圖1  土壤生物地球化學循環(huán)概圖

碳是名列首位的營養(yǎng)元素。碳營養(yǎng)的重要性，在于其提供構建植物體內各有機成分的必需成分——碳架，包括鏈狀、環(huán)狀的各類碳架，是植物合成糖類、蛋白質、氨基酸、酶、激素、信號傳遞物質等的基礎物質。植物營養(yǎng)學理論指出，碳是植物營養(yǎng)中的大量元素，碳在植物體內的含量平均為45%左右，遠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。通過施肥補碳，可以有效地消除“碳饑餓”而實現(xiàn)碳平衡。

土壤有機質是指存在于土壤中的所有含碳的有機物質。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，能夠促進團粒結構的形成、改善土壤物理性質，減輕或消除土壤中農藥的殘毒和重金屬污染。最近的研究表明，在施肥過程中，通過補碳可實現(xiàn)碳與其他元素的養(yǎng)分平衡，增產效果很明顯。

根據生產實踐的補碳的經驗，受農藥或受寒露風危害的水稻等作物噴施有機碳肥也有良效。這與受害作物的光合作用受阻、碳水化合物合成不足有關。噴有機碳肥可以補充光合產物，因而可減輕藥害或冷害。可見，碳營養(yǎng)補充與土壤碳循環(huán)息息相關。

土壤碳循環(huán)是碳在大氣、陸地生命體和土壤有機質幾個分室中的遷移、轉化過程，是生物界能量轉化的主要形式，主要由生命過程所驅動。土壤碳循環(huán)涉及到以下幾個環(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，制造有機物質（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）根據光需與否分為光反應和暗反應（圖2）。

  圖2 光合作用

（2）根據蓄積能量和形成有機物的先后順序，光合作用大致可以分為原初反應?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，也是植物細胞生物化學活動的中心之一。

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果。

3、土壤碳的固定

當光合作用同化固定的碳量大于呼吸作用消耗的碳量時，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，實現(xiàn)碳的減排，關鍵在促進光合作用減少呼吸作用，延長有機碳在土壤中的存留時間。一般土壤碳儲量大小順序為：濕地土壤>森林土壤>草原土壤>農田土壤，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、有機物之間的轉化關系圖。

圖3  碳循環(huán)中CH4、CO與CO2、有機物之間的轉化關系

（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，導致氣候異常。

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

（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更為復雜。