1212
(1.東北農業大學 資源與環境學院, 黑龍江 哈爾濱 150030; 2.中國科學院 東北地理與農業生態研究所,黑龍江 哈爾濱 150081; 3.哈爾濱市農業科學院 生物中心,黑龍江 哈爾濱 150028)
土壤有機質(Soil organic matter,簡稱SOM)是地球表面最大的碳庫之一,它是地球碳循環的重要組成部分。據估計,土壤中的碳含量為2 500 Pg,其中有機碳的含量為1 550 Pg(1 Pg=1015g)[1-2],是大氣碳含量的兩倍,地上生物量的三倍[3]。SOM對土壤的物理、化學、生物學和熱學特性都有舉足輕重的作用,其含量增加和質量提高對土壤團聚體(尤其是微團聚體)的結構和穩定性有促進作用,對土壤的保水保肥能力有明顯的改善作用,因此,對土壤質量的可持續性和作物產量的穩定性具有至關重要的作用[4-5]。SOM的組成復雜且不均勻,不僅含有生物物質(如木質素,纖維素和多肽),還包括腐殖質[6],因此,根據構成的有機物質的種類不同,SOM的分解時間范圍從幾小時到幾百年不等[1,7]。Stevenson[6]研究發現,農田土壤中,土壤有機質的降解較慢,其含量的變化存在滯后性,不利于短期研究,而活性有機質(Labile organic matter,簡稱LOM)的含量雖然較少,但是其受土壤、植物和微生物等影響強烈,降解速度較快,同時又直接參與土壤生物化學的轉化過程,是土壤微生物和動物活動及其代謝能量的儲存場所,也是植物可利用的氮(N)、硫(S)和磷(P)等養分的礦化來源[6,8-9]。
土壤LOM主要是指在土壤中存在一定的溶解性,能夠快速移動、容易被氧化和礦化,而且在一定的時間和空間范圍內容易被植物和土壤微生物利用的那部分有機質[10],主要由根系分泌物、微生物滲出物、真菌菌絲及動植物殘體等大量的游離有機物構成[11]。與土壤總有機質含量相比,LOM對管理或環境條件的變化更為敏感,通常被認為是農田管理措施的早期敏感指標,對于研究土壤質量的變化有重要意義,近些年來已經成為土壤生態及環境土壤學交叉領域研究關注的焦點。本文旨在對土壤活性有機質的組分進行全面系統的歸納,分析其各個組分的典型數量、性質和意義,評述相關組分的作用及其影響因素,以期為科學解析土壤活性有機質在土壤質量變化研究中的作用提供理論依據和技術參考。
土壤SOM的物理分組主要是依據土壤密度(密度分組)、顆粒大小(粒徑分組)、空間分布(團聚體分組)以及物質的溶解性進行分類的,主要分離手段為離心和沉降(密度分組)、超聲波分散(粒徑分組)、崩解(團聚體分組)以及酸堿提取等。由于物理分組在分組過程中對原狀土狀態的破壞性小,而成為現今研究SOM組分的主流[12]。物理分組中的土壤LOM,主要指的是密度分組中的輕組有機質(Light fraction organic matter,簡稱LFOM)、粒徑分組中的顆粒有機質(Particulate organic matter,簡稱POM)、團聚體分組中的大團聚體有機質(Macro-aggregate organic matter,簡稱MAOM)、酸堿提取方法中的富啡酸(Fulvic acid,簡稱FA)以及水或稀鹽溶液提取的溶解性有機質(Dissolved organic matter,DOM)。
LFOM是通過收集漂浮在密度為1.5~2.0 g·cm-3之間的重液上的分散的土壤物質來分離的。通常,土壤分散在比重約為1.7 g·cm-3的碘化鈉(NaI)溶液中[13]。輕組有機質的碳氮比(C/N)介于土壤和植物組織之間[14]。LFOM主要存在于植物根系、植物殘體和木炭中,主要包括放線菌的孢子和能用顯微鏡觀察到的微生物結構體的真菌[15]。LFOM主要含有易被微生物分解的底物,如單糖、多糖和半木質素等化學成分,可解釋微生物和酶活性差異50%以上的信息[16],具有較高的分解速率、周轉速率和C/N 比,是土壤營養物質的短期貯存庫[17]。Dalal和Mayer[18]研究表明,LFOM含有的活性有機質高達76%~96%。Janzen等[17]研究發現,LFOM與土壤呼吸速率和土壤微生物生物量碳和氮的含量密切相關。農業土壤中,LFOM含有20%~30%的有機質,占整個土壤總有機質的2%~18%[19],因此,LFOM基本體現了土壤活性有機質的作用,它可作為土壤質量(特別是有機質質量)的靈敏的指示劑[20]。但是,LFOM也有一定的局限性,因為它含有燒焦的物質,如大量的難分解(甚至不分解)的木炭[21]。
土壤POM主要是通過粒徑分組(粒徑在53~2 000 μm之間)獲得的,主要指的是土壤中與砂粒結合的有機質,并進一步可能與土壤大團聚體(粒徑>250 μm)和微團聚體(粒徑<250 μm)結合[22]。POM具有較高的活性和較低的腐殖化程度,它是一類易分解的土壤碳庫,主要由具有可識別的細胞結構的植物碎片組成,顯微鏡顯示它還含有真菌菌絲、孢子、種子、動物骨骼和木炭[23]。此外,它含有一部分參與分解植物土壤微生物生物量殘留物以及植物殘茬分解過程中產生的腐殖化物質[24]。一般來說,農業土壤中POM占整個土壤中總有機質的20%~45%[25-26],遠高于LFOM[27]。相對于與土壤粉粒或黏粒結合的土壤有機質而言,POM被認為是有機質中的活性部分[13],其在土壤元素(如C、N、S)循環中占有重要的地位[28]。
盡管LFOM和POM主要含有植物殘留物,但它們的化學和生物學性質并不相同。例如,Gregorich等[29]研究了森林土壤轉化為玉米連作25年后SOM的減少情況,通過測定土壤總有機碳和自然13C豐度,他們發現LFOM的礦化速度快于POM,25年后,LFOM中70%的C來自玉米,而只有45%來自于POM。同樣,Carter等[27]研究了森林土壤轉變為可耕種農業土壤時SOM的流失,發現LFOM減少了72%,但土地利用方式變化對POM的影響不大。
對20種森林和耕作土壤的調查發現,POM含有更多的有機碳并且具有比LFOM低的C/N,這表明前者分解更多[19]。Gregorich等[30]應用13C核磁共振(13C NMR)和熱解場電離質譜(Py-FIMS)也同期證實,POM比LFOM更易分解。質譜(MS)顯示,與LFOM相比,POM中含有更少的木質素單體、二聚體、脂類和烷基芳香族化合物;13C-NMR數據表明,與LFOM相比,POM含有相對較少量的碳水化合物和脂族化合物,并且具有更高的芳香度。
這些差異可歸因于分離兩種形式活性有機質方法的差異。在基于粒度分級的組分中,腐殖化的有機物質與大的無機顆粒緊密結合,包裹著礦物顆粒的有機碎片將被保留在篩子上,并包含在POM中[10]。砂粒表面上包裹的大部分有機物質,可能比懸浮在砂粒表面的LFOM更容易分解和腐殖化。此外,LFOM可以從粉砂和黏土顆粒中分離出來,也可以從砂質材料中分離出來。由于存在這些差異,一些研究人員認為,在分離活性和非活性的有機質組分時,密度分級比粒徑分級更有效[7,19]。當然,與POM相比,LFOM的芳香性較低且周轉時間更快,這證實了LFOM是一個活性更大的庫[8]。
1982年,Tisdall和Oades[31]首次提出了土壤團聚化影響碳周轉的概念模型,此后,很多學者展開了對團聚體的研究。一般來說,土壤團聚體分為大團聚體(粒徑>250 μm)和微團聚體(粒徑<250 μm)兩大類,進一步可劃分為大粒徑的大團聚體(粒徑>2 000 μm)、小粒徑的大團聚體(250 μm<粒徑<2 000 μm)、微團聚體(53 μm< 粒徑<250 μm)和粉+黏粒-有機復合體(粒徑<53 μm)4小類[32-33]。
大團聚體以物理保護為主,主要由作物根系、多糖和微生物菌絲體黏結了許多微團聚體后所形成的聚合體所組成[34],其植物來源的有機碳多、周轉較快,而且對農田管理措施響應敏感。而微團聚體以化學保護為主,主要由有機礦質復合體與黏粒結合所組成[34],其很難分解、周轉很慢,有利于長期保存,可以持續保持土壤養分。因此,團聚體分組中的大團聚體上的有機質(MAOM)為土壤活性有機質組分。雖然團聚體分組過程中被分離的物理和化學保護為主的組分的礦物和生物學特點對其影響的程度仍存在很多爭議[35],例如短期內土壤微生物群落組成和生物量占主要作用,長期內礦物特性和植物碳源也許表現出更大的作用[36],它仍然是一種獲得較多同質組分的前處理方法。
20世紀60年代之前,國內外研究者對SOM的研究主要聚焦在腐殖質類物質上,包括對腐殖質的化學元素組成、官能團結構等方面的分析[37-38]。一般來說,基于酸堿溶解度的差異,腐殖質可分為富啡酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)3個組分[39]。FA是酸、堿和水都可以溶解的物質;HA是溶于堿,不溶于酸和水的物質;HM是酸、堿和水都不可以溶解的物質[7]。由于不能完全的浸提和分離這些組分,無論怎樣純化,HA和FA組分都不可能完全是單一的物質,都會混進去一些雜物[12]。
與HA相比,FA富含脂肪族和芳香族結構,分子量較小,芳構化和縮合度較低,由于其帶負電荷,它能很好的吸附及融合元素和礦物質到它的分子結構中,對微生物分解具有抗性[40]。 此外,FA具有高反應性,并且可以直接溶解在水中變成酸性溶液,移動性大,對一些土壤的淋溶和沉積有很大作用,可以改善土壤環境, 因此,FA在土壤有機碳固存、養分儲存和土壤結構維持中起著重要作用[41]。FA的半衰期(分解一半的某物質需要的時間)為10~50 a,而HA的半衰期長達幾百年[42],由此在長期定位試驗中,用FA中的C和N(FAC、FAN)含量指示土壤活性有機碳的變化是可行的,而且可以配合光譜學分析方法,對長期培肥土壤FA特性進行分析,從物質結構的角度了解長期培肥對土壤FA結構演化影響的研究是有一定價值的。
依據不同的提取方法,可以獲得狹義和廣義兩種DOM。具體來講,通過吸杯或滲漏計來提取土壤溶液中能夠通過 0.45 μm孔徑濾膜的有機質成分為狹義的DOM,其主要來源于土壤中的大孔隙;通過各種提取劑,如水(熱水、冷水)和稀鹽溶液(硫酸鉀等)來提取土壤溶液中能夠通過 0.45 μm孔徑濾膜的有機質成分為廣義的DOM[43]。DOM主要包含如糖類、糖酸、酚類、游離氨基酸及脂肪族有機酸等小分子量物質以及HA和FA等大分子量物質,其主要來源于土壤微小動物、根系分泌液和植物凋落物滲透液等部位[20,44]。
在農田自然濕度土壤中,狹義的土壤DOM占土壤總有機質的0.1%~0.4%,含量一般在200 mg·kg-1,濃度在 0~70 mg·L-1之間[8]。雖然DOM含量很低,但它是土壤微生物分解的活性底物,是有機質中最容易改變的那部分成分,也是礦質營養元素(N、S和P)的基本來源[45],其在維持生物化學肥力和土壤養分方面起著十分重要的作用[46]。在一定條件下,DOM與其它有機質組分可以相互轉化,但它們始終處在動態平衡中[47]。
化學分組是依據土壤有機質在各種不同的提取劑(水、酸、堿及鹽)中的水解性和化學反應特性從而分離出的各種組分。酸水解有機質(Acid hydrolyze organic matter,簡稱AHOM)中的碳水化合物以及高錳酸鉀和重鉻酸鉀氧化的易氧化有機質(Readily oxidized organic matter,簡稱ROOM)都屬于土壤有機質化學分組的活性有機質組分。
酸(鹽酸或硫酸)水解有機質(AHOM)主要分為活性有機質和惰性有機質兩個庫。酸水解的成分主要有碳水化合物、糖、氨基酸和氨基糖等[48],沒有水解的成分主要是脂肪、木質素、蠟脂、軟木脂和樹脂等[16]。其中,碳水化合物屬于活性有機質組分,它是微生物的主要碳源和能源,并且可以參與土壤團聚體的形成,是土壤質量研究中的重要指標[49]。
用不同種類的酸以及不同濃度的同一種類的酸,提取出的活性有機質組分占土壤總有機質的含量是不一致的。Rovira和Vallejo[50]研究發現,用5 M H2SO4水解提取出的土壤活性有機質占總有機質的22%~45%;而Chan和Heenan[51]研究表明,用1.5 M H2SO4水解可釋放出32%~37%的土壤總有機質,利用鹽酸可提取30%~87%的土壤總有機質[50,52];稀酸水解通常提取的碳水化合物含量是熱水提取的5~16倍[53-55], 并且它大約提取了土壤中碳水化合物總量的65%~85%[54]。
能被高濃度(333 mol·L-1)的高錳酸鉀(KMnO4)和一定濃度(0.8 mol·L-1或1 mol·L-1)的重鉻酸鉀(K2Cr2O7)-濃硫酸溶液氧化的有機質均稱為ROOM[56]。微堿性的KMnO4能水解和氧化胺基或氨基糖、氨基酸和簡單糖類等有機質,但是不能氧化纖維素[20]。K2Cr2O7氧化的有機質測定方法指的是在SOM濕氧化測定法的條件下,降低所需的硫酸濃度和加熱條件,例如袁可能[57]提出的用3∶1的K2Cr2O7∶H2SO4在130 ℃~140 ℃加熱5 min的測定方法,以及李酉開[58]提出的利用在H2SO4溶液中加入K2Cr2O7產生的熱量氧化有機質半小時的水合熱測定方法。
土壤ROOM在種植作物時變化最大[59],其含量約占土壤總有機質的13%~38%[60],在一定的時間和空間背景下,可以劇烈地影響植物生長和微生物群落,且在土壤中移動速度快、不穩定、容易被氧化和分解[10]。在農田生態系統中,土壤碳庫含量的變化主要發生在ROOM中,其對指示SOM的敏感程度大于其它農業變量,能夠衡量SOM的早期變化。與土壤總有機質相比,土壤ROOM與土壤有效養分(N、P等)、土壤的物理和化學性質等的關系更密切[21]。
近些年來,土壤有機質轉化過程中的土壤生物作用越來越引起人們的關注[61-62]。向農田土壤中添加新鮮的有機物質后,土壤中的微生物以這些有機物為食物來源進行快速、大量地繁殖,其結果是微生物生物量顯著增加,微生物通過呼吸作用釋放的CO2呈指數增加,進而合成更多的新的細胞外有機物,這就是礦化過程[16]。生物學分組的方法,就是通過一些生物方法測定已經礦化的生物與被礦化的有機殘體的生物量的差值,或是將土壤中的有機質作為反應底物來間接推斷土壤生物可利用的有機質含量[16],常見的生物學組分的土壤活性有機質包括微生物生物量碳、氮(Microbial biomass carbon and nitrogen,簡稱MBC、MBN)和潛在可礦化碳、氮(Potentially mineralizable carbon and nitrogen,簡稱PMC、PMN)。
土壤微生物生物量是指土壤中體積小于5×103μm3的有生命活性的土壤微動物體內、細菌、真菌和藻類所含的有機質,是土壤有機質中變化最快、活性最大的那部分有機質[63]。用MBC和MBN所表征的土壤質量稱為土壤的生物學質量,MBC和MBN約占土壤總有機質的1%~3%[64],最大比例可達到9%,但是一般不會超過10%[65]。MBC和MBN雖然含量不高,但是其對土壤周圍環境因子的變化靈敏性極高,環境因子的微小變化就會引起其活性的大幅度變化,并且它也是土壤養分(N、P、K等)的驅動力,對養分循環有重要的指示意義。因此,MBC和MBN是衡量土壤碳庫和氮庫平衡,保持土壤化學、生物化學肥力以及評價土壤質量的重要指標[66-67]。
PMC又被稱為生物降解碳,通過測定CO2的礦化量或專性呼吸速率(微生物分解有機物質時每單位微生物量所產生的CO2量,簡稱qCO2)來獲得土壤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機碳,從而說明土壤中可被利用的碳源越多[68]。測定PMC的方法有多種,如平板計數法、成份分析法、底物誘導呼吸法和土壤培養法等[69]。目前,通常采用土壤培養法[70-71]進行測定,主要原理就是在密閉可抽氣的容器內,培養保持田間持水量的土壤,培養過程中微生物分解有機碳釋放出CO2,這部分CO2含量可以用滴定、電導、遠紅外分析儀和氣相色譜的方法檢測,從而計算出潛在可礦化碳量。在實際操作中,一定要注意培養時的溫度、水分含量、容器的密閉性以及培養的持續時間和測量間隔等[72],這些因素是實驗成功的先決條件。
PMN是提供作物氮素營養的重要指標,它反映的是土壤氮素的生物有效性[73],在作物不施肥的條件下,作物可利用的土壤氮素除最初的礦質氮外,主要就是PMN[74]。PMN可以在封閉或開放的培養系統中進行測量。封閉培養與PMC的培養方法相同,可同時測量可礦化的C和N,在培養前和培養后測量土壤中可交換(用2 mol·L-1KCl提取)的礦質氮(銨態氮和硝態氮)的含量,最終通過差減法計算PMN的含量[75]。在開放式培養中,通常將土壤與沙子混合(以保持孔隙率和水力傳導性),并在浸出柱中培養8~30周[76],定期用0.01 M CaCl2浸提土壤,并測量滲濾液中的銨態氮和硝態氮含量,每次浸出后均添加無氮營養液(用無氮營養液淋洗土壤可以平衡土壤其他養分的供應,進而維持微生物活性),然后將土壤排干至已知的張力并重新培養。 實驗室短期厭氧(淹水)和田間培養系統都可以測定PMN[72],這種方法能夠很好地模擬淹水土壤的水分狀況,并且培養過程中的通氣和嚴格的水分控制條件均不需要考慮[77]。近年來,開放式培養系統比封閉式系統更受歡迎,因為多數研究者認為,開放式培養系統可模擬植物攝取持續去除礦化的銨態氮和硝態氮的效果, 它的缺點是與短期封閉培養相比非常耗時[8]。
一般來說,PMC和PMN占土壤總有機質的比例為0.8%~12%[78]。PMC和PMN與其他的土壤活性質組分(如LFOM、DOM、MBC和MBN)有正相關的關系,其原因是LFOM、DOM、MBC和MBN可能是微生物分解的底物[8]。Franzluebbers等[79]研究發現,當常規耕作轉化為免耕或輪作中使用牧草和長期施肥時,PMC與DOM、MBC二種活性有機質呈正相關,并且PMC是一種比總有機碳更敏感的指標。
土壤PMC和PMN反映的是土壤中能被礦化部分的有機碳和氮,它的礦化速率不僅限定了土壤養分的含量,而且直接影響了溫室氣體的排放、土壤營養元素的供應與釋放以及土壤肥力的維持等方面。綜上可見,PMC和PMN是表示土壤肥力高低、土壤微生物活性大小[21]、耕作時間長短和環境是否可持續性的指標,其高值反映發酵微生物群落的活性,低值反映穩態土著性微生物群落的活性[80-81]。因此,測定分析土壤PMC和PMN的含量和性質對有效管理土壤養分和科學控制全球氣候變暖具有重要的現實意義[82]。
21世紀初,Six等[33,35]對土壤有機質的單一分組進行整合,提出了更有實用價值的團聚體-密度分組和物理-化學聯合分組方法,其中,團聚體-密度分組中的游離態團聚體有機質以及物理-化學聯合分組中的游離活性有機質和物理保護有機質都屬于土壤活性有機質的組分。
Six等[33]對原有的物理分組方法進行改進,將團聚體分組和密度分組相結合,成功而又有效地分離出了存在于大團聚體中的微團聚體內部的閉蓄態團聚體(iPOM)和存在于大團聚體內部但不存在于微團聚體內部的游離態團聚體(fPOM)兩種組分,其中fPOM為土壤有機質的活性成分。主要測定過程是:首先,通過物理分組的團聚體分組方法分離出不同粒級的團聚體;其次,通過物理分組的密度分組法分離出輕組和重組有機質成分;最后,用六偏磷酸鈉分散重組成分,振蕩后過53 μm 篩子,留在篩子上的為iPOM。團聚體-密度聯合分組方法可以實際地反映一部分有機質在土壤中的轉化過程和土壤質量的恢復過程,這種分組方法被研究者們廣泛采納和接收[26]。
Six等[35]和Stewart等[83-84]將土壤有機質物理分組方法和土壤有機質穩定機制聯合起來,進一步引入化學分組方法。此方法包括密度浮選、玻璃珠分散和酸性水解等技術手段,利用物理-化學聯合分組方法,將土壤有機質分為物理保護有機質(iPOM)、化學保護有機質(H-dSilt、H-dClay、H-μSilt、H-μClay)、生物化學保護有機質(NH-dSilt、NH-dClay、NH-μSilt、NH-μClay)和非保護有機質(游離活性有機質,cPOM和fPOM)4類(圖1)。這種分組方式包括了土壤有機質的各種穩定機制,越來越引起研究者的聚焦。

圖1 土壤物理-化學聯合分組流程[35,83-84]Fig.1 The combined grouping process of soil physics-chemistry[35,83-84]
在上述所有土壤有機質中,游離活性有機質和物理保護有機質具有短的周轉時間、快速的分解速度,其對施肥等農業措施響應敏感,因此,這兩個庫是土壤有機質的活性組分,可以指示土壤碳庫的短期變化。化學保護有機質和生物化學保護有機質對農業措施的反應很緩慢、分解速度慢、周轉時間長,它們屬于惰性有機質組分,可以預測土壤碳庫是否飽和[35,83]。
目前,在迫切發展可持續農業的背景下,如何應用對提高土壤生產力和減少土壤退化有真正促進作用的切實可行的農田管理措施是一個很大的挑戰[85-86]。現有的農田管理措施,以及自然環境中的溫度升高都對農田土壤有機質的數量和質量上的損失造成巨大影響。因此,有必要對土壤質量有早期指示作用的土壤活性有機碳組分開展深入研究,以快速解讀土壤生產力的變化。根據國內外研究的具體成果,我們基于有機質分解的時間長短以及分解的難易程度對土壤活性有機質組分的分類進行了總結(圖2)。

圖2 土壤活性有機質組分分類Fig.2 Classification of soil labile organic matter components
但是,至今為止,可分解和難分解有機質的區分并不很明確,仍存在很大爭議[87]。而且,由于土壤有機質本身成分的復雜性,單獨研究某一種或某些種組分是有局限性的,主要表現為:(1)土壤活性有機質的物理組分的空間異質性很大;(2)化學組分不同程度地破壞了分子的內部結構;(3)生物學組分所需的培養時間長,且培養條件很難在各個時期都保持完全一致;(4)物理-化學聯合分組的組分,雖然避免了物理組分和生物學組分的弊端,但是其對土樣進行酸解時還是使用了酸溶液,不可避免地會破壞分子結構[88-89]。因此,今后的研究中,應聯合使用不同的分組方法,多角度全方位地解析土壤質量的變化特征。
此外,由于分析方法不統一和試驗外部條件控制不同等原因,土壤活性有機質組分的數量測定結果總會在一定程度上存在不確定性和難比較性,這時需要用一些測定分子內部結構的技術來驗證和補充測定的結果。土壤有機質的光譜分析技術,如紫外-可見吸收光譜、傅里葉變換紅外光譜、三維熒光光譜和固體核磁共振碳譜均能夠很好的解析其質量的變化規律。但是,單一的光譜分析技術也有局限性,應結合不同種類的光譜分析方法共同全面地驗證土壤活性有機質的變化。土壤活性有機質組分的數量和質量相結合的分析方法,有望成為今后研究土壤活性有機質的未來趨勢和焦點。