土壤活性有機(jī)碳分組及測(cè)定方法

胡海清，陸 昕，孫 龍

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱150040)

土壤是僅次于海洋的全球第二大有機(jī)碳庫，是地球陸地碳庫的主要組成部分，作為碳的源或匯，影響著大氣中CO2的濃度變化，在全球碳循環(huán)中起著非常重要的作用［1］。當(dāng)前，土壤質(zhì)量越來越受到關(guān)注，土壤有機(jī)碳作為衡量土壤質(zhì)量高低的重要指標(biāo)，已成為進(jìn)行森林可持續(xù)經(jīng)營可參考的重要依據(jù)之一。同時(shí)，土壤有機(jī)碳又是土壤質(zhì)量的核心［2］，其質(zhì)量和數(shù)量影響著土壤的物理、化學(xué)和生物特征及其過程，影響和控制著植物初級(jí)生產(chǎn)量，是土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，在維持森林立地生產(chǎn)力以及全球碳平衡過程中起重要作用［3］。土壤有機(jī)碳在數(shù)量上百分之幾的變化，雖然不能對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生顯著的影響，但是對(duì)大氣CO2濃度而言，全球土壤有機(jī)碳5%的變化，其數(shù)量已經(jīng)超過目前全球人為CO2總排放量。

土壤活性碳組分通?？捎萌芙庑杂袡C(jī)碳、微生物量碳、可礦化碳、輕組有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳等來進(jìn)行表征［4］。雖然它只占土壤有機(jī)碳總量的較小部分，卻直接參與土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。因而，對(duì)土壤碳庫平衡和土壤化學(xué)、生物化學(xué)肥力保持具有重要意義［5］。這部分的土壤有機(jī)碳的活性部分是指示土壤有機(jī)碳狀態(tài)、同時(shí)反映土壤碳庫動(dòng)態(tài)的較有用的敏感性指標(biāo)［6－7］。近年來，土壤活性有機(jī)碳已成為土壤、環(huán)境和生態(tài)科學(xué)領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)。研究土壤活性有機(jī)碳庫的動(dòng)態(tài)變化過程，首先要對(duì)土壤有機(jī)碳庫進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定土壤活性有機(jī)碳組分的方法很多，包括物理、化學(xué)和微生物學(xué)方法。本文就目前國內(nèi)外土壤活性有機(jī)組分常用測(cè)定方法、適用范圍及存在問題等進(jìn)行較為深入的分析。

1 土壤活性有機(jī)碳組分表征

1.1 溶解性有機(jī)碳 (DOC)

土壤溶解性有機(jī)碳是指能通過孔徑為0.45μm的濾膜的大小和結(jié)構(gòu)不同的有機(jī)分子［8］。溶解性有機(jī)碳主要由碳水化合物、蛋白質(zhì)、長鏈脂肪族化合物和大分子的腐殖質(zhì)組成。國內(nèi)外的研究中一般認(rèn)為，溶解性有機(jī)碳主要的來源是植物凋落物、土壤腐殖質(zhì)、微生物和根系及其分泌物等與土壤有機(jī)碳和土壤微生物量碳有較好的相關(guān)性的物質(zhì)［9］。土壤溶解性碳的含量不超過200mg/kg，占土壤有機(jī)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之間［10］，但是它是土壤微生物的主要能源，在提供土壤養(yǎng)分方面具有重要的作用［11］，同時(shí)也有研究表明，溶解性有機(jī)碳對(duì)水酸化、有毒金屬與有機(jī)污染物移動(dòng)、水與土壤中養(yǎng)分有效性都有重要影響，同時(shí)它也是有機(jī)生物的重要能源［12］。

1.2 微生物量碳 (SMBC )

微生物在地球生態(tài)系統(tǒng)中起著最終分解者的作用。土壤在微生物的作用下不斷地釋放含碳、氮?dú)怏w，如CO2、CH4、N2O等溫室氣體，是導(dǎo)致全球氣候變化的主要原因。土壤微生物生物量是指除了植物根系和體積大于5×103μm3的土壤動(dòng)物以外的土壤中所有活的微生物總量，是活的土壤有機(jī)質(zhì)部分，主要的生物類群為細(xì)菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物等，是土壤有機(jī)質(zhì)中最活躍的部分［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庫中所占比例很小，一般只占土壤有機(jī)碳總量的1% ～4%［14］，但是對(duì)土壤有效養(yǎng)分而言，卻是一個(gè)很大的給源和庫存。它既可以在土壤全碳變化之間反映土壤微小的變化，又直接或間接參與了土壤生物化學(xué)轉(zhuǎn)化過程，同時(shí)自身的周轉(zhuǎn)速率也較快，因此，微生物量碳在土壤肥力和植物營養(yǎng)中具有重要的作用。當(dāng)前隨著全球碳循環(huán)問題受到廣泛關(guān)注，微生物量碳特別是森林土壤微生物量碳日益引起人們的重視。

1.3 可礦化碳 (PMC)

可礦化碳是采用微生物學(xué)的方法測(cè)定的一種土壤活性有機(jī)碳?？傻V化碳又稱生物降解碳或生理生態(tài)指數(shù) (專性呼吸率，代謝呼吸率)，是微生物分解有機(jī)物質(zhì)過程中每單位微生物量產(chǎn)生的CO2量，同時(shí)是對(duì)微生物分解土壤有機(jī)物質(zhì)的衡量指標(biāo)［4］。土壤礦化與土壤分解過程密切相關(guān)，根據(jù)有機(jī)碳礦化釋放CO2的數(shù)量與強(qiáng)度可以評(píng)價(jià)環(huán)境因素或土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳分解的影響［15］，同時(shí)可以廣泛地評(píng)估土壤微生物活性。

1.4 輕組有機(jī)碳 (LFOC)

利用密度分組技術(shù)可以將土壤有機(jī)質(zhì)分成輕組和重組。Greenland等把土壤密度 (2.0g·cm－3)的組分定義為輕組有機(jī)碳。輕組有機(jī)碳主要是游離態(tài)的有機(jī)質(zhì)，包括可識(shí)別的處于不同分解階段的植物殘?bào)w (包括孢子、種子等)、小的動(dòng)物和微生物［16］。輕組有機(jī)碳僅占土壤質(zhì)量的一小部分，但是輕組的碳含量一般顯著高于全土［17］。同時(shí)輕組有機(jī)碳分解率高，周轉(zhuǎn)期短，周轉(zhuǎn)速度快，是土壤養(yǎng)分的短期儲(chǔ)存庫［18］。一般來說，輕組有機(jī)碳具有明顯的季節(jié)動(dòng)態(tài)［19］，并且易受到環(huán)境因素的影響，比如土地利用方式發(fā)生改變會(huì)影響輕組有機(jī)碳的含量等［20－22］。輕組有機(jī)碳對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能具有重要作用，是有機(jī)物的能源物質(zhì)和植物養(yǎng)分的匯，同時(shí)輕組碳具有較高的土壤生物活性，能體現(xiàn)土壤碳的活性，在土壤有關(guān)研究中受到很大的重視。

1.5 顆粒有機(jī)碳 (POC)

在土壤活性有機(jī)碳研究中，土壤顆粒有機(jī)碳逐漸成為研究者關(guān)注的重點(diǎn)［23］，根據(jù)粒徑分級(jí)方法，可以把在土壤中與沙粒結(jié)合的有機(jī)碳稱為顆粒有機(jī)碳。顆粒有機(jī)碳由與沙粒結(jié)合的植物殘?bào)w分解產(chǎn)物和微生物體組成，其結(jié)構(gòu)和組成與輕組有機(jī)質(zhì)相同，性質(zhì)相似，且顆粒有機(jī)碳與輕組有機(jī)碳之間有較高的相關(guān)性［24］，并且都屬于粗有機(jī)質(zhì)［25］。有的學(xué)者認(rèn)為，土壤顆粒態(tài)有機(jī)碳是介于半分解動(dòng)植物體和通過腐殖化的有機(jī)質(zhì)之間的過渡態(tài)有機(jī)碳庫，直接受凋落物及枯枝根系的腐殖化程度影響［26］。有研究表明，土壤顆粒有機(jī)碳轉(zhuǎn)移比較快，一般5～20a，較土壤總有機(jī)碳更容易受到土地利用方式轉(zhuǎn)變和土壤管理措施的影響。

2 測(cè)定方法

2.1 溶解性有機(jī)碳

溶解性有機(jī)碳的測(cè)定通常采用Liang［27］的測(cè)定方法，即將一定量新鮮土樣用鹽溶液提取 (土液比一般為1∶5)后，用0.45μm濾膜抽濾，濾液在碳氮分析儀上測(cè)定［28］。其原理是用碳氮自動(dòng)分析儀先低溫蒸干土壤提取液水分，然后高溫氧化燃燒，測(cè)定產(chǎn)生的CO2量，即求得溶解性有機(jī)碳的量。由于溶解性有機(jī)碳實(shí)際上就是指能夠通過浸提溶解在浸提液中的那一部分有機(jī)碳，因此測(cè)定含量時(shí)所用浸提液不同，也就有不同的結(jié)果。不同研究目的實(shí)驗(yàn)所使用的浸提劑也有所不同，通常采用的提取劑鹽溶液有 CaCl2、KCl、K2SO4等［29］。

2.2 微生物量碳

對(duì)于土壤微生物量的測(cè)定方法，國外許多學(xué)者進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，但由于土壤微生物的多樣性和復(fù)雜性，還未發(fā)現(xiàn)一種準(zhǔn)確快速并且簡(jiǎn)單的方法。在最初的研究中，使用傳統(tǒng)的方法來測(cè)量微生物量碳，即直接觀測(cè)一定面積上的微生物，根據(jù)數(shù)量、大小、密度以及干物質(zhì)量，計(jì)算其生物量。這種方法存在一定的缺點(diǎn)，比如計(jì)數(shù)比較困難、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等，目前已經(jīng)很少有人用這種方法來測(cè)量土壤微生物量。目前廣泛采用的方法包括基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸法 (SIR)、氯仿薰蒸培養(yǎng)法 (FI)、氯仿薰蒸浸提法 (FE)、精氨酸誘導(dǎo)氨化法和三磷酸腺苷法(ATP)等。

Anederson和Domsch等于1978年［30］提出了基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸法。他們經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，如果向土壤中加入足夠量的葡萄糖，使生物量酶系統(tǒng)達(dá)到飽和時(shí)，CO2釋放量迅速增大，并能持續(xù)幾個(gè)小不發(fā)生變化，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，CO2釋放率與生物量的大小呈線性相關(guān)，此時(shí)的土壤呼吸量為誘導(dǎo)呼吸量。此時(shí)以薰蒸培養(yǎng)或薰蒸浸提方法測(cè)定微生物量碳為標(biāo)準(zhǔn)，將誘導(dǎo)CO2呼吸量轉(zhuǎn)化為微生物碳。據(jù)此，可以快速測(cè)定土壤微生物量。雖然該方法適用的土壤范圍比較寬，但受土壤pH值及含水量的影響較大［30］。

Alef等［31］于1986年發(fā)現(xiàn)土壤中的細(xì)菌能夠利用氨基酸，做為碳和氮的來源，并提出了精氨酸誘導(dǎo)氨化法。該方法的原理與基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸法的原理相似。向土壤中加入精氨酸水溶液，培養(yǎng)一段時(shí)間后，測(cè)定浸提液中的NH4+－N的含量，就可以估計(jì)土壤微生物量。國內(nèi)有研究發(fā)現(xiàn)，浸提液中的精氨酸會(huì)干擾銨的比色分析，所以應(yīng)盡量減少精氨酸用量［32］。

測(cè)定土壤微生物量碳還可以采用生物化學(xué)的方法。不同生物體的細(xì)胞壁和原生質(zhì)的組成成分也是不同的，通過測(cè)量土壤中某種特有成分的含量，就能計(jì)算出土壤中微生物量。根據(jù)這個(gè)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。該方法的基本過程為，在測(cè)定的過程中破壞微生物的細(xì)胞，使其釋放所含的ATP，然后用適當(dāng)?shù)奶崛∫航?，浸提液?jīng)過濾，用光素－熒光素酶法測(cè)定其中的ATP量，然后將ATP量換算成土壤微生物量。土壤微生物的ATP含量一般采用6.2μmol/g微生物干物質(zhì)，相當(dāng)于Cmic/ATP 比值約為 138［35］。

Jenkison 和 Powloson［36］于 1976 年提出氯仿薰蒸培養(yǎng)法，即土壤用氯仿熏蒸后，在好氧條件下進(jìn)行培養(yǎng)一段時(shí)間后，測(cè)定培養(yǎng)期間CO2的釋放量，根據(jù)熏蒸與未熏蒸土樣釋放CO2量的差值，計(jì)算土壤微生物量碳。微生物量碳 (B c)用下面公式計(jì)算:

式中:F c為熏蒸與不熏蒸土壤在培養(yǎng)期間CO2釋放量的差值;K c為熏蒸殺死的微生物量中的碳在培養(yǎng)過程中被分解，并以CO2釋放出來的比例，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的測(cè)定［37－38］，而 Vance 等［39］首次將該方法用于測(cè)定微生物量碳，即土壤經(jīng)過氯仿熏蒸后直接浸提碳含量，并測(cè)定生物量碳。測(cè)定后根據(jù)與熏蒸培養(yǎng)方法所測(cè)定的微生物量碳之間的關(guān)系，來計(jì)算土壤微生物量碳:

式中:E c為熏蒸與不熏蒸土壤K2SO4提取碳的差值;K為熏蒸殺死的微生物量中的C被K2SO4提取出來的比例。

與氯仿熏蒸培養(yǎng)法相比，氯仿熏蒸浸提法是目前較成熟的方法，更簡(jiǎn)單、快速，并且測(cè)定結(jié)果重復(fù)性較好，適于大批樣品的測(cè)定，一次提取，可同時(shí)測(cè)定微生物量碳。氯仿熏蒸浸提法已成為國內(nèi)外最常用的測(cè)定土壤微生物量的方法。盡管已經(jīng)有以上的土壤微生物量的研究方法，但是每種方法各有其優(yōu)、缺點(diǎn)和適用的范圍及條件，一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備和條件，以及研究的目的選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法。

2.3 可礦化碳

受研究方法所限，目前人們還無法在現(xiàn)地直接測(cè)定土壤有機(jī)碳礦化速率的變化，常通過測(cè)定土壤潛在的碳礦化，了解干擾對(duì)土壤碳礦化速率的影響，即測(cè)量每單位微生物量產(chǎn)生的CO2量。土壤潛在有機(jī)碳礦化的測(cè)定常常采用國際上通用的短期土壤培養(yǎng)法進(jìn)行測(cè)定［40－44］:取一定量的土壤樣品，放入密封容器中，保持田間持水量，容器中放入裝有氫氧化鈉的可吸收CO2的小燒杯中，培養(yǎng)一段時(shí)間后，再用稀鹽酸溶液滴定氫氧化鈉，即可根據(jù)所消耗的鹽酸量求得土壤可礦化碳。在土壤可礦化碳的測(cè)量過程中，要求實(shí)驗(yàn)用土壤樣品所處環(huán)境密封條件良好，并且要嚴(yán)格控制培養(yǎng)過程中的溫度和濕度。

2.4 輕組有機(jī)碳

土壤輕組有機(jī)碳測(cè)定過程中的關(guān)鍵是分離技術(shù)，目前國內(nèi)外多采用比重分組技術(shù)，即根據(jù)土壤在一定比重溶液中的沉降將其分作輕組和重組土壤，它們中的有機(jī)碳被分別稱作輕組有機(jī)碳和重組有機(jī)碳［17，45］。目前認(rèn)為以硫酸鎂、溴化鉀、碘化鈉和聚鎢酸鈉作為相對(duì)密度液為最佳，國外目前應(yīng)用較多的密度液是碘化鈉，近年來，對(duì)密度液的改進(jìn)一直是各研究的主要內(nèi)容之一。輕組有機(jī)碳的分離過程一般為:土壤樣品風(fēng)干后，通過孔徑為2 mm的土壤篩，稱取過篩后土壤放置于一定體積的比重 (1.6～2.5 g/cm3)溶液中，經(jīng)攪拌、震蕩或者超聲波等方法使土壤分散，經(jīng)過離心或者一定時(shí)間的靜置以后，將上層懸浮部分用虹吸法或傾倒法與下層沉淀 (重組)分離、過濾，用無機(jī)鹽溶液洗滌 (通常為CaCl2溶液)分離出來的輕組部分，并反復(fù)用去離子水沖洗，然后烘干、稱重。上述過程一般重復(fù)2～3次，多次分離的輕組之和即為輕組的數(shù)量［46－48］。

2.5 顆粒有機(jī)碳

土壤有機(jī)碳的顆粒大小測(cè)定方法是在土壤顆粒分級(jí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。土壤顆粒有機(jī)碳的測(cè)定一般采用六偏磷酸鈉分離方法?；具^程為:取一定量的風(fēng)干土壤樣品，加入 (NaPO3)6溶液，長時(shí)間震蕩后，土壤懸液過53 pm篩，反復(fù)用蒸餾水沖洗。將篩子殘留物烘干、稱重，計(jì)算這些部分占整個(gè)土壤樣品質(zhì)量的比例;再分析烘干樣品中有機(jī)碳含量，根據(jù)計(jì)算的比例和有機(jī)碳含量，計(jì)算顆粒有機(jī)碳在整個(gè)樣品中含量［49］。

3 結(jié)束語

目前，關(guān)于土壤有機(jī)碳的分組已經(jīng)做了大量的研究，但是在土壤活性有機(jī)碳的測(cè)定過程中，由于研究目的、實(shí)驗(yàn)條件以及使用測(cè)定方法的不同，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有一定的差異。目前在土壤微生物量碳測(cè)定時(shí)，通常使用氯仿熏蒸法，但是這種方法存在一定的缺陷，有效性指標(biāo)容易受到環(huán)境變化的影響;潛在可礦化碳的測(cè)定方法也很多，有野外測(cè)定也有儀器分析法，這些方法各有特點(diǎn)，但目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)法是最常用的測(cè)定方法;輕組有機(jī)碳測(cè)定時(shí)常使用相對(duì)密度法，但是相關(guān)研究很少，還不能嚴(yán)格地區(qū)分輕組和重組有機(jī)碳，同時(shí)，還沒有找到一種在毒性、價(jià)格等方面相對(duì)理想的密度液，所以該方法還存在一定的局限性;顆粒有機(jī)碳的測(cè)定一般采用六偏磷酸鈉分離方法，該方法比較簡(jiǎn)單，易展開實(shí)驗(yàn)，但是顆粒大小分組、樣品如何處理等問題上仍存爭(zhēng)議。在今后的工作中，關(guān)于土壤活性有機(jī)碳組分的一些重點(diǎn)問題還需要深入的研究:

(1)使用先進(jìn)的儀器、設(shè)備，如紅外光譜核磁共振和同位素示蹤等方法，精確地研究土壤有機(jī)碳活性組分的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，以更加詳細(xì)、準(zhǔn)確地描述活性組分的表征;

(2)土壤有機(jī)碳的分組仍缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)更加準(zhǔn)確地對(duì)土壤活性碳組分進(jìn)行定量描述，使各個(gè)組分的概念進(jìn)一步統(tǒng)一;

(3)如何確定統(tǒng)一的測(cè)定方法將是未來工作的重點(diǎn)，應(yīng)著重完善土壤活性碳組分的測(cè)定方法，使其規(guī)范化、系統(tǒng)化。

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