总有机碳含量：可以作为土壤退化的预警指标

土壤退化是指土壤生态系统从稳定状态转变为相对脆弱和贫瘠状态的过程，在稳定的土壤生态系统中，可耕作土壤始终保持良好状态并维持着粮食生产的可持续性。土壤退化对土壤生态系统，尤其是粮食生产构成了重大威胁。在区域尺度上，可持续土壤管理和有效预警指标可以抑制土壤进一步的退化，然而由于缺少对历史土壤样本的研究，目前尚未找到有效的预警指标。但已有研究表明，通过土壤总有机碳（TOC）含量的变化可以有效监测侵蚀引起的土壤退化，这表明土壤总有机碳含量可以作为全球或区域尺度内土壤退化的预警参考指标。

黑土主要分布在东北平原地区，其特点是具有富含腐殖质的表层土壤，有较高的土壤总有机碳含量。本文分析了来自中国东北地区的大量土壤样本（528个），这些样本来自于该地区的18个由黑土和砂土覆盖着的全新世时期土壤剖面。同时本研究还汇编了大量与该地区土壤性质和中国各地土壤肥力相关的数据，利用这些数据来比较土壤退化前（稳定的土壤生态系统）与当前和未来可能状态下的土壤总有机碳含量变化。

（1）数据显示，当土壤总有机碳大于0.5%时，平均粮食产量超过了2000kg ha-1 a-1，但当土壤总有机碳<0.5%时，产量迅速下降。这一结果表明，0.5%这个土壤总有机碳值临界值可以作为区域尺度上土壤肥力下降的预警信号。

（2）由土壤退化引起的土壤性质和肥力的变化表明，中国东北地区土壤侵蚀的加剧与该地区土壤总有机碳含量下降相对应，而更高的土壤总有机碳含量与土壤的稳定状态相对应，当TOC<0.5%时，土壤肥力迅速下降。土壤在TOC>0.5% 时保持稳定状态，即土壤退化之前的状态，而在TOC<0.5% 时，土壤迅速转变为退化和贫瘠状态。因此，土壤总有机碳含量可以作为该地区或大规模尺度上土壤退化的预警指标，尤其是对于可耕作土壤。我们还推测，研究区域退化土壤的未来状态将近似于风积沙或灰沙质土壤。然而，这个结论在完全理解与土壤退化相关的土壤总有机碳减少的实际过程之前，仍待考证。

（3）在土壤退化期间，我们观察到了黏粒和粉粒含量对土壤总有机碳的非线性影响，这表明土壤质地决定了土壤有机碳的吸附能力。我们推测，在土壤总有机碳含量约为0.5%时出现的突变大致对应于粗粉粒(32–63微米)和中粉粒(16–32微米)的临界值，并且土壤总有机碳的吸附性在这种质地界限上发生了剧烈变化，这可能是土壤退化导致TOC非线性变化的一种物理机制。

在时空尺度上，侵蚀导致的土壤退化可以通过土壤总有机碳含量的下降进行定量追踪，可作为可耕地大规模土壤退化的有力预警。从肥沃土壤（TOC＞0.5%）到退化和贫瘠土壤（TOC＜0.5%）的转变表明，0.5%的总有机碳含量代表了土壤退化的临界点或临界阈值。