and C₄‐derived organic carbon in the fractions. The larger carbon contents in stable macroaggregates were due to young C₄‐derived organic carbon (<6 or 23 years), and we concluded that young organic matter was responsible for macroaggregate stability.

Các rễ cây ảnh hưởng đến các tính chất sinh học, hóa học và vật lý của đất vùng rễ. Những tác động này là hệ quả của sự phát triển, hoạt động của chúng và việc tiết ra các hợp chất hữu cơ từ chúng. Trong các hệ sinh thái tự nhiên, mối liên kết giữa lượng carbon từ thực vật và hoạt động của vi sinh vật do các đầu vào này tạo ra là trung tâm trong việc hiểu biết về chu trình dinh dưỡng trong đất và năng suất của các hệ thống này. Sự kết hợp giữa năng suất thực vật và vi sinh vật cũng ngày càng quan trọng trong nông nghiệp, nơi mà sự chuyển hướng sang các hệ thống sử dụng thấp phân bón gia tăng sự phụ thuộc của sản xuất thực vật vào chu trình dinh dưỡng, thay vì dùng phân bón hóa học. Bài đánh giá này xem xét các quá trình mà qua đó thực vật có thể ảnh hưởng đến chu trình dinh dưỡng trong đất, và đặc biệt là tầm quan trọng của các đầu vào hữu cơ từ rễ trong việc thúc đẩy các chuyển đổi của nitơ được trung gian hóa bởi vi sinh vật. Sự kết hợp giữa đầu vào của thực vật với chức năng của cộng đồng vi sinh vật là có lợi cho việc thu nhận nitơ của thực vật, đặc biệt trong các hệ thống sử dụng thấp phân bón. Điều này xảy ra thông qua việc kích thích các vi sinh vật sản xuất enzyme ngoại bào phân hủy chất hữu cơ, và bằng cách thúc đẩy chu trình nitơ bị cố định trong sinh khối vi sinh vật thông qua sự ăn thịt của amip. Ngoài ra, thực vật cũng gia tăng chu trình nitơ bằng các thay đổi trong việc tiết ra sự nhả khí đáp ứng với nguồn cung nitơ xung quanh rễ, và phản ứng với sự gặm nhấm của động vật ăn cỏ. Thực vật có thể giải phóng các hợp chất trong dịch tiết ảnh hưởng trực tiếp đến sự biểu hiện của các gen trong vi sinh vật, và điều này có thể là một cách quan trọng để kiểm soát chức năng của chúng có lợi cho thực vật.