趙林林 吳志祥 孫 瑞 楊 川 符慶茂 譚正洪

（1 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院橡膠研究所 海南?？?571101；2 海南大學熱帶作物學院 海南海口 571101；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部儋州熱帶作物科學觀測實驗站 海南儋州 571737）

土壤有機碳庫是地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫之一［1］。土壤在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著“源”“匯”角色，可精準量化出陸地生態(tài)系統(tǒng)的水土保持、水源涵養(yǎng)、固碳釋氧、生物多樣性保育與可持續(xù)發(fā)展等功能［2］。全球土壤表層（1 m）總碳量預估為2 100 Pg（1Pg=1015g），其中有機碳庫儲量約為1 550 Pg，是陸地植被碳庫的2~4 倍，大氣碳庫3倍左右［3］。對土壤的研究經(jīng)歷了從生產(chǎn)功能到生態(tài)功能的變化，土壤有機碳的概念也在逐步發(fā)展［4］。20 世紀80 年代前，土壤有機碳主要指土壤腐殖質物質，現(xiàn)今土壤有機碳發(fā)展至土壤中的動植物殘體、腐殖質、微生物及其部分分解產(chǎn)物。土壤有機碳不僅是評價土壤肥力的至關因素，而且是全球碳循環(huán)的重要組成部分，對養(yǎng)分供給、土壤理化性質和結構改善和減少環(huán)境負面影響等具有重要作用［5］。土壤有機碳儲量的小幅變化會影響整個生物圈生態(tài)系統(tǒng)的波動：土壤2 m 深，有機碳儲量增加5%~15%大氣碳庫含量將降低16%~30%［6］。2015 年，巴黎氣候會議上提出“增強陸地生態(tài)系統(tǒng)中土壤有機碳的固儲能力可有效抑制大氣中CO2濃度上升”。因此，近年來，土壤有機碳庫的轉化及分類的研究受到越來越多關注［7］。

Tiessen 等［8］根據(jù)土壤顆粒的大小不同，把土壤有機碳分為砂粒、粗粉砂粒、細粉砂粒、粗粘粒和細粘粒等5 類；Von L M 等［9］以密度為依據(jù)，將土壤分為輕組、重組有機碳；Chan 等根據(jù)土壤的化學特性將土壤分為活性碳和非活性碳；Patotn W J等［10］以Century 模型為依據(jù)，將土壤有機碳庫分為易變碳庫和穩(wěn)定碳庫。目前，大多研究人員以土壤的理化性質、微生物利用程度等為依據(jù)對土壤有機碳進行分類，并對土壤的固定、轉化能力以及對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響進行研究［11］。很多研究人員都把土壤有機碳劃分成活性有機碳、緩性有機碳和穩(wěn)定性有機碳［12］?，F(xiàn)階段，國際上對土壤有機碳的分類趨于定量化、深層化以及國際化［13］。本文在前人對土壤有機碳研究基礎上，綜合土壤有機碳的分類與測定方法，從物理、化學、生物3個方面入手，旨在進一步認識土壤有機碳的特征，評價土壤質量，改善生態(tài)環(huán)境。

1 土壤有機碳的分類

1.1 土壤有機碳的物理分類

土壤有機碳的物理分類主要以有機碳相對密度、土壤顆粒大小或土壤團聚體等為依據(jù)。因原生質土壤狀態(tài)在物理分類過程中被破壞度較低且性能保持良好，近年來，土壤有機碳的物理分組成為主流。物理分類主要通過崩解、分散、密度離心和沉降等方法來分離出活性不同的有機碳組分［14］。

1.1.1 密度分類

20 世紀80 年代就開始采用密度分類法，指采用某種相對密度的溶液將土壤中不同密度的顆粒有機物質分離開來的過程。其中，溶液中沉淀部分被定義為重組有機碳（Heavy fraction organic carbon，HFOC），懸浮部分物質被定義為輕組有機碳（Light fraction organic carbon，LFOC）。密度分離過程最常采用碘化鈉（NaI）、聚鎢酸鈉（Na6H2W12O40）等水溶性分離溶液［15］。輕組有機碳庫是介于植物殘體和腐殖質類物質的碳庫，主要以游離態(tài)存在。輕組有機碳是指能觀察到真菌和放線菌孢子的微生物結構體，在土壤總量中的占比較?。?.8%~3.2%），但含碳量占土壤有機碳總量的15%~32%，大多來自植物碎片、植物根系及木炭，化學成分多為碳水化合物和氨基酸。重組有機碳主要成分為腐殖質，在土壤中以有機‐無機復合體形式存在，其含量一般占總有機質含量70%~80%。重組有機碳轉化時間較長且對農(nóng)業(yè)管理措施響應不靈敏，對其研究較少，也有學者發(fā)現(xiàn)，重組有機碳中有一種對氣候、植被、施肥等外界環(huán)境非常敏感且易溶于鹽溶液的有機質，暫命名為鹽溶性有機碳［16］。

1.1.2 顆粒大小分類

由于土壤有機碳與土壤顆粒結合緊密，為了研究顆粒結合有機碳物理組分，將土壤中粒徑在53~2 000 μm 的碳定義為顆粒有機碳（Particulate organic carbon，POC）［17］。土壤顆粒有機碳是動植物遺體向土壤腐殖質轉化的過渡產(chǎn)物，可為微生物、植被生長提供必要的營養(yǎng)元素，一般情況下周期約為6~18 年。由于顆粒有機碳對外界條件變化的反應靈敏，因此土壤中的植物殘留物質量、數(shù)量、土壤類型、氣候條件以及耕作管理模式等都會影響顆粒有機碳的盈缺［18］。土壤有機碳可根據(jù)土壤顆粒粒徑大小分為砂粒、粗粉砂粒、細粉砂粒、粗粘粒和細粘粒等。一般來說，砂粒占比10%，粗粉砂粒占比20%~25%，細粉砂粒占比16%~19%，粗粘粒占比35%，細粘粒占比17%~23%［19］。

1.1.3 團聚體分類

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，對土壤有機碳起到保護作用，可阻礙微生物與底物相互接觸，降低、抑制微生物活動，在土壤形成過程中扮演重要角色。土壤團聚體具有協(xié)調土壤水肥氣熱、影響土壤酶的種類和活性，保持土壤疏松熟化層“三大作用”［20］。土壤團聚體含有表層土90%左右的有機碳，對揭示人為干擾對碳循環(huán)的影響具有重要意義。土壤團聚體形成過程依賴有機膠結劑的作用，學者們根據(jù)形成團聚體膠結劑的不同，以250 μm 為界將團聚體分為大團聚體（Macroaggregates，A）和微團聚體（Microaggre‐gates，M），并規(guī)定粒徑≥250 μm 的團聚體為大團聚體，粒徑＜250 μm的團聚體為微團聚體。其中大團聚體可細分為＞5 000、2 000~5 000、250~2 000 μm，微團聚體可分為53~250、＜53 μm［21］。

1.2 土壤有機碳的化學分類

最初土壤有機碳化學分類以腐殖質類物質為主，目前土壤有機碳化學分組主要以碳組分在各種提取劑中的氧化性、溶解性和水解性不同進行分類，提取劑包括氧化劑、水或酸溶液等［22］。

1.2.1 根據(jù)物質組成分類

土壤腐殖質（Humic substances，HS）是土壤固相中呈棕色或黑色膠體狀且性質較為活躍的物質，在土壤總質量中僅占一小部分，但在維持土壤肥力、保護生態(tài)環(huán)境、保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面十分重要。主要表現(xiàn)3個方面：（1）土壤腐殖質是土壤中氮、磷的主要來源，與土壤形成、發(fā)育過程關系密切，對植物生長起到促進作用。（2）土壤腐殖質本身的吸附、絡合作用能降低土壤重金屬、有機化合物等對土壤的污染。（3）土壤腐殖質利用土壤的通透性、滲透性、吸附性和緩沖性等產(chǎn)生作用，改變土壤結構、膠體狀況，起到調控水分運動的作用［23］。

土壤腐殖質根據(jù)物質組成細分為富里酸（Ful‐vic Acids，F(xiàn)A）、胡敏酸（Humic Acids，HA） 和胡敏素（Humin）3 類［24］。富里酸和胡敏酸是腐殖質的主要成分，統(tǒng)稱為腐殖酸。胡敏酸是由具有芳香氣味的芳香碳架和具有親水集團的側鏈碳兩部分組成，其分子大小，芳構化程度和功能團的數(shù)量都會影響團聚體形成過程的速率。胡敏酸性質較為活潑，與富里酸的比值（HA/FA）可有效反映出土壤腐殖質的品質和穩(wěn)定性，比值越高，說明腐殖質聚合程度越高，品質越好，穩(wěn)定性越好，形成良好土壤結構的能力也越強。胡敏素與土壤礦物質結合最為緊密，主要以有機無機復合體形式存在，屬于惰性腐殖質。土壤腐殖質的腐殖化過程緩慢，周期從幾十年到上千年不等，且全球范圍內的腐殖質結構、功能差異不明顯，這些組分在土壤質量、作物產(chǎn)量和環(huán)境變化等的評價中存有滯后性，20世紀80年代后被逐漸取代［25］。

1.2.2 根據(jù)化學溶劑分類

根據(jù)土壤有機碳測定過程中使用的化學溶劑不同，將土壤有機碳劃分成易氧化有機碳、溶解性有機碳和酸水解有機碳。

能被333 mmol/L KMnO4氧化的有機碳命名為易氧化有機碳（Readily oxidizable carbon，ROC）。易氧化有機碳在土壤有機碳中占比為13%~28%，為植物生長、土壤微生物活動提供能源，在土壤中易分解、易氧化、易礦化，其周轉時間較短，參與的碳循環(huán)范圍較大，能敏感反映群落植被與土壤環(huán)境早期的細微變化。測定過程中常用的氧化劑為K2Cr2O7和KMnO4［26］。

溶解性有機碳 （Dissolved organic carbon，DOC）是指能通過孔徑為0.45 μm 濾膜、結構各異的有機分子統(tǒng)一體，主要成分為蛋白質、氨基酸、大分子腐殖質以及碳水化合物。植物凋落物、根系及其分泌物、土壤腐殖質以及微生物為溶解性有機碳提供碳源，溶解性有機碳性質活潑，易溶于水或稀鹽溶液，其親水部分對溶解性有機碳的溶解起到促進作用，含量隨土壤深度的增加而減少；疏水部分為土壤微生物提供碳源，參與溫室氣體的排放［27］。溶解性有機碳作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中較為活潑的有機碳組分，既能被礦質土壤吸附，也能隨土壤水分的移動進入水體環(huán)境，成為土壤圈層連接其他圈層的重要物質形式。因此，對土壤DOC 在陸地碳循環(huán)中的研究也越來重視［28］。

酸水解是指利用硫酸和鹽酸作為提取劑來提取土壤中的氨基酸、氨基糖以及碳水化合物等物質。提取過程中，硫酸可提取22%~45%有機碳，而鹽酸可提取30%~87%有機碳。酸水解作用將酸水解有機碳分為活性有機碳和惰性有機碳，以此計算惰性指數(shù)、衡量惰性有機碳庫大小。酸水解成分為多糖、核酸和蛋白質，未水解成分主要為木質素、脂肪、蠟、樹脂和軟木脂等，2%鹽酸可水解半纖維素，80% 硫酸可水解結晶纖維素［29］。酸水解分組方法可預測有機碳的礦化，比熱水提取有機碳應用廣，稀釋酸水解提取的糖類是熱水提取糖類的5~16 倍，約占土壤總糖類的65%~85%。酸水解產(chǎn)物中的碳水化合物，雖然含量僅占總有機碳的10%~20%，卻是微生物的主要碳源和能源。活性有機碳作為土壤有機碳和土壤性質研究中的重要指標和對象，參與土壤團聚體的形成。酸水解作用是通過去除參與微團聚化的多價陽離子，使閉蓄態(tài)或復合體中的有機碳溶解，與鹽酸相比，用硫酸水解有機碳組分更易受礦質的影響［30］。

1.3 土壤有機碳的生物分類

土壤有機碳的生物分類是用特定的生物方法將土壤有機碳分為生物潛在可礦化碳（Potentially mineralizable carbon，PMC））、微生物生物量碳（Soil microbial biomass carbon，SMBC）。微生物生物量碳指土壤中小于5~105 μm3的活細菌、真菌、藻類和土壤微生物體內所含的碳，是土壤中最活躍的一部分有機碳［31］。微生物生物量碳在土壤中占比較少，直接參與土壤代謝與分解，是土壤中至關重要的部分。把微生物生物量碳與土壤有機碳的比值來衡量土壤碳的平衡、積累或消耗，即為評價土壤有機碳動態(tài)變化的指標。目前可測定土壤微生物生物量碳的方法很多，例、如直接鏡檢法、三磷酸腺苷分析法、熏蒸培養(yǎng)法，熏蒸提取法，底物誘導呼吸法和磷脂脂肪酸法等，其中最常用的則是氯仿熏蒸法［32］。生物潛在可礦化碳的測定需要采用微生物學方法，即微生物分解有機物質過程中每單位微生物量產(chǎn)生的CO2量。高值代表發(fā)酵微生物區(qū)系的活性，低值則反映穩(wěn)態(tài)土著性微生物區(qū)系的活性，該指標同時是評價土壤肥力的重要尺度之一，在整個碳循環(huán)過程中起著至關重要的作用［33］。

2 土壤有機碳的測定方法

隨著對全球碳匯和碳循環(huán)的深入研究，土壤有機碳的測定方法也越來越多樣化、精準化。根據(jù)土壤有機碳分類方法可將土壤有機碳的測定方法分成3類：第一類以土壤有機碳的密度、顆粒大小、團聚體大小為依據(jù)；第二類以土壤有機碳的物質組成、分類溶劑、穩(wěn)定性為依據(jù)；第三類以土壤有機碳的生物活性為依據(jù)［34］。

2.1 土壤有機碳的物理測定方法

2.1.1 密度分組技術

密度分組技術以土壤在一定比重溶液中的沉降程度不同為原理，將土壤有機碳分為輕組有機碳和重組有機碳［35］。比重溶液多選擇碘化鈉、溴化鉀、硫酸鎂和聚鎢酸鈉等，其中最常用的則是碘化鈉溶液。測定方法：采集回來的土壤進行風干處理，然后過2 mm 篩，稱取土樣10 g 于50 mL離心管中，加入20 mL NaI 溶液 （密度 1.8 g·cm‐3）震蕩，確保土壤與溶液混合均勻，隨后加入10 mL蒸餾水清洗離心管內壁，混合液靜置一段時間，在離心機轉速為5 000 r/min下離心10 min，將離心管中的上清液過0.45 μm濾膜，并用蒸餾水沖洗至濾液無色為止，最后將濾膜部分和離心管剩余部分物質分別轉移到鋁盒中烘干，其中，濾膜部分為輕組有機碳，離心管部分為重組有機碳［36］。

2.1.2 土壤顆粒分級技術

土壤顆粒分級以土壤粒徑大小為依據(jù)進行劃分。土壤風干處理后，稱取10 g 倒入250 mL 燒杯中，隨后加入100 mL 水震蕩，震蕩均勻后在超聲波發(fā)生器上處理30 min，將溶液過53 μm篩，得到粒徑53~2 000 μm 砂粒組分，根據(jù)離心時間和離心速度不同進而可以分離出粒徑為5~53 μm 的粗粉砂粒，2~5 μm 的細粉砂粒，0.2~2 μm 的粗粘粒，＜0.2 μm為細粘粒［37］。

2.1.3 篩分法測定團聚體

篩分法包括濕篩法和干篩法2種，由于干篩法分離結果重復性差，因此，常采用濕篩法測定團聚體。即稱取風干土樣100 g 于土壤團粒分析儀上，用5 mL 超純水浸潤8 h，再通過2 000、250、53 μm 篩子，篩分時振幅 3 cm，頻率 50 次/min，全程在純水中進行，分離出粒徑＞2 000 μm、250 ~2 000 μm、53~250 μm、＜53 μm4類團聚體，其中，粒徑 ＞ 250 μm 稱為大團聚體，＜250 μm 稱為微團聚體［38］。

2.2 土壤有機碳的化學測定方法

2.2.1 腐殖質分組技術

土壤腐殖質提取分離方法如圖1，稱取2.5 g土樣倒入100 mL 的離心管，隨后加入50 mL 0.1 mol/LNaOH 與 0.1 mol/L Na4P2O7混合液混勻，浸提一段時間后連續(xù)震蕩5 min，在沸水浴中煮1 h，放入離心機中離心，離心上清液置于50 mL 試管中，所剩難溶性殘渣為胡敏素。再用0.5 mol/L H2SO4作為酸化劑分離出胡敏酸與富里酸，其中，富里酸一般采用疏水樹脂｛XAD‐8｝純化［39］。

圖1 土壤腐殖質提取分離流程圖

2.2.2 化學溶劑分組技術

溶解性有機碳測定方法：稱取10 g 風干土樣于100 mL 三角瓶中，加入鹽溶液浸提（土液比1：5）30 min，離心機離心（5 000 r/min）15 min，上清液用0.45 μm 濾膜抽濾，濾液在TOC 分析儀上測定，通過土液比將溶解性有機碳濃度（mg/L）值換算成土壤溶解性有機碳含量（mg/kg），常用的提取劑鹽溶液有CaCl2、KCl、K2SO4［40］。

易氧化有機碳測定方法：稱取0.5 g 細土倒入50 mL離心管中，同時設置空白對照（離心管內不加土樣，其余操作一致）；加入25 mL333 mmol/L KMnO4溶液，室溫下震蕩30 min 后，在離心機中離心（5 000 r/min）5 min；離心上清液按照1∶250比例用蒸餾水稀釋，在分光光度計565 nm 測定稀釋樣品的吸光值。根據(jù)加土樣和未加土樣樣品的吸光值之差，計算出KMnO4的濃度變化，氧化過程中KMnO4濃度每變化1 mmol/L 相當于氧化 9 mg 碳［41］。

酸水解有機碳的測定用硫酸做提取劑：準確稱取1.00 g 土樣于消煮管中，隨后加入20 mL 2.5 mol/LH2SO4于105 ℃下消煮20 min，消煮結束，放置室溫后用離心機離心（5000 r/min）20min，第一次離心完倒出上清液，二次離心，兩次上清液均在0.45 μm濾膜下過濾，測得酸水解產(chǎn)物為土壤有機碳活性組分I；離心管中的殘留物烘干后加入26 mL1 mol/LH2SO4油浴3 h（105 ℃）后重復上述離心操作，測得酸水解產(chǎn)物為土壤有機碳活性組分Ⅱ［42］。另一種用鹽酸作為提取劑：稱取2 g 土樣于消煮管中，加入6 mol/LHCl 消煮16 h（115 ℃），樣品冷卻室溫后烘干至恒重，測得的碳含量即為惰性有機碳，總有機碳量減去惰性有機碳即為酸水解有機碳［43］。

2.3 土壤有機碳的生物測定方法

微生物生物量碳的測定目前有氯仿熏蒸培養(yǎng)法、氯仿熏蒸浸提法、基質誘導呼吸法等，由于微生物的多樣性，測定方法也不盡不同，應用最多的是氯仿熏蒸浸提法［44］。即稱取過2 mm 篩土樣25 g 于100 mL 燒杯中，放入干燥皿，同時放入裝有50 mLNaOH溶液和50 mL氯仿的燒杯一同干燥，干燥皿底部加入少量水保持濕度，干燥皿密封好，通過頂部活塞抽出內部空氣，直至干燥皿中的氯仿沸騰3 min，隨后關上活塞并且密閉干燥皿，將干燥皿放在避光處熏蒸24 h，熏蒸結束后放出干燥皿中氯仿，再用真空泵反復抽氣，直至干燥皿中沒有氯仿氣味。熏蒸結束后，把所有樣品小心轉移至250 mL 三角瓶中，隨后加入100 mL 0.5mol/L K2SO4溶液震蕩浸提30 min，浸提結束后過濾浸提液，濾液放于塑料瓶中儲存。同時做對照，即把未進行熏蒸的土壤也用同濃度的K2SO4溶液震蕩、浸提、過濾。K2SO4浸提液應立即用TOC分析儀測定或放在4 ℃冰箱中保存，通過比較熏蒸與未熏蒸土樣浸提液中含碳量的差異，計算出微生物生物量［45］。

目前，土壤有機碳礦化速率變化主要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，即通過每單位微生物量產(chǎn)生的CO2量來測定，這也是國際上通用的短期土壤培養(yǎng)法：取適量的土壤樣品于密閉容器中，同時放入一杯NaOH 溶液用于吸收CO2，保持容器內的持水量培養(yǎng)一段時間后，用HCl溶液滴定NaOH 溶液，即可用實驗過程消耗的鹽酸量求得土壤可降解量。且在培養(yǎng)可降解碳過程中，要保證土壤樣品所處的環(huán)境溫度、濕度適宜，密閉性良好［46］。

3 展望

土壤有機碳尤其是活性較高的有機碳，對有機物質分解、礦化速率、養(yǎng)分循環(huán)以及土壤結構的生物物理控制有重要作用，成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中研究的熱點，也是全球變化問題研究的核心內容之一?？v觀國內外學者對土壤碳庫組分的研究可以看出：

（1）土壤有機碳測定過程中，由于實驗環(huán)境、研究目的以及測定方法的不同，造成實驗結果差異。比如氯仿熏蒸法測定土壤微生物量碳時存在的缺陷：有效性指標易受外界環(huán)境的影響；生物潛在可礦化碳無直接測定方法，間接測定過程誤差較大；分離重組、輕組有機碳的研究較少，至今未找到分離過程中相對理想的密度分離液；顆粒有機碳分組依據(jù)、樣品處理等問題還沒有較為明確的統(tǒng)一。

（2）對土壤有機碳的研究不夠全面?；钚杂袡C碳、總有機碳的研究較多，但全面研究各類碳及其轉換關系的較少。土壤碳存在著極其復雜的轉化過程，僅從一種碳變化分析土壤‐大氣碳循環(huán)機理是不夠深入的。需要在此基礎上對土壤中各類碳的變化及相關關系進行全面深入研究，這對實現(xiàn)土壤固碳、節(jié)能、減排，提高土壤肥力，改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

（3）近年來，學者們主要根據(jù)土壤有機碳的有效性、特性、分離提取方法來命名、劃分，對土壤有機碳測定方法由最初的劇烈提取手段（化學分組技術）發(fā)展到輕微提取手段（物理分組技術）再發(fā)展到幾乎保持土壤微生物活性手段（生物方法）。因此，在土壤有機碳測定過程中應更加規(guī)范使用先進的儀器、設備，如紅外光譜核磁共振和同位素示蹤等；在土壤有機碳分組問題上應明確各類碳組分概念和聯(lián)系；在土壤有機碳的測定方法上應更加統(tǒng)一，使其整個有機碳研究更加規(guī)范化、系統(tǒng)化。

土壤碳庫構成特征直接影響土壤碳庫變化，充分了解土壤碳庫構成對土地利用的響應，增強土地的合理利用程度，從而實現(xiàn)土地的可持續(xù)發(fā)展。土壤有機碳的不同分類系統(tǒng)對理解有機物質分解、礦化、養(yǎng)分循環(huán)變化以及土壤結構的改善有重要作用，成為陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的熱點問題。