土壤有机碳分类研究进展

霍莲杰，纪雄辉，吴家梅，朱 坚

（1.中南大学研究生院隆平分院，湖南 长沙 410125；2.湖南省土壤肥料研究所，湖南 长沙 410125）

土壤有机碳（SOC）是地球表层系统中最大且最具有活动性的生态系统碳库之一。土壤有机碳含量常被认为是评价土壤质量的一个重要指标，它的动态平衡直接影响土壤肥力和作物产量。土壤碳库是陆地生态系统中最大的碳库，其有机碳总贮量约在1 400～1 500 Pg之间[1]（1 Pg=1015g），是陆地植被碳库的2～3倍，大气碳库的2倍多，其较小幅度的变动都会引起大气中CO2浓度变化，进而影响全球气候变化。随着全球气候变化越来越受到世界各国的关注，土壤有机碳的研究日益成为全球碳循环研究的热点。土壤有机碳是土壤功能得以实现的重要组成部分，随着土壤功能研究从其生产功能到生态功能的发展，土壤有机碳的概念也在不断发展。20世纪80年代以前，土壤有机碳定义为土壤腐殖质物质，有机残体和土壤微生物还不被包含在土壤有机碳概念之内。现在普遍认为，土壤有机碳是由进入土壤中的生物残体及其部分分解产物和土壤腐殖质构成[2]，这也是目前国际上通用的土壤有机碳概念。

随着大量学者对土壤有机碳循环及其对土壤肥力研究的深入，土壤有机碳分类研究也有了很大的进展，由最初只是重点研究土壤腐殖质，到后来的土壤颗粒态碳和轻组、重组有机碳，发展到现在根据化学性质、微生物利用程度对土壤有机碳进行分类，并对其在土壤中稳定性、循环转化及其对农作物产量的影响开展了大量的研究。由于土壤有机质的稳定性和对土壤理化性质及土壤肥力的作用，其分类受到广泛关注。土壤有机碳的组成、结构和存在方式的复杂性使其分类方法也呈现多样性。笔者等人在前人的研究基础上，综合了土壤有机碳的类型和组成，分别从化学、物理两个方面对土壤有机碳进行分类，旨在为进一步开展土壤有机碳的研究及其在评价土壤质量、缓解全球气候变化中的作寻找理论依据。

1 土壤有机碳的化学分类

1.1 根据化学组成分类

土壤有机碳包括土壤腐殖质和进入土壤中的生物残体及其部分分解产物。腐殖质包括两类：非腐殖质类物质和腐殖质类物质[3]。非腐殖质类物质占腐殖质总量的5%～15%，是与已知有机化合物具有相同结构的单一物质，包括碳水化合物、碳氢化合物（如石蜡、脂肪族有机酸和酯类、醇类、醛类、树脂类）和含氮化合物。而腐殖质类物质是土壤中所特有的，占腐殖质总量的85%～95%，是土壤肥力的基础物质，对土壤肥力的高低具有重要影响。因此，一般在化学分组上主要研究土壤腐殖质类物质。

唐世明[4]根据腐殖质类物质在酸和碱中的溶解性将其分为富非酸、胡敏酸和胡敏素。富非酸和胡敏酸是腐殖质的主要成分，统称为腐植酸，两者的比例常常作为进一步说明土壤肥力的指标，且胡敏酸含量越高，土壤肥力水平也越高。富非酸是土壤中既溶于稀碱又溶于稀酸的黄棕色的腐植酸，在土壤中可停留200～630 a，主要是多糖、氨基酸和腐殖化程度低的腐殖质；胡敏酸是土壤中只溶于稀碱而不溶于稀酸的棕至暗褐色的腐植酸，对土壤结构的形成起着重要作用，平均停留时间可达80～3 000 a；胡敏素为腐殖质中与土壤矿物质结合最紧密的组分，总是以有机无机复合形态存在，酸、碱或有机溶剂都无法将其提取出来，是一种惰性的腐殖质，最难分解，可以在土壤中存在千年以上。

由于各种提取剂对土壤腐殖质的提取能力变化很大，没有任何一种提取剂可以将土壤腐殖质全部提取出来，所以土壤腐殖质的性质不能完全代表土壤有机碳的性质。而且土壤腐殖质的年龄为几百到几千年，用它的变化反映一些农业措施对土壤有机碳的影响有明显的滞后性。再者，国外很多的学者发现从北极圈的冻原土壤到赤道的热带土壤其腐殖质类物质的化学组成（C＼N＼P＼H＼S）和功能团结构没有明显差别[5]，这说明腐殖化过程对气候和植被条件变化的反应不敏感，如果要用其产物来反映耕作等措施对土壤微气候变化和植被的更替在短期内对土壤质量的影响，显然是不合适的。而且Brady已经证明腐殖质类物质与生态学过程联系不紧密[3]。正是由于上述原因，对腐殖质类物质的研究在20世纪80年代后逐渐被淡化。

1.2 根据化学性质分类

随着对土壤有机碳分类研究的不断深入，大量的研究发现从化学组成上继续研究土壤有机碳已没有很大的进展。因此，一些学者开始从化学性质上研究土壤有机碳，发现土壤有机碳依据其化学性质的不同多表征为活性有机碳和非活性有机碳，或者是极高活性有机碳，活性有机碳，低活性有机碳和非活性有机碳，或是易分解有机碳，难分解有机碳和惰性有机碳。如Logninow[6]和Chan[7]根据土壤有机碳被三种不同浓度的高锰酸钾或硫酸和重铬酸钾溶液氧化的程度对其进行分类；Patton[8]依据土壤有机碳周转速率的快慢对土壤有机碳进行分类等。

1.2.1 根据被KMnO4氧化的程度 Logninow[6]等根据土壤有机碳被三种不同浓度的KMnO4（33 mmol/L、167 mmol/L、333mmol/L）氧化的数量，把易氧化有机碳分成3个级别。Lefroy[9]和Blair[10]研究发现这3个级别活性有机碳中，能被333 mmol/L KMnO4氧化的有机碳在种植作物时变化最大，因此将能被333mmol/L KMnO4氧化的有机碳称作活性有机碳，不能被氧化的称作非活性有机碳。这种方法假设KMnO4在中性条件下对土壤碳的氧化作用与土壤微生物和土壤酶的作用类似，氧化反应中KMnO4消耗得越多，说明土壤有机成分活性越大。

1.2.2 根据被H2SO4氧化的程度 Chan[7]等根据土壤有机碳被三种不同浓度的H2SO4（6.0 mol/L、9.0 mol/L、12.0 mol/L）和 K2Cr2O7氧化的数量，把可氧化有机碳分成4个组分。其中，能被6.0 mol/L H2SO4氧化的有机碳称为极高活性有机碳；能被9.0 mol/L H2SO4与6.0 mol/LH2SO4氧化的土壤有机碳量之差称为活性有机碳；能被12.0mol/L H2SO4与9.0mol/L H2SO4氧化的土壤有机碳量之差称为低活性有机碳；能被12.0mol/LH2SO4氧化后残余有机碳称为非活性有机碳。

对于根据三种不同浓度的KMnO4及H2SO4和K2Cr2O7溶液对土壤有机碳进行分类，基本原理是土壤有机碳对不同浓度和类型的氧化剂氧化的程度不同，呈现相互不同的表征。目前这两种方法在测定活性有机碳和非活性有机碳方面使用得都较普遍。

1.2.3 根据分解速率 与Logninow[6]和Chan[7]的分类结果相似，Patton[8]依据土壤有机碳周转速率的快慢将土壤有机碳分成易变碳库和稳定碳库，或分成活性碳库、慢性碳库（缓效性碳库）和惰性碳库，或分成易分解有机碳，难分解有机碳和惰性有机碳。其中，活性碳库即易分解碳库，为易被土壤微生物分解矿化，对植物养分供应有最直接作用的那部分有机碳，即活性有机碳，如植物残茬、根类物质、真菌菌丝、微生物及其渗出物如多糖等；介于活性和惰性碳库之间的那部分，亦指难分解有机碳；惰性碳库指土壤中存在的炭性碳和被物理保护的极难分解的那部分有机碳，其化学性质和物理性质稳定。邵月红等[11]研究结果表明，农田土壤活性碳一般占土壤有机碳的0.6%～3.7%，缓效性碳一般占土壤有机碳的37.7%～81.2%，惰性碳一般占土壤有机碳的17.1%～48.1%。

另外，Patton[8]根据微生物对有机碳的可利用程度将有机碳分成的类型和他依据土壤有机碳周转速率的快慢分成的类型相同，这也与Dalal[12]的分类结果完全一致。

自从土壤有机碳分类发展到活性有机碳、慢性有机碳（缓效性有机碳）、惰性有机碳后，很多学者开始对这三种土壤有机碳进行了大量的研究，结果发现土壤活性有机碳是对植物、微生物来说活性比较高的那一部分土壤碳素，而慢性有机碳和惰性有机碳则是对植物和微生物来说活性较低的那一部分土壤碳素。土壤活性有机碳能显著影响土壤化学物质的溶解、吸附、解吸、吸收、迁移乃至生物毒性等行为，在营养元素的地球生物化学过程、成土过程、微生物的生长代谢过程、土壤有机质分解过程以及土壤中污染物的迁移等过程有着重要的作用，具体包括了众多游离度较高的有机质，如植物残茬、根类物质、真菌菌丝、微生物量及其渗出物如多糖等，是易被微生物利用和转化的有生命和无生命有机物质的多相混合体。因此，近年来已成为土壤、环境和生态科学领域所关注的焦点和研究的热点之一。刘淑霞[13]和赵明东[14]等的研究指出，作物产量与土壤活性有机碳（易氧化有机碳）呈显著的正相关关系，而与缓效性有机碳和惰性有机碳无显著相关性。作物产量与土壤活性有机碳之间的这种显著相关性说明土壤活性有机碳是控制土地生产力的重要因素。因此，在农业生产上可以试图从增加土壤活性有机碳或者是转化土壤中缓效性和惰性有机碳来增加土地生产力，进而增加作物产量。

由于土壤活性有机碳的突出作用，近几年对土壤有机碳的研究重点逐渐转移到对土壤活性有机碳的研究上。国内外很多研究者依据土壤活性有机碳提取方法的不同，定义了不同的土壤有机碳表征形态。其具体有：溶解性有机碳、易氧化碳、土壤潜在可矿化碳、微生物量碳、轻组有机碳、颗粒有机碳和热水溶性有机碳等。赵明东等[14]研究发现作物产量与土壤微生物量碳呈显著的正相关关系。李忠佩[15]、刘德燕[16]和陈涛[17]等研究证明，土壤可溶性有机碳和微生物量有机碳与土壤呼吸间有显著的正相关关系。很多研究也表明土壤活性有机碳与CH4排放量有显著关系。例如，Wang等[18]研究指出，土壤可溶性有机碳和微生物量碳与CH4呈极显著的正相关关系。Yahi[19]认为CH4排放量和土壤易矿化碳含量呈明显的线性关系。另外，一些学者的研究还发现，活性有机碳对重金属元素有吸附和解吸作用。如Williams等[20]研究发现，土壤溶解性有机质的存在可以增加农药的水溶性，并影响农药在土壤中的运动。Sebasfien研究结果表明，土壤活性有机质含量增加300%～400%，可溶性Cu可增加400%～500%。Lehman等[21]认为，不管在氧化还是还原条件下，土壤活性有机质都能使Cu的迁移能力大大增加。Amrhein[22]等人的研究也表明，提高土柱或砂柱淋溶液的溶解性有机碳浓度，能够增加锌、镉、铜的溶解性。有研究指出，土壤溶液中铝水平与焦磷酸浸提出的有机碳有关，水溶性有机质与溶液铝络合能降低单体铝的毒性。越来越多的研究表明，土壤活性有机碳能够灵敏、准确、真实地反映土壤有机碳的存在状况以及土壤质量变化，因此其研究潜力很大，是目前甚至是未来十几年的研究重点。

2 土壤有机碳的物理分类

2.1 根据有机碳与土壤有机质结合的颗粒大小分类

土壤固相由不同形态和大小的土壤团聚体和原生土壤颗粒组成。在土壤颗粒分级过程中，土壤团聚体被破坏，构成团聚体的土壤颗粒均被分散为原生土壤颗粒，这些原生土壤颗粒根据其大小分为砂粒、粗粉砂粒、细粉砂粒、粗粘粒和细粘粒。由于土壤有机碳与土壤颗粒紧密地结合在一起，因此为了研究土壤有机碳，20世纪60年代，Tiessen等[23]根据土壤有机碳与土壤有机质结合的各级土壤初级颗粒的大小将土壤有机质分作砂粒（粒径>50 μm）、粗粉砂粒（20～50μm）、细粉砂粒（2～20μm）、粗粘粒（0.2～2μm）和细粘粒（粒径<0.2μm）结合的有机质。各种颗粒大小的土壤有机碳的比例分别约为 10%、20%～25%、16%～19%、35%和 17%～23%[24]。砂粒组中的有机碳是其他各组中的有机碳的源。其中的有机碳在微生物作用下发生腐殖化过程并逐渐向其他粒径的颗粒转移，但转移的顺序不遵守从大颗粒到小颗粒的次序。实际上，土壤颗粒越细，得到腐殖化产物和根系分泌物的优先级越高，粗粉砂粒中既有少量植物残体，也有腐殖质，其他更细的颗粒中只有腐殖质或根系分泌物。其中砂粒组、粗粉砂粒组和细粘粒组中的有机质被认为是土壤有机质的易分解碳库，而细粉砂粒组和粗粘粒组中的有机质被认为是土壤的惰性碳库。

2.2 根据有机碳比重分类

20世纪80年代，出现了另一个物理分组方法：按土壤有机碳的比重分组。即根据土壤在一定比重（1.6～2.5 g/mL）溶液中的沉降，将土壤分作轻组和重组土壤，它们中的有机碳分别称作轻组有机碳和重组有机碳。轻组有机碳的主要成分为动植物残体、菌丝体、孢子、单糖、多糖和半木质素。其中的单糖、多糖、半木质素是土壤微生物极易分解的基质，土壤中一半以上的土壤微生物和酶活性与轻组有机质（碳）有关。重组有机碳为主要存在于有机-无机复合体中的有机碳，含量一般占总有机碳含量的70%～80%，主要成分是腐殖质，转化时间较长且对农业管理措施等响应不灵敏，故对其研究也一直较少。但武天云等[25]的研究发现，重组有机质中一类易溶于盐溶液的有机质对气候、植被类型、施肥和耕作反应非常敏感，他们暂时将其定名为盐溶性有机质。

严格地讲，轻组有机碳并不属于土壤腐殖质类物质，它是介于动植物残体与腐殖质类物质之间的一个中间碳库，含量是土壤有机碳总量的15%～32%，高于腐殖质类物质，转化时间也很短，一般只有几周到几十年，是重组有机碳转化速率的2～11倍，因此被认为是土壤中的易分解碳库。且轻组有机碳比土壤总有机质含量对耕作、施肥等农业生产措施的响应更快，这样就给判断这些措施对土壤质量的影响提供了一个非常快速而有效的手段。

3 其他分类

近年来随着检测手段的提高，人们对土壤有机碳的认识不断深入，科学家开始对土壤有机碳官能团的研究，包括利用傅利叶近红外和核磁共振手段[26]探索土壤有机碳的官能团组成，以期弄清土壤有机碳固定、排放和对重金属的作用等机理。研究表明，芳构化碳是在土壤中难分解、稳定的碳成分，而直链碳（小分子醇、醛、酸、脂等）与碳分解排放相关；一些研究还表明，杂环烃结构对于控制重金属污染有重要作用。

4 结论与讨论

土壤有机碳的动态变化日益成为全球有机碳研究的热点，也是国际全球变化问题研究的核心内容之一。土壤有机碳的不同分类系统是随着深入探讨有机碳在土壤－植物－大气系统中迁移转化和循环规律，以及有机碳对于提高土壤生产力和实现土壤固碳减排的效果及其作用机理而逐步形成的。有机碳分类研究从对土壤肥力作用的腐残质分类到当前的碳循环转化及其稳定性的分解速率分类和颗粒态有机碳分类，主要因为有研究认为土壤总有机碳与产量关系不明显，进而探索活性有机碳（比如水溶性有机碳、微生物量碳、易氧化态碳），发现作物产量与土壤活性有机碳显著相关，说明土壤活性有机碳和碳循环是保障土地生产力和可持续发展的重要因素。因此，在农业生产上，可以通过从增加土壤活性有机碳或促进土壤碳循环来增加土地生产力，进而增加作物产量。从土壤固碳考虑，缓效性碳和惰性碳可能有利于土壤物理性质改善，提高土壤固碳能力需求。如何将碳更有效地固定到土壤中，主要在于增加土壤中惰性碳，减缓土壤中碳的分解。为了进一步研究土壤有机碳的作用、碳循环机理，以及更好地发挥土壤有机碳生态功能，对土壤有机碳的分类研究将不断地创新和深入。

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