土壤活性有机质组分的分类方法及其研究进展

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(1.东北农业大学 资源与环境学院， 黑龙江 哈尔滨 150030； 2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，黑龙江 哈尔滨 150081； 3.哈尔滨市农业科学院 生物中心，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

土壤有机质(Soil organic matter，简称SOM)是地球表面最大的碳库之一，它是地球碳循环的重要组成部分。据估计，土壤中的碳含量为2 500 Pg，其中有机碳的含量为1 550 Pg(1 Pg=1015g)[1-2]，是大气碳含量的两倍，地上生物量的三倍[3]。SOM对土壤的物理、化学、生物学和热学特性都有举足轻重的作用，其含量增加和质量提高对土壤团聚体(尤其是微团聚体)的结构和稳定性有促进作用，对土壤的保水保肥能力有明显的改善作用，因此，对土壤质量的可持续性和作物产量的稳定性具有至关重要的作用[4-5]。SOM的组成复杂且不均匀，不仅含有生物物质(如木质素，纤维素和多肽)，还包括腐殖质[6]，因此，根据构成的有机物质的种类不同，SOM的分解时间范围从几小时到几百年不等[1,7]。Stevenson[6]研究发现，农田土壤中，土壤有机质的降解较慢，其含量的变化存在滞后性，不利于短期研究，而活性有机质(Labile organic matter,简称LOM)的含量虽然较少，但是其受土壤、植物和微生物等影响强烈，降解速度较快，同时又直接参与土壤生物化学的转化过程，是土壤微生物和动物活动及其代谢能量的储存场所，也是植物可利用的氮(N)、硫(S)和磷(P)等养分的矿化来源[6,8-9]。

土壤LOM主要是指在土壤中存在一定的溶解性，能够快速移动、容易被氧化和矿化，而且在一定的时间和空间范围内容易被植物和土壤微生物利用的那部分有机质[10]，主要由根系分泌物、微生物渗出物、真菌菌丝及动植物残体等大量的游离有机物构成[11]。与土壤总有机质含量相比，LOM对管理或环境条件的变化更为敏感，通常被认为是农田管理措施的早期敏感指标，对于研究土壤质量的变化有重要意义，近些年来已经成为土壤生态及环境土壤学交叉领域研究关注的焦点。本文旨在对土壤活性有机质的组分进行全面系统的归纳，分析其各个组分的典型数量、性质和意义，评述相关组分的作用及其影响因素，以期为科学解析土壤活性有机质在土壤质量变化研究中的作用提供理论依据和技术参考。

1 土壤活性有机质的物理组分

土壤SOM的物理分组主要是依据土壤密度(密度分组)、颗粒大小(粒径分组)、空间分布(团聚体分组)以及物质的溶解性进行分类的，主要分离手段为离心和沉降(密度分组)、超声波分散(粒径分组)、崩解(团聚体分组)以及酸碱提取等。由于物理分组在分组过程中对原状土状态的破坏性小，而成为现今研究SOM组分的主流[12]。物理分组中的土壤LOM，主要指的是密度分组中的轻组有机质(Light fraction organic matter，简称LFOM)、粒径分组中的颗粒有机质(Particulate organic matter，简称POM)、团聚体分组中的大团聚体有机质(Macro-aggregate organic matter，简称MAOM)、酸碱提取方法中的富啡酸(Fulvic acid，简称FA)以及水或稀盐溶液提取的溶解性有机质(Dissolved organic matter,DOM)。

1.1 轻组有机质(LFOM)

LFOM是通过收集漂浮在密度为1.5～2.0 g·cm-3之间的重液上的分散的土壤物质来分离的。通常，土壤分散在比重约为1.7 g·cm-3的碘化钠(NaI)溶液中[13]。轻组有机质的碳氮比(C/N)介于土壤和植物组织之间[14]。LFOM主要存在于植物根系、植物残体和木炭中，主要包括放线菌的孢子和能用显微镜观察到的微生物结构体的真菌[15]。LFOM主要含有易被微生物分解的底物，如单糖、多糖和半木质素等化学成分，可解释微生物和酶活性差异50%以上的信息[16]，具有较高的分解速率、周转速率和C/N 比，是土壤营养物质的短期贮存库[17]。Dalal和Mayer[18]研究表明，LFOM含有的活性有机质高达76%～96%。Janzen等[17]研究发现，LFOM与土壤呼吸速率和土壤微生物生物量碳和氮的含量密切相关。农业土壤中，LFOM含有20%～30%的有机质，占整个土壤总有机质的2%～18%[19]，因此，LFOM基本体现了土壤活性有机质的作用，它可作为土壤质量(特别是有机质质量)的灵敏的指示剂[20]。但是，LFOM也有一定的局限性，因为它含有烧焦的物质，如大量的难分解(甚至不分解)的木炭[21]。

1.2 颗粒有机质(POM)

土壤POM主要是通过粒径分组(粒径在53～2 000 μm之间)获得的，主要指的是土壤中与砂粒结合的有机质，并进一步可能与土壤大团聚体(粒径>250 μm)和微团聚体(粒径<250 μm)结合[22]。POM具有较高的活性和较低的腐殖化程度，它是一类易分解的土壤碳库，主要由具有可识别的细胞结构的植物碎片组成，显微镜显示它还含有真菌菌丝、孢子、种子、动物骨骼和木炭[23]。此外，它含有一部分参与分解植物土壤微生物生物量残留物以及植物残茬分解过程中产生的腐殖化物质[24]。一般来说，农业土壤中POM占整个土壤中总有机质的20%～45%[25-26]，远高于LFOM[27]。相对于与土壤粉粒或黏粒结合的土壤有机质而言，POM被认为是有机质中的活性部分[13]，其在土壤元素(如C、N、S)循环中占有重要的地位[28]。

尽管LFOM和POM主要含有植物残留物，但它们的化学和生物学性质并不相同。例如，Gregorich等[29]研究了森林土壤转化为玉米连作25年后SOM的减少情况，通过测定土壤总有机碳和自然13C丰度，他们发现LFOM的矿化速度快于POM，25年后，LFOM中70%的C来自玉米，而只有45%来自于POM。同样，Carter等[27]研究了森林土壤转变为可耕种农业土壤时SOM的流失，发现LFOM减少了72%，但土地利用方式变化对POM的影响不大。

对20种森林和耕作土壤的调查发现，POM含有更多的有机碳并且具有比LFOM低的C/N，这表明前者分解更多[19]。Gregorich等[30]应用13C核磁共振(13C NMR)和热解场电离质谱(Py-FIMS)也同期证实，POM比LFOM更易分解。质谱(MS)显示，与LFOM相比，POM中含有更少的木质素单体、二聚体、脂类和烷基芳香族化合物；13C-NMR数据表明，与LFOM相比，POM含有相对较少量的碳水化合物和脂族化合物，并且具有更高的芳香度。

这些差异可归因于分离两种形式活性有机质方法的差异。在基于粒度分级的组分中，腐殖化的有机物质与大的无机颗粒紧密结合，包裹着矿物颗粒的有机碎片将被保留在筛子上，并包含在POM中[10]。砂粒表面上包裹的大部分有机物质，可能比悬浮在砂粒表面的LFOM更容易分解和腐殖化。此外，LFOM可以从粉砂和黏土颗粒中分离出来，也可以从砂质材料中分离出来。由于存在这些差异，一些研究人员认为，在分离活性和非活性的有机质组分时，密度分级比粒径分级更有效[7,19]。当然，与POM相比，LFOM的芳香性较低且周转时间更快，这证实了LFOM是一个活性更大的库[8]。

1.3 大团聚体有机质(MAOM)

1982年，Tisdall和Oades[31]首次提出了土壤团聚化影响碳周转的概念模型，此后，很多学者展开了对团聚体的研究。一般来说，土壤团聚体分为大团聚体(粒径>250 μm)和微团聚体(粒径<250 μm)两大类，进一步可划分为大粒径的大团聚体(粒径>2 000 μm)、小粒径的大团聚体(250 μm<粒径<2 000 μm)、微团聚体(53 μm< 粒径<250 μm)和粉+黏粒-有机复合体(粒径<53 μm)4小类[32-33]。

大团聚体以物理保护为主，主要由作物根系、多糖和微生物菌丝体黏结了许多微团聚体后所形成的聚合体所组成[34]，其植物来源的有机碳多、周转较快，而且对农田管理措施响应敏感。而微团聚体以化学保护为主，主要由有机矿质复合体与黏粒结合所组成[34]，其很难分解、周转很慢，有利于长期保存，可以持续保持土壤养分。因此，团聚体分组中的大团聚体上的有机质(MAOM)为土壤活性有机质组分。虽然团聚体分组过程中被分离的物理和化学保护为主的组分的矿物和生物学特点对其影响的程度仍存在很多争议[35]，例如短期内土壤微生物群落组成和生物量占主要作用，长期内矿物特性和植物碳源也许表现出更大的作用[36]，它仍然是一种获得较多同质组分的前处理方法。

1.4 酸碱提取有机质(FA)

20世纪60年代之前，国内外研究者对SOM的研究主要聚焦在腐殖质类物质上，包括对腐殖质的化学元素组成、官能团结构等方面的分析[37-38]。一般来说，基于酸碱溶解度的差异，腐殖质可分为富啡酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)3个组分[39]。FA是酸、碱和水都可以溶解的物质；HA是溶于碱，不溶于酸和水的物质；HM是酸、碱和水都不可以溶解的物质[7]。由于不能完全的浸提和分离这些组分，无论怎样纯化，HA和FA组分都不可能完全是单一的物质，都会混进去一些杂物[12]。

与HA相比，FA富含脂肪族和芳香族结构，分子量较小，芳构化和缩合度较低，由于其带负电荷，它能很好的吸附及融合元素和矿物质到它的分子结构中，对微生物分解具有抗性[40]。 此外，FA具有高反应性，并且可以直接溶解在水中变成酸性溶液，移动性大，对一些土壤的淋溶和沉积有很大作用，可以改善土壤环境， 因此，FA在土壤有机碳固存、养分储存和土壤结构维持中起着重要作用[41]。FA的半衰期(分解一半的某物质需要的时间)为10～50 a，而HA的半衰期长达几百年[42]，由此在长期定位试验中，用FA中的C和N(FAC、FAN)含量指示土壤活性有机碳的变化是可行的，而且可以配合光谱学分析方法，对长期培肥土壤FA特性进行分析，从物质结构的角度了解长期培肥对土壤FA结构演化影响的研究是有一定价值的。

1.5 溶解性有机质(DOM)

依据不同的提取方法，可以获得狭义和广义两种DOM。具体来讲，通过吸杯或渗漏计来提取土壤溶液中能够通过 0.45 μm孔径滤膜的有机质成分为狭义的DOM，其主要来源于土壤中的大孔隙；通过各种提取剂，如水(热水、冷水)和稀盐溶液(硫酸钾等)来提取土壤溶液中能够通过 0.45 μm孔径滤膜的有机质成分为广义的DOM[43]。DOM主要包含如糖类、糖酸、酚类、游离氨基酸及脂肪族有机酸等小分子量物质以及HA和FA等大分子量物质，其主要来源于土壤微小动物、根系分泌液和植物凋落物渗透液等部位[20,44]。

在农田自然湿度土壤中，狭义的土壤DOM占土壤总有机质的0.1%～0.4%，含量一般在200 mg·kg-1，浓度在 0～70 mg·L-1之间[8]。虽然DOM含量很低，但它是土壤微生物分解的活性底物，是有机质中最容易改变的那部分成分，也是矿质营养元素(N、S和P)的基本来源[45]，其在维持生物化学肥力和土壤养分方面起着十分重要的作用[46]。在一定条件下，DOM与其它有机质组分可以相互转化，但它们始终处在动态平衡中[47]。

2 土壤活性有机质的化学组分

化学分组是依据土壤有机质在各种不同的提取剂(水、酸、碱及盐)中的水解性和化学反应特性从而分离出的各种组分。酸水解有机质(Acid hydrolyze organic matter，简称AHOM)中的碳水化合物以及高锰酸钾和重铬酸钾氧化的易氧化有机质(Readily oxidized organic matter，简称ROOM)都属于土壤有机质化学分组的活性有机质组分。

2.1 酸水解有机质(AHOM)

酸(盐酸或硫酸)水解有机质(AHOM)主要分为活性有机质和惰性有机质两个库。酸水解的成分主要有碳水化合物、糖、氨基酸和氨基糖等[48]，没有水解的成分主要是脂肪、木质素、蜡脂、软木脂和树脂等[16]。其中，碳水化合物属于活性有机质组分，它是微生物的主要碳源和能源，并且可以参与土壤团聚体的形成，是土壤质量研究中的重要指标[49]。

用不同种类的酸以及不同浓度的同一种类的酸，提取出的活性有机质组分占土壤总有机质的含量是不一致的。Rovira和Vallejo[50]研究发现，用5 M H2SO4水解提取出的土壤活性有机质占总有机质的22%～45%；而Chan和Heenan[51]研究表明，用1.5 M H2SO4水解可释放出32%～37%的土壤总有机质，利用盐酸可提取30%～87%的土壤总有机质[50,52]；稀酸水解通常提取的碳水化合物含量是热水提取的5～16倍[53-55]， 并且它大约提取了土壤中碳水化合物总量的65%～85%[54]。

2.2 易氧化有机质(ROOM)

能被高浓度(333 mol·L-1)的高锰酸钾(KMnO4)和一定浓度(0.8 mol·L-1或1 mol·L-1)的重铬酸钾(K2Cr2O7)-浓硫酸溶液氧化的有机质均称为ROOM[56]。微碱性的KMnO4能水解和氧化胺基或氨基糖、氨基酸和简单糖类等有机质，但是不能氧化纤维素[20]。K2Cr2O7氧化的有机质测定方法指的是在SOM湿氧化测定法的条件下，降低所需的硫酸浓度和加热条件，例如袁可能[57]提出的用3∶1的K2Cr2O7∶H2SO4在130 ℃～140 ℃加热5 min的测定方法，以及李酉开[58]提出的利用在H2SO4溶液中加入K2Cr2O7产生的热量氧化有机质半小时的水合热测定方法。

土壤ROOM在种植作物时变化最大[59]，其含量约占土壤总有机质的13%～38%[60]，在一定的时间和空间背景下，可以剧烈地影响植物生长和微生物群落，且在土壤中移动速度快、不稳定、容易被氧化和分解[10]。在农田生态系统中，土壤碳库含量的变化主要发生在ROOM中，其对指示SOM的敏感程度大于其它农业变量，能够衡量SOM的早期变化。与土壤总有机质相比，土壤ROOM与土壤有效养分(N、P等)、土壤的物理和化学性质等的关系更密切[21]。

3 土壤活性有机质的生物学组分

近些年来，土壤有机质转化过程中的土壤生物作用越来越引起人们的关注[61-62]。向农田土壤中添加新鲜的有机物质后，土壤中的微生物以这些有机物为食物来源进行快速、大量地繁殖，其结果是微生物生物量显著增加，微生物通过呼吸作用释放的CO2呈指数增加，进而合成更多的新的细胞外有机物，这就是矿化过程[16]。生物学分组的方法，就是通过一些生物方法测定已经矿化的生物与被矿化的有机残体的生物量的差值，或是将土壤中的有机质作为反应底物来间接推断土壤生物可利用的有机质含量[16]，常见的生物学组分的土壤活性有机质包括微生物生物量碳、氮(Microbial biomass carbon and nitrogen，简称MBC、MBN)和潜在可矿化碳、氮(Potentially mineralizable carbon and nitrogen，简称PMC、PMN)。

3.1 微生物生物量碳和氮(MBC和MBN)

土壤微生物生物量是指土壤中体积小于5×103μm3的有生命活性的土壤微动物体内、细菌、真菌和藻类所含的有机质，是土壤有机质中变化最快、活性最大的那部分有机质[63]。用MBC和MBN所表征的土壤质量称为土壤的生物学质量，MBC和MBN约占土壤总有机质的1%～3%[64]，最大比例可达到9%，但是一般不会超过10%[65]。MBC和MBN虽然含量不高，但是其对土壤周围环境因子的变化灵敏性极高，环境因子的微小变化就会引起其活性的大幅度变化，并且它也是土壤养分(N、P、K等)的驱动力，对养分循环有重要的指示意义。因此，MBC和MBN是衡量土壤碳库和氮库平衡，保持土壤化学、生物化学肥力以及评价土壤质量的重要指标[66-67]。

3.2 潜在可矿化碳和氮(PMC和PMN)

PMC又被称为生物降解碳，通过测定CO2的矿化量或专性呼吸速率(微生物分解有机物质时每单位微生物量所产生的CO2量，简称qCO2)来获得土壤PMC的含量[45]。qCO2值越小表明土壤微生物可以更高效率地利用有机碳，从而说明土壤中可被利用的碳源越多[68]。测定PMC的方法有多种，如平板计数法、成份分析法、底物诱导呼吸法和土壤培养法等[69]。目前，通常采用土壤培养法[70-71]进行测定，主要原理就是在密闭可抽气的容器内，培养保持田间持水量的土壤，培养过程中微生物分解有机碳释放出CO2，这部分CO2含量可以用滴定、电导、远红外分析仪和气相色谱的方法检测，从而计算出潜在可矿化碳量。在实际操作中，一定要注意培养时的温度、水分含量、容器的密闭性以及培养的持续时间和测量间隔等[72]，这些因素是实验成功的先决条件。

PMN是提供作物氮素营养的重要指标，它反映的是土壤氮素的生物有效性[73]，在作物不施肥的条件下，作物可利用的土壤氮素除最初的矿质氮外，主要就是PMN[74]。PMN可以在封闭或开放的培养系统中进行测量。封闭培养与PMC的培养方法相同，可同时测量可矿化的C和N，在培养前和培养后测量土壤中可交换(用2 mol·L-1KCl提取)的矿质氮(铵态氮和硝态氮)的含量，最终通过差减法计算PMN的含量[75]。在开放式培养中，通常将土壤与沙子混合(以保持孔隙率和水力传导性)，并在浸出柱中培养8～30周[76]，定期用0.01 M CaCl2浸提土壤，并测量渗滤液中的铵态氮和硝态氮含量，每次浸出后均添加无氮营养液(用无氮营养液淋洗土壤可以平衡土壤其他养分的供应，进而维持微生物活性)，然后将土壤排干至已知的张力并重新培养。 实验室短期厌氧(淹水)和田间培养系统都可以测定PMN[72]，这种方法能够很好地模拟淹水土壤的水分状况，并且培养过程中的通气和严格的水分控制条件均不需要考虑[77]。近年来，开放式培养系统比封闭式系统更受欢迎，因为多数研究者认为，开放式培养系统可模拟植物摄取持续去除矿化的铵态氮和硝态氮的效果， 它的缺点是与短期封闭培养相比非常耗时[8]。

一般来说，PMC和PMN占土壤总有机质的比例为0.8%～12%[78]。PMC和PMN与其他的土壤活性质组分(如LFOM、DOM、MBC和MBN)有正相关的关系，其原因是LFOM、DOM、MBC和MBN可能是微生物分解的底物[8]。Franzluebbers等[79]研究发现，当常规耕作转化为免耕或轮作中使用牧草和长期施肥时，PMC与DOM、MBC二种活性有机质呈正相关，并且PMC是一种比总有机碳更敏感的指标。

土壤PMC和PMN反映的是土壤中能被矿化部分的有机碳和氮，它的矿化速率不仅限定了土壤养分的含量，而且直接影响了温室气体的排放、土壤营养元素的供应与释放以及土壤肥力的维持等方面。综上可见，PMC和PMN是表示土壤肥力高低、土壤微生物活性大小[21]、耕作时间长短和环境是否可持续性的指标，其高值反映发酵微生物群落的活性，低值反映稳态土著性微生物群落的活性[80-81]。因此，测定分析土壤PMC和PMN的含量和性质对有效管理土壤养分和科学控制全球气候变暖具有重要的现实意义[82]。

4 土壤活性有机质的联合分组组分

21世纪初，Six等[33,35]对土壤有机质的单一分组进行整合，提出了更有实用价值的团聚体-密度分组和物理-化学联合分组方法，其中，团聚体-密度分组中的游离态团聚体有机质以及物理-化学联合分组中的游离活性有机质和物理保护有机质都属于土壤活性有机质的组分。

4.1 游离态团聚体有机质(fPOM)

Six等[33]对原有的物理分组方法进行改进，将团聚体分组和密度分组相结合，成功而又有效地分离出了存在于大团聚体中的微团聚体内部的闭蓄态团聚体(iPOM)和存在于大团聚体内部但不存在于微团聚体内部的游离态团聚体(fPOM)两种组分，其中fPOM为土壤有机质的活性成分。主要测定过程是：首先，通过物理分组的团聚体分组方法分离出不同粒级的团聚体；其次，通过物理分组的密度分组法分离出轻组和重组有机质成分；最后，用六偏磷酸钠分散重组成分，振荡后过53 μm 筛子，留在筛子上的为iPOM。团聚体-密度联合分组方法可以实际地反映一部分有机质在土壤中的转化过程和土壤质量的恢复过程，这种分组方法被研究者们广泛采纳和接收[26]。

4.2 游离活性有机质(cPOM、fPOM)和物理保护有机质(iPOM)

Six等[35]和Stewart等[83-84]将土壤有机质物理分组方法和土壤有机质稳定机制联合起来，进一步引入化学分组方法。此方法包括密度浮选、玻璃珠分散和酸性水解等技术手段，利用物理-化学联合分组方法，将土壤有机质分为物理保护有机质(iPOM)、化学保护有机质(H-dSilt、H-dClay、H-μSilt、H-μClay)、生物化学保护有机质(NH-dSilt、NH-dClay、NH-μSilt、NH-μClay)和非保护有机质(游离活性有机质，cPOM和fPOM)4类(图1)。这种分组方式包括了土壤有机质的各种稳定机制，越来越引起研究者的聚焦。

图1 土壤物理-化学联合分组流程[35,83-84]Fig.1 The combined grouping process of soil physics-chemistry[35,83-84]

在上述所有土壤有机质中，游离活性有机质和物理保护有机质具有短的周转时间、快速的分解速度，其对施肥等农业措施响应敏感，因此，这两个库是土壤有机质的活性组分，可以指示土壤碳库的短期变化。化学保护有机质和生物化学保护有机质对农业措施的反应很缓慢、分解速度慢、周转时间长，它们属于惰性有机质组分，可以预测土壤碳库是否饱和[35,83]。

5 结语与展望

目前，在迫切发展可持续农业的背景下，如何应用对提高土壤生产力和减少土壤退化有真正促进作用的切实可行的农田管理措施是一个很大的挑战[85-86]。现有的农田管理措施，以及自然环境中的温度升高都对农田土壤有机质的数量和质量上的损失造成巨大影响。因此，有必要对土壤质量有早期指示作用的土壤活性有机碳组分开展深入研究，以快速解读土壤生产力的变化。根据国内外研究的具体成果，我们基于有机质分解的时间长短以及分解的难易程度对土壤活性有机质组分的分类进行了总结(图2)。

图2 土壤活性有机质组分分类Fig.2 Classification of soil labile organic matter components

但是，至今为止，可分解和难分解有机质的区分并不很明确，仍存在很大争议[87]。而且，由于土壤有机质本身成分的复杂性，单独研究某一种或某些种组分是有局限性的，主要表现为：(1)土壤活性有机质的物理组分的空间异质性很大；(2)化学组分不同程度地破坏了分子的内部结构；(3)生物学组分所需的培养时间长，且培养条件很难在各个时期都保持完全一致；(4)物理-化学联合分组的组分，虽然避免了物理组分和生物学组分的弊端，但是其对土样进行酸解时还是使用了酸溶液，不可避免地会破坏分子结构[88-89]。因此，今后的研究中，应联合使用不同的分组方法，多角度全方位地解析土壤质量的变化特征。

此外，由于分析方法不统一和试验外部条件控制不同等原因，土壤活性有机质组分的数量测定结果总会在一定程度上存在不确定性和难比较性，这时需要用一些测定分子内部结构的技术来验证和补充测定的结果。土壤有机质的光谱分析技术，如紫外-可见吸收光谱、傅里叶变换红外光谱、三维荧光光谱和固体核磁共振碳谱均能够很好的解析其质量的变化规律。但是，单一的光谱分析技术也有局限性，应结合不同种类的光谱分析方法共同全面地验证土壤活性有机质的变化。土壤活性有机质组分的数量和质量相结合的分析方法，有望成为今后研究土壤活性有机质的未来趋势和焦点。