土壤活性有機碳分組及測定方法

胡海清，陸 昕，孫 龍

(東北林業大學林學院，哈爾濱150040)

土壤是僅次于海洋的全球第二大有機碳庫，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，在全球碳循環中起著非常重要的作用［1］。當前，土壤質量越來越受到關注，土壤有機碳作為衡量土壤質量高低的重要指標，已成為進行森林可持續經營可參考的重要依據之一。同時，土壤有機碳又是土壤質量的核心［2］，其質量和數量影響著土壤的物理、化學和生物特征及其過程，影響和控制著植物初級生產量，是土壤質量評價的重要指標，在維持森林立地生產力以及全球碳平衡過程中起重要作用［3］。土壤有機碳在數量上百分之幾的變化，雖然不能對土壤質量產生顯著的影響，但是對大氣CO2濃度而言，全球土壤有機碳5%的變化，其數量已經超過目前全球人為CO2總排放量。

土壤活性碳組分通常可用溶解性有機碳、微生物量碳、可礦化碳、輕組有機碳、顆粒有機碳等來進行表征［4］。雖然它只占土壤有機碳總量的較小部分，卻直接參與土壤生物化學轉化過程。因而，對土壤碳庫平衡和土壤化學、生物化學肥力保持具有重要意義［5］。這部分的土壤有機碳的活性部分是指示土壤有機碳狀態、同時反映土壤碳庫動態的較有用的敏感性指標［6－7］。近年來，土壤活性有機碳已成為土壤、環境和生態科學領域所關注的焦點和研究的熱點。研究土壤活性有機碳庫的動態變化過程，首先要對土壤有機碳庫進行測定。測定土壤活性有機碳組分的方法很多，包括物理、化學和微生物學方法。本文就目前國內外土壤活性有機組分常用測定方法、適用范圍及存在問題等進行較為深入的分析。

1 土壤活性有機碳組分表征

1.1 溶解性有機碳 (DOC)

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

1.2 微生物量碳 (SMBC )

微生物在地球生態系統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、氮氣體，如CO2、CH4、N2O等溫室氣體，是導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的土壤動物以外的土壤中所有活的微生物總量，是活的土壤有機質部分，主要的生物類群為細菌、真菌、藻類和原生動物等，是土壤有機質中最活躍的部分［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，一般只占土壤有機碳總量的1% ～4%［14］，但是對土壤有效養分而言，卻是一個很大的給源和庫存。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轉化過程，同時自身的周轉速率也較快，因此，微生物量碳在土壤肥力和植物營養中具有重要的作用。當前隨著全球碳循環問題受到廣泛關注，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的方法測定的一種土壤活性有機碳。可礦化碳又稱生物降解碳或生理生態指數 (專性呼吸率，代謝呼吸率)，是微生物分解有機物質過程中每單位微生物量產生的CO2量，同時是對微生物分解土壤有機物質的衡量指標［4］。土壤礦化與土壤分解過程密切相關，根據有機碳礦化釋放CO2的數量與強度可以評價環境因素或土地利用變化對土壤有機碳分解的影響［15］，同時可以廣泛地評估土壤微生物活性。

1.4 輕組有機碳 (LFOC)

利用密度分組技術可以將土壤有機質分成輕組和重組。Greenland等把土壤密度 (2.0g·cm－3)的組分定義為輕組有機碳。輕組有機碳主要是游離態的有機質，包括可識別的處于不同分解階段的植物殘體 (包括孢子、種子等)、小的動物和微生物［16］。輕組有機碳僅占土壤質量的一小部分，但是輕組的碳含量一般顯著高于全土［17］。同時輕組有機碳分解率高，周轉期短，周轉速度快，是土壤養分的短期儲存庫［18］。一般來說，輕組有機碳具有明顯的季節動態［19］，并且易受到環境因素的影響，比如土地利用方式發生改變會影響輕組有機碳的含量等［20－22］。輕組有機碳對土壤生態系統結構和功能具有重要作用，是有機物的能源物質和植物養分的匯，同時輕組碳具有較高的土壤生物活性，能體現土壤碳的活性，在土壤有關研究中受到很大的重視。

1.5 顆粒有機碳 (POC)

在土壤活性有機碳研究中，土壤顆粒有機碳逐漸成為研究者關注的重點［23］，根據粒徑分級方法，可以把在土壤中與沙粒結合的有機碳稱為顆粒有機碳。顆粒有機碳由與沙粒結合的植物殘體分解產物和微生物體組成，其結構和組成與輕組有機質相同，性質相似，且顆粒有機碳與輕組有機碳之間有較高的相關性［24］，并且都屬于粗有機質［25］。有的學者認為，土壤顆粒態有機碳是介于半分解動植物體和通過腐殖化的有機質之間的過渡態有機碳庫，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，土壤顆粒有機碳轉移比較快，一般5～20a，較土壤總有機碳更容易受到土地利用方式轉變和土壤管理措施的影響。

2 測定方法

2.1 溶解性有機碳

溶解性有機碳的測定通常采用Liang［27］的測定方法，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定［28］。其原理是用碳氮自動分析儀先低溫蒸干土壤提取液水分，然后高溫氧化燃燒，測定產生的CO2量，即求得溶解性有機碳的量。由于溶解性有機碳實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碳，因此測定含量時所用浸提液不同，也就有不同的結果。不同研究目的實驗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

對于土壤微生物量的測定方法，國外許多學者進行了比較系統的研究，但由于土壤微生物的多樣性和復雜性，還未發現一種準確快速并且簡單的方法。在最初的研究中，使用傳統的方法來測量微生物量碳，即直接觀測一定面積上的微生物，根據數量、大小、密度以及干物質量，計算其生物量。這種方法存在一定的缺點，比如計數比較困難、費時費力等，目前已經很少有人用這種方法來測量土壤微生物量。目前廣泛采用的方法包括基質誘導呼吸法 (SIR)、氯仿薰蒸培養法 (FI)、氯仿薰蒸浸提法 (FE)、精氨酸誘導氨化法和三磷酸腺苷法(ATP)等。

Anederson和Domsch等于1978年［30］提出了基質誘導呼吸法。他們經研究發現，如果向土壤中加入足夠量的葡萄糖，使生物量酶系統達到飽和時，CO2釋放量迅速增大，并能持續幾個小不發生變化，同時還發現，CO2釋放率與生物量的大小呈線性相關，此時的土壤呼吸量為誘導呼吸量。此時以薰蒸培養或薰蒸浸提方法測定微生物量碳為標準，將誘導CO2呼吸量轉化為微生物碳。據此，可以快速測定土壤微生物量。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年發現土壤中的細菌能夠利用氨基酸，做為碳和氮的來源，并提出了精氨酸誘導氨化法。該方法的原理與基質誘導呼吸法的原理相似。向土壤中加入精氨酸水溶液，培養一段時間后，測定浸提液中的NH4+－N的含量，就可以估計土壤微生物量。國內有研究發現，浸提液中的精氨酸會干擾銨的比色分析，所以應盡量減少精氨酸用量［32］。

測定土壤微生物量碳還可以采用生物化學的方法。不同生物體的細胞壁和原生質的組成成分也是不同的，通過測量土壤中某種特有成分的含量，就能計算出土壤中微生物量。根據這個原理，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，在測定的過程中破壞微生物的細胞，使其釋放所含的ATP，然后用適當的提取液浸提，浸提液經過濾，用光素－熒光素酶法測定其中的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，相當于Cmic/ATP 比值約為 138［35］。

Jenkison 和 Powloson［36］于 1976 年提出氯仿薰蒸培養法，即土壤用氯仿熏蒸后，在好氧條件下進行培養一段時間后，測定培養期間CO2的釋放量，根據熏蒸與未熏蒸土樣釋放CO2量的差值，計算土壤微生物量碳。微生物量碳 (B c)用下面公式計算:

式中:F c為熏蒸與不熏蒸土壤在培養期間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的測定［37－38］，而 Vance 等［39］首次將該方法用于測定微生物量碳，即土壤經過氯仿熏蒸后直接浸提碳含量，并測定生物量碳。測定后根據與熏蒸培養方法所測定的微生物量碳之間的關系，來計算土壤微生物量碳:

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。

與氯仿熏蒸培養法相比，氯仿熏蒸浸提法是目前較成熟的方法，更簡單、快速，并且測定結果重復性較好，適于大批樣品的測定，一次提取，可同時測定微生物量碳。氯仿熏蒸浸提法已成為國內外最常用的測定土壤微生物量的方法。盡管已經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、缺點和適用的范圍及條件，一般根據實驗室的儀器設備和條件，以及研究的目的選擇合適的實驗方法。

2.3 可礦化碳

受研究方法所限，目前人們還無法在現地直接測定土壤有機碳礦化速率的變化，常通過測定土壤潛在的碳礦化，了解干擾對土壤碳礦化速率的影響，即測量每單位微生物量產生的CO2量。土壤潛在有機碳礦化的測定常常采用國際上通用的短期土壤培養法進行測定［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，培養一段時間后，再用稀鹽酸溶液滴定氫氧化鈉，即可根據所消耗的鹽酸量求得土壤可礦化碳。在土壤可礦化碳的測量過程中，要求實驗用土壤樣品所處環境密封條件良好，并且要嚴格控制培養過程中的溫度和濕度。

2.4 輕組有機碳

土壤輕組有機碳測定過程中的關鍵是分離技術，目前國內外多采用比重分組技術，即根據土壤在一定比重溶液中的沉降將其分作輕組和重組土壤，它們中的有機碳被分別稱作輕組有機碳和重組有機碳［17，45］。目前認為以硫酸鎂、溴化鉀、碘化鈉和聚鎢酸鈉作為相對密度液為最佳，國外目前應用較多的密度液是碘化鈉，近年來，對密度液的改進一直是各研究的主要內容之一。輕組有機碳的分離過程一般為:土壤樣品風干后，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，經攪拌、震蕩或者超聲波等方法使土壤分散，經過離心或者一定時間的靜置以后，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，用無機鹽溶液洗滌 (通常為CaCl2溶液)分離出來的輕組部分，并反復用去離子水沖洗，然后烘干、稱重。上述過程一般重復2～3次，多次分離的輕組之和即為輕組的數量［46－48］。

2.5 顆粒有機碳

土壤有機碳的顆粒大小測定方法是在土壤顆粒分級的基礎上進行的。土壤顆粒有機碳的測定一般采用六偏磷酸鈉分離方法。基本過程為:取一定量的風干土壤樣品，加入 (NaPO3)6溶液，長時間震蕩后，土壤懸液過53 pm篩，反復用蒸餾水沖洗。將篩子殘留物烘干、稱重，計算這些部分占整個土壤樣品質量的比例;再分析烘干樣品中有機碳含量，根據計算的比例和有機碳含量，計算顆粒有機碳在整個樣品中含量［49］。

3 結束語

目前，關于土壤有機碳的分組已經做了大量的研究，但是在土壤活性有機碳的測定過程中，由于研究目的、實驗條件以及使用測定方法的不同，得到的實驗結果也有一定的差異。目前在土壤微生物量碳測定時，通常使用氯仿熏蒸法，但是這種方法存在一定的缺陷，有效性指標容易受到環境變化的影響;潛在可礦化碳的測定方法也很多，有野外測定也有儀器分析法，這些方法各有特點，但目前尚無統一的標準，實驗室培養法是最常用的測定方法;輕組有機碳測定時常使用相對密度法，但是相關研究很少，還不能嚴格地區分輕組和重組有機碳，同時，還沒有找到一種在毒性、價格等方面相對理想的密度液，所以該方法還存在一定的局限性;顆粒有機碳的測定一般采用六偏磷酸鈉分離方法，該方法比較簡單，易展開實驗，但是顆粒大小分組、樣品如何處理等問題上仍存爭議。在今后的工作中，關于土壤活性有機碳組分的一些重點問題還需要深入的研究:

(1)使用先進的儀器、設備，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碳活性組分的形態和結構，以更加詳細、準確地描述活性組分的表征;

(2)土壤有機碳的分組仍缺乏統一的標準，應更加準確地對土壤活性碳組分進行定量描述，使各個組分的概念進一步統一;

(3)如何確定統一的測定方法將是未來工作的重點，應著重完善土壤活性碳組分的測定方法，使其規范化、系統化。

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