土壤活性有机碳分组及测定方法

胡海清，陆 昕，孙 龙

(东北林业大学林学院，哈尔滨150040)

土壤是仅次于海洋的全球第二大有机碳库，是地球陆地碳库的主要组成部分，作为碳的源或汇，影响着大气中CO2的浓度变化，在全球碳循环中起着非常重要的作用［1］。当前，土壤质量越来越受到关注，土壤有机碳作为衡量土壤质量高低的重要指标，已成为进行森林可持续经营可参考的重要依据之一。同时，土壤有机碳又是土壤质量的核心［2］，其质量和数量影响着土壤的物理、化学和生物特征及其过程，影响和控制着植物初级生产量，是土壤质量评价的重要指标，在维持森林立地生产力以及全球碳平衡过程中起重要作用［3］。土壤有机碳在数量上百分之几的变化，虽然不能对土壤质量产生显著的影响，但是对大气CO2浓度而言，全球土壤有机碳5%的变化，其数量已经超过目前全球人为CO2总排放量。

土壤活性碳组分通常可用溶解性有机碳、微生物量碳、可矿化碳、轻组有机碳、颗粒有机碳等来进行表征［4］。虽然它只占土壤有机碳总量的较小部分，却直接参与土壤生物化学转化过程。因而，对土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持具有重要意义［5］。这部分的土壤有机碳的活性部分是指示土壤有机碳状态、同时反映土壤碳库动态的较有用的敏感性指标［6－7］。近年来，土壤活性有机碳已成为土壤、环境和生态科学领域所关注的焦点和研究的热点。研究土壤活性有机碳库的动态变化过程，首先要对土壤有机碳库进行测定。测定土壤活性有机碳组分的方法很多，包括物理、化学和微生物学方法。本文就目前国内外土壤活性有机组分常用测定方法、适用范围及存在问题等进行较为深入的分析。

1 土壤活性有机碳组分表征

1.1 溶解性有机碳 (DOC)

土壤溶解性有机碳是指能通过孔径为0.45μm的滤膜的大小和结构不同的有机分子［8］。溶解性有机碳主要由碳水化合物、蛋白质、长链脂肪族化合物和大分子的腐殖质组成。国内外的研究中一般认为，溶解性有机碳主要的来源是植物凋落物、土壤腐殖质、微生物和根系及其分泌物等与土壤有机碳和土壤微生物量碳有较好的相关性的物质［9］。土壤溶解性碳的含量不超过200mg/kg，占土壤有机碳的比例很小，一般不到3%，在不同的林地中的含量也在94.0～135.8mg/kg之间［10］，但是它是土壤微生物的主要能源，在提供土壤养分方面具有重要的作用［11］，同时也有研究表明，溶解性有机碳对水酸化、有毒金属与有机污染物移动、水与土壤中养分有效性都有重要影响，同时它也是有机生物的重要能源［12］。

1.2 微生物量碳 (SMBC )

微生物在地球生态系统中起着最终分解者的作用。土壤在微生物的作用下不断地释放含碳、氮气体，如CO2、CH4、N2O等温室气体，是导致全球气候变化的主要原因。土壤微生物生物量是指除了植物根系和体积大于5×103μm3的土壤动物以外的土壤中所有活的微生物总量，是活的土壤有机质部分，主要的生物类群为细菌、真菌、藻类和原生动物等，是土壤有机质中最活跃的部分［13］，主要包括微生物量碳和微生物量氮。土壤微生物量碳在土壤碳库中所占比例很小，一般只占土壤有机碳总量的1% ～4%［14］，但是对土壤有效养分而言，却是一个很大的给源和库存。它既可以在土壤全碳变化之间反映土壤微小的变化，又直接或间接参与了土壤生物化学转化过程，同时自身的周转速率也较快，因此，微生物量碳在土壤肥力和植物营养中具有重要的作用。当前随着全球碳循环问题受到广泛关注，微生物量碳特别是森林土壤微生物量碳日益引起人们的重视。

1.3 可矿化碳 (PMC)

可矿化碳是采用微生物学的方法测定的一种土壤活性有机碳。可矿化碳又称生物降解碳或生理生态指数 (专性呼吸率，代谢呼吸率)，是微生物分解有机物质过程中每单位微生物量产生的CO2量，同时是对微生物分解土壤有机物质的衡量指标［4］。土壤矿化与土壤分解过程密切相关，根据有机碳矿化释放CO2的数量与强度可以评价环境因素或土地利用变化对土壤有机碳分解的影响［15］，同时可以广泛地评估土壤微生物活性。

1.4 轻组有机碳 (LFOC)

利用密度分组技术可以将土壤有机质分成轻组和重组。Greenland等把土壤密度 (2.0g·cm－3)的组分定义为轻组有机碳。轻组有机碳主要是游离态的有机质，包括可识别的处于不同分解阶段的植物残体 (包括孢子、种子等)、小的动物和微生物［16］。轻组有机碳仅占土壤质量的一小部分，但是轻组的碳含量一般显著高于全土［17］。同时轻组有机碳分解率高，周转期短，周转速度快，是土壤养分的短期储存库［18］。一般来说，轻组有机碳具有明显的季节动态［19］，并且易受到环境因素的影响，比如土地利用方式发生改变会影响轻组有机碳的含量等［20－22］。轻组有机碳对土壤生态系统结构和功能具有重要作用，是有机物的能源物质和植物养分的汇，同时轻组碳具有较高的土壤生物活性，能体现土壤碳的活性，在土壤有关研究中受到很大的重视。

1.5 颗粒有机碳 (POC)

在土壤活性有机碳研究中，土壤颗粒有机碳逐渐成为研究者关注的重点［23］，根据粒径分级方法，可以把在土壤中与沙粒结合的有机碳称为颗粒有机碳。颗粒有机碳由与沙粒结合的植物残体分解产物和微生物体组成，其结构和组成与轻组有机质相同，性质相似，且颗粒有机碳与轻组有机碳之间有较高的相关性［24］，并且都属于粗有机质［25］。有的学者认为，土壤颗粒态有机碳是介于半分解动植物体和通过腐殖化的有机质之间的过渡态有机碳库，直接受凋落物及枯枝根系的腐殖化程度影响［26］。有研究表明，土壤颗粒有机碳转移比较快，一般5～20a，较土壤总有机碳更容易受到土地利用方式转变和土壤管理措施的影响。

2 测定方法

2.1 溶解性有机碳

溶解性有机碳的测定通常采用Liang［27］的测定方法，即将一定量新鲜土样用盐溶液提取 (土液比一般为1∶5)后，用0.45μm滤膜抽滤，滤液在碳氮分析仪上测定［28］。其原理是用碳氮自动分析仪先低温蒸干土壤提取液水分，然后高温氧化燃烧，测定产生的CO2量，即求得溶解性有机碳的量。由于溶解性有机碳实际上就是指能够通过浸提溶解在浸提液中的那一部分有机碳，因此测定含量时所用浸提液不同，也就有不同的结果。不同研究目的实验所使用的浸提剂也有所不同，通常采用的提取剂盐溶液有 CaCl2、KCl、K2SO4等［29］。

2.2 微生物量碳

对于土壤微生物量的测定方法，国外许多学者进行了比较系统的研究，但由于土壤微生物的多样性和复杂性，还未发现一种准确快速并且简单的方法。在最初的研究中，使用传统的方法来测量微生物量碳，即直接观测一定面积上的微生物，根据数量、大小、密度以及干物质量，计算其生物量。这种方法存在一定的缺点，比如计数比较困难、费时费力等，目前已经很少有人用这种方法来测量土壤微生物量。目前广泛采用的方法包括基质诱导呼吸法 (SIR)、氯仿薰蒸培养法 (FI)、氯仿薰蒸浸提法 (FE)、精氨酸诱导氨化法和三磷酸腺苷法(ATP)等。

Anederson和Domsch等于1978年［30］提出了基质诱导呼吸法。他们经研究发现，如果向土壤中加入足够量的葡萄糖，使生物量酶系统达到饱和时，CO2释放量迅速增大，并能持续几个小不发生变化，同时还发现，CO2释放率与生物量的大小呈线性相关，此时的土壤呼吸量为诱导呼吸量。此时以薰蒸培养或薰蒸浸提方法测定微生物量碳为标准，将诱导CO2呼吸量转化为微生物碳。据此，可以快速测定土壤微生物量。虽然该方法适用的土壤范围比较宽，但受土壤pH值及含水量的影响较大［30］。

Alef等［31］于1986年发现土壤中的细菌能够利用氨基酸，做为碳和氮的来源，并提出了精氨酸诱导氨化法。该方法的原理与基质诱导呼吸法的原理相似。向土壤中加入精氨酸水溶液，培养一段时间后，测定浸提液中的NH4+－N的含量，就可以估计土壤微生物量。国内有研究发现，浸提液中的精氨酸会干扰铵的比色分析，所以应尽量减少精氨酸用量［32］。

测定土壤微生物量碳还可以采用生物化学的方法。不同生物体的细胞壁和原生质的组成成分也是不同的，通过测量土壤中某种特有成分的含量，就能计算出土壤中微生物量。根据这个原理，Jenkinson 等［33－34］于 1979 年提出三磷酸腺苷法 (ATP)，即成分分析方法。该方法的基本过程为，在测定的过程中破坏微生物的细胞，使其释放所含的ATP，然后用适当的提取液浸提，浸提液经过滤，用光素－荧光素酶法测定其中的ATP量，然后将ATP量换算成土壤微生物量。土壤微生物的ATP含量一般采用6.2μmol/g微生物干物质，相当于Cmic/ATP 比值约为 138［35］。

Jenkison 和 Powloson［36］于 1976 年提出氯仿薰蒸培养法，即土壤用氯仿熏蒸后，在好氧条件下进行培养一段时间后，测定培养期间CO2的释放量，根据熏蒸与未熏蒸土样释放CO2量的差值，计算土壤微生物量碳。微生物量碳 (B c)用下面公式计算:

式中:F c为熏蒸与不熏蒸土壤在培养期间CO2释放量的差值;K c为熏蒸杀死的微生物量中的碳在培养过程中被分解，并以CO2释放出来的比例，目前一般都采用 0.45［14］。

氯仿浸提法首先是由Brookes等于1982年和1985年提出，并用于土壤微生物量P和N的测定［37－38］，而 Vance 等［39］首次将该方法用于测定微生物量碳，即土壤经过氯仿熏蒸后直接浸提碳含量，并测定生物量碳。测定后根据与熏蒸培养方法所测定的微生物量碳之间的关系，来计算土壤微生物量碳:

式中:E c为熏蒸与不熏蒸土壤K2SO4提取碳的差值;K为熏蒸杀死的微生物量中的C被K2SO4提取出来的比例。

与氯仿熏蒸培养法相比，氯仿熏蒸浸提法是目前较成熟的方法，更简单、快速，并且测定结果重复性较好，适于大批样品的测定，一次提取，可同时测定微生物量碳。氯仿熏蒸浸提法已成为国内外最常用的测定土壤微生物量的方法。尽管已经有以上的土壤微生物量的研究方法，但是每种方法各有其优、缺点和适用的范围及条件，一般根据实验室的仪器设备和条件，以及研究的目的选择合适的实验方法。

2.3 可矿化碳

受研究方法所限，目前人们还无法在现地直接测定土壤有机碳矿化速率的变化，常通过测定土壤潜在的碳矿化，了解干扰对土壤碳矿化速率的影响，即测量每单位微生物量产生的CO2量。土壤潜在有机碳矿化的测定常常采用国际上通用的短期土壤培养法进行测定［40－44］:取一定量的土壤样品，放入密封容器中，保持田间持水量，容器中放入装有氢氧化钠的可吸收CO2的小烧杯中，培养一段时间后，再用稀盐酸溶液滴定氢氧化钠，即可根据所消耗的盐酸量求得土壤可矿化碳。在土壤可矿化碳的测量过程中，要求实验用土壤样品所处环境密封条件良好，并且要严格控制培养过程中的温度和湿度。

2.4 轻组有机碳

土壤轻组有机碳测定过程中的关键是分离技术，目前国内外多采用比重分组技术，即根据土壤在一定比重溶液中的沉降将其分作轻组和重组土壤，它们中的有机碳被分别称作轻组有机碳和重组有机碳［17，45］。目前认为以硫酸镁、溴化钾、碘化钠和聚钨酸钠作为相对密度液为最佳，国外目前应用较多的密度液是碘化钠，近年来，对密度液的改进一直是各研究的主要内容之一。轻组有机碳的分离过程一般为:土壤样品风干后，通过孔径为2 mm的土壤筛，称取过筛后土壤放置于一定体积的比重 (1.6～2.5 g/cm3)溶液中，经搅拌、震荡或者超声波等方法使土壤分散，经过离心或者一定时间的静置以后，将上层悬浮部分用虹吸法或倾倒法与下层沉淀 (重组)分离、过滤，用无机盐溶液洗涤 (通常为CaCl2溶液)分离出来的轻组部分，并反复用去离子水冲洗，然后烘干、称重。上述过程一般重复2～3次，多次分离的轻组之和即为轻组的数量［46－48］。

2.5 颗粒有机碳

土壤有机碳的颗粒大小测定方法是在土壤颗粒分级的基础上进行的。土壤颗粒有机碳的测定一般采用六偏磷酸钠分离方法。基本过程为:取一定量的风干土壤样品，加入 (NaPO3)6溶液，长时间震荡后，土壤悬液过53 pm筛，反复用蒸馏水冲洗。将筛子残留物烘干、称重，计算这些部分占整个土壤样品质量的比例;再分析烘干样品中有机碳含量，根据计算的比例和有机碳含量，计算颗粒有机碳在整个样品中含量［49］。

3 结束语

目前，关于土壤有机碳的分组已经做了大量的研究，但是在土壤活性有机碳的测定过程中，由于研究目的、实验条件以及使用测定方法的不同，得到的实验结果也有一定的差异。目前在土壤微生物量碳测定时，通常使用氯仿熏蒸法，但是这种方法存在一定的缺陷，有效性指标容易受到环境变化的影响;潜在可矿化碳的测定方法也很多，有野外测定也有仪器分析法，这些方法各有特点，但目前尚无统一的标准，实验室培养法是最常用的测定方法;轻组有机碳测定时常使用相对密度法，但是相关研究很少，还不能严格地区分轻组和重组有机碳，同时，还没有找到一种在毒性、价格等方面相对理想的密度液，所以该方法还存在一定的局限性;颗粒有机碳的测定一般采用六偏磷酸钠分离方法，该方法比较简单，易展开实验，但是颗粒大小分组、样品如何处理等问题上仍存争议。在今后的工作中，关于土壤活性有机碳组分的一些重点问题还需要深入的研究:

(1)使用先进的仪器、设备，如红外光谱核磁共振和同位素示踪等方法，精确地研究土壤有机碳活性组分的形态和结构，以更加详细、准确地描述活性组分的表征;

(2)土壤有机碳的分组仍缺乏统一的标准，应更加准确地对土壤活性碳组分进行定量描述，使各个组分的概念进一步统一;

(3)如何确定统一的测定方法将是未来工作的重点，应着重完善土壤活性碳组分的测定方法，使其规范化、系统化。

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