土壤溶解性有机碳测定方法与应用

基金项目:中国气象局科技专项项目和中国气象局沈阳大气环境研究所启动基金项目共同资助。

作者简介:吕国红,女,1977年生,硕士,主要从事土壤碳氮方面的研究,E 2mail :lgh7210@yahoo 1com 1cn 。通信作者:周广胜,E 2mail :zhougs @public2.bta.net.cn 。

土壤溶解性有机碳测定方法与应用

吕国红1　周广胜1,2　周莉2　贾庆宇1

(11中国气象局沈阳大气环境研究所,沈阳　110016;21中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室,北京　100093)

　　摘　要:溶解性有机碳是土壤圈中一种非常活跃的化学物质,它对土壤中化学物质的溶解、吸附、解吸、迁移和毒性等行为均有显著的影响。在现代土壤研究中,出现了与溶解性有机碳相关的众多术语,分析方法也各有不同。从溶解性有机碳、水溶性有机碳、活性有机碳、易氧化碳、微生物量碳、可矿化碳不同术语的角度,概述了这类碳分析意义和测定方法,以期对土壤有机质应用研究起到积极作用。

关键词:溶解性有机碳;水溶性碳;活性有机碳;易氧化碳;微生物量碳;可矿化碳;测定与应用

　　土壤溶解性有机碳(Dissolved organic carbon ,简称DOC )指在一定的时空条件下,受植物和微生物影响强烈,具有一定溶解性,在土壤中移动比较快、不稳定、易氧化、易分解、易矿化,其形态、空间位置对植物、微生物来说活性比较高的那一部分土壤碳素。作为土壤有机碳最活跃的组成部分,DOC 对于调节土壤阳离子淋失、矿物风化、土壤微生物活动以及其他土壤化学、物理和生物学过程具有重要意义[1]。同时,土壤DOC 的淋溶是土壤有机碳损失的重要途径,它作为一项环境指标,对研究碳循环和环境有重要的意义[2]。

研究土壤活性有机碳库的库容及动态变化过程,必须首先进行土壤有机碳库的测定。土壤溶解性有机碳不是一种单纯化合物,而是土壤有机碳的组成部分之一[3]。国内外相关研究中描述这一部分碳素的术语很多,如有效碳(Available carbon )、水溶性有机碳(Water -soluble organic carbon ,简称WSOC )、易氧化碳(Labile carbon )、可矿化碳(Miner 2alized carbon )、活性有机碳(Active carbon )、微生物量碳(Microbial biomass carbon )[3]。Whitbread 等[4]认为活性有机质包括了众多游离度较高的有机质,如植物残茬、根类物质、真菌菌丝微生物量及其渗出物如多糖等。Johns 等[5]认为活性有机质是能够被微生物利用作为能源和碳的土壤有机质。Blair 等[6]指出活性有机质是土壤中易氧化分解的有机质。林滨等[7]认为土壤中水溶性有机碳指的是土壤样品在室温及天然p H 条件下能溶于水相的有机组分。也有人认为水溶性有机碳是用水提取的能通过0145μm 微孔滤膜的土壤有机物质的总称[8]。陶澍等[9]认为

土壤中能直接进入水相的有机碳仅仅是土壤总有机碳的一小部分,即以小分子量富里酸为主要成分的水溶性有机物。不同研究者对溶解性有机碳的测定方法不尽相同,但都可在不同程度上反映有机质的有效性,指示土壤有机质或土壤质量。如何比较不同测定方法测定的土壤溶解性有机碳,定量评估土壤溶解性有机碳对全球碳收支的贡献,迫切需要对不同测定方法进行比较。

本文试图从不同术语的角度,综述它们的测定方法,为比较不同测定方法测定的土壤溶解性有机碳和定量评估土壤溶解性有机碳对全球碳收支的贡献提供依据与参数。

1　土壤溶解性有机碳和水溶性有机碳的测

定

　　DOC 包括一系列有机物,从简单的有机酸到复杂的大分子物质如胡敏酸、福里酸,但主要部分是WSOC 。土壤中DOC 主要来源于近期的植物枯枝落叶和土壤有机质中的腐殖质。DOC 是养分移动的载体因子,对土壤C ,N ,P ,S 等的迁移转化起着重要作用,其淋失是土壤有机质损失的重要途径。由此可知,DOC 的分析测定对分析土壤养分迁移转化、土壤有机质的生态化学过程具有实际意义。

应用快速而精确的方法测定土壤有机碳的问题已提出了半个多世纪,前人所用的方法不尽相同,但其方法不外乎通过干烧法测定CO 2,先用稀盐溶液提取土壤中的DOC ,常用的稀盐溶液有CaCl 2,KCl ,K 2SO 4[10],再低温蒸干提取液,而后在通氧气的情况下,高温(大于700℃

)干热将DOC 氧化成CO 2,产　　　　　　第22卷第2期2006年4月　　　　　　气象与环境学报

J OU RNAL OF M ETEOROLO GY AND ENV IRONM EN T

　　　　　Vol 122No 12April 2006

干烧法。此方法精度较高,有机碳氧化需要用的仪器价格昂贵,样品分析用量少(3～5mg),且必须干燥和细磨,当温度高于500℃时,无机碳可能分解使结果受干扰,所以石灰性土壤就需要用酸作前处理以除掉碳酸盐,因而多采用湿氧化法。

湿氧化法。通常用重铬酸钾氧化滴定技术,其测定有机碳效果较差,因为不能确保样品完全氧化,对所测结果必须校正。表土的校正系数为1119～1133。另一方面湿氧化法需要的时间长,很难消除铬和强酸,而且一些干扰离子在滴定和比色时也会引起误差。对于海水多用过硫酸钾氧化,但空白有相当大的变动性,实际上空白能否得到正确测定和扣除,是决定海水中DOC测定数据能否正确的关键。

多水土比色法是目前测定土壤WSOC含量的有效方法[7]。其主要步骤是首先用新鲜土样和去离子水配制一定浓度的混合液,将混合液连续振荡5h,然后离心。用滤膜抽滤离心后的上清液得到WSOC,用TOC有机碳测定仪测定WSOC样品的浓度。在这一过程中,WSOC的测定受采样时间、样品保存、提取方法、提取时间等有关条件的影响,分析这些因素的影响可有利于建立测定土壤WSOC含量的标准方法[14]。对于土壤中DOC的浸提,不同学者有不同的看法,其主要差异[2]:(1)浸提液:大多数的测定中用蒸馏水作为浸提液,如以015mol的K2SO4为浸提液[15],或与当地降雨成分相似的“人工合成降雨”为浸提液[16];(2)浸提时间:浸提过程通常有震荡和静置,震荡时间从15min到12h,静置时间从18～24h到10～14h不等,也有的测定在震荡后不静置;(3)过滤方式,多数测定都要经过离心、过滤等步骤,滤器的孔径也有不同,近年的测定多用0145μm微孔滤膜。

近年,用水提取土壤多采用热水提取。常用的温度有70℃或80℃,所提取的碳简称为HWC(Hot water carbon)。HWC是土壤生物化学测定中最敏感的指示剂,反映了不同土地管理措施下土壤有机质(Soil organic matter)的变化。在任何一定的土壤系统中,HWC的损失预示易氧化有机养分及微生物量的降低,可能也表明土壤结构的退化,因此,HWC 是土壤质量测定的重要组成部分。

2　活性有机碳和易氧化性碳的测定

　　活性有机碳并不是一种单纯的化合物,它是土壤有机碳中具有相似特性即较高有效性的那部分有机碳。不同研究者所指的活性有机碳不尽相同,但其都可在不同程度上反映有机碳的有效性,指示土壤质量[4-6]。测定活性有机碳的方法通常有化学法和物理法。Blair等[6]指出活性有机碳是土壤中易氧化分解的有机碳,因此,有研究者将活性有机碳等同于易氧化有机碳。

活性有机碳采用化学方法测定,是将易氧化、不稳定的有机碳作为活性有机碳,因此,化学方法所测定的有机碳也即易氧化有机碳。在加热条件下,用一定量的标准氧化剂来氧化土壤活性有机质,多余的氧化剂用标准的硫酸亚铁来滴定。从所消耗的氧化剂计算有机碳的含量。常用的氧化剂有2种: K2Cr2O7和KMnO4[17]。

用K2Cr2O7作氧化剂是在土壤有机质湿氧化测定方法的基础上对测定的H2SO4浓度和加热条件降低,如袁可能[18]提出的H2SO4-K2Cr2O7(1∶3)、130～140℃加热5min。在上述较温和条件下所氧化的有机质,作为活性有机质。

KMnO4氧化法是在3种不同浓度的KMnO4 (33,167,333mmol/L)氧化下,将易氧化有机质分成3个程度不同的级别[19]。研究发现3个级别活性有机质中,能被333mmol/L KMnO4氧化的有机质在种植作物时变化最大,因此将能被333mmol/L KMnO4氧化的有机质作为活性有机质[20]。现行的活性有机质测定中多用此方法。测定步骤:(1)将土壤样品风干;(2)25℃下,取3份含有15～30mg碳的土壤样品,装入塑料瓶内,加333mmol/L KMnO4溶液25ml,密封瓶口,在25r/min振荡1h,同时做空白样;(2)振荡后的样品以4000r/min离心5min,之后取上清液,用去离子水按1∶250的液,水比例稀释;(4)稀释液在565nm的分光光度计上比色,其标准液的浓度必须包含1mg碳;(5)根据KMnO4的消耗量,即求出样品的易氧化有机碳[3]。化学方法测定迅速、方便、简单,适于大批样品的分析,但需要昂贵仪器、操作技术熟练。

除了用化学方法测定活性有机碳外,也可以用物理方法分离土壤活性有机碳。物理方法分离土壤

25气象与环境学报第22卷活性有机碳是从20世纪70年代开始的,主要有筛选法、沉降法和浮选法。其中根据浮选法可将土壤有机质分为轻组有机质(Light fraction organic car2 bon,简称L FOC)和重组有机质(Heavy fraction or2 ganic carbon,简称HFOC)。L FOC与土壤呼吸速率、土壤矿化碳和微生物氮含量密切相关,有着较高的潜在生物活性,能体现土壤碳的活性[21]。Greenland 等[22]把土壤密度小于210g/cm3的组分定义为L FOC,属于游离态的有机质。在从事土壤有机质与肥力间的相关研究中运用L FOC作为指标有重要的意义。目前,利用相对密度分组法测定的L FOC尽管能在一定程度上体现土壤活性有机质,但它也有一定的局限性。L FOC包含了大量的不分解和很难分解的木炭和烧焦的物质,同时,泥炭土中的L FOC 也可能代表部分惰性土壤有机质[23]。

3　微生物量碳的测定

土壤微生物量碳是指土壤中体积小于5～105μm3活的微生物总量,是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分。土壤微生物量碳的变化可直接或间接地反映土壤耕作制度和土壤肥力的变化,还可反映土壤污染的程度。耕地表层土壤中,土壤微生物量碳一般占土壤有机碳总量的3%左右。因此,研究土壤微生物量碳对于了解土壤养分转化过程和供应状况具有重要的意义[24]。

自从Jenkinson和Powlson创造熏蒸培养方法测定土壤微生物量碳,发展到用多种方法来测定土壤微生物量,如氯仿熏蒸浸提法、基质诱导呼吸法、精氨酸氨化法等,其测试技术已有了长足的进步[25]。在培养过程中,活性有机碳的数量可影响活性微生物的比例,随着培养时间的延长,微生物量(基质诱导呼吸法测定法)、有效碳的含量下降[26]。目前,最常用的是氯仿熏蒸培养法和氯仿熏蒸浸提法。

氯仿熏蒸培养法的基本过程。调节新鲜土样含水量至50%田间持水量,25℃预培养7～10d,经氯仿熏蒸24h后,抽尽氯仿,接种少量新鲜土样,进行晴好天气培养10d,收集、测定培养期间释放的CO2。所释放的CO2是来源于被氯仿熏蒸杀死的微生物。以未熏蒸土壤在培养期间所释放的CO2量作为空白,根据二者之间的差值来计算土壤微生物量碳。该方法局限主要是不适于风干土壤微生物量测定;对游离CaCO3含量高的土壤、淹水土壤、p H< 415的土壤以及新近施过有机肥或绿肥的土壤,其测定结果均不可靠。

氯仿熏蒸浸提法是目前测定土壤微生物量碳的常用方法。土壤经氯仿熏蒸24h后,微生物被杀死,细胞破裂后,细胞内容物释放到土壤中,导致土壤中可提取碳、氨基酸、N等大幅度增加。抽尽氯仿,用015mol/L K2SO4抽提,测定提取液中总C量。比较熏蒸与未熏蒸土样提取液中含C量的差异,来估算土壤微生物碳。浸提液中碳测定最初采用K2Cr2O7 -HgO-H2SO4-H3PO4消煮法,不仅费时费力、效率低,而且HgO具有毒性[26]。Wu等[27]用一种微量碳分析仪测定浸提液中碳,大大地提高了工作效率。但是,该自动分析仪器昂贵,只有很少数实验室才拥有,阻碍了熏蒸浸提方法的普遍应用。林启美等人[25]对熏蒸浸提法作了改进。改进后所得的结论:(1)用K2CrO7-H2SO4外热源法进行消煮,0105 mol/L FeSO4滴定,测定K2SO4浸提液中的碳,简单快速、操作容易,结果的重现性和准确性较好;(2)采用1∶2水土比,浸提土壤中的碳,浸提液中碳的浓度较高,测定结果的变异系数较小。熏蒸浸提法与熏蒸培养法相比有以下优点:(1)测定周期短,无需进行熏蒸后的10d好气培养,适宜大批量样品的快速测定;(2)一次提取可同时测定微生物C、微生物N、微生物量P及微生物量S;(3)适用土壤范围广,可以测定酸性、中性、渍水土壤及新近施过有机肥土壤的微生物量[23]。熏蒸浸提法的问世为土壤微生物量测定提供了一种简便、快速、可靠的方法。该方法克服了熏蒸培养法及其他方法的局限,在今后土壤学的研究领域中具有广泛的应用前景[28]。

近年来,有学者对水提取土壤溶解性碳及熏蒸浸提法提取微生物量碳进行了比较,分析二者之间的耦合性。用冷水直接浸提湿土,其提取物几乎不含有来自微生物的碳,且二者之间具有较差的一致性[29]。然而,熏蒸浸提法提取物中含有相当数量的可溶性碳,其中一部分来源于被杀死的微生物。为了更大程度地提取微生物量碳,水提取干土样时,应尽量溶解活性细胞。水温70℃足以杀死植物微生物细胞,同时可使微生物量碳溶解在水中[29]。比较70℃水提取法与熏蒸浸提法,结果发现,水溶性碳与微生物量碳成线性关系(R2=0179,n=66,P< 01001),土壤风干后采用热水提取,提取物碳含量大约是微生物量碳的43%。因此,热水提取物碳作为易氧化性土壤碳,并不能取代微生物量碳。然而,对于有机碳含量少于10%的表层土壤而言,水提取物碳更接近于微生物量碳。

4　可矿化碳的测定

可矿化碳又称生物可降解碳,主要利用微生物分解有机物质,测定CO2释放量或专性呼吸率qCO2 (每单位微生物量产生的CO2量)即可求得可矿化碳

35

第2期吕国红等:土壤溶解性有机碳测定方法与应用　　量[30]。Dobbins[31]认为,土壤呼吸用CO2的释放量表示,可以广泛地评估土壤微生物活性,因此,很早以来就被人们作为土壤微生物总的活性指标或作为评价土壤肥力的尺度之一。

测定可矿化碳的方法很多,既有简单可行的野外测定方法,也有灵敏可靠的仪器分析方法,如滴定法和气相色谱法等。这些方法各有特点,但尚无标准方法。目前,实验室培养法是常用的测定方法。具体测定方法为取定量土壤,放入密封可抽气容器中,保持一定湿度,并放入装有NaOH可吸收CO2的小烧杯,培养一段时间后,用盐酸滴定NaOH,即可求得土壤可矿化碳。土壤可矿化碳的测定要求密闭条件好,稍不严格就会带来很大偏差,甚至失败。实验室培养法实际上是密闭培养法的一种改进,主要是设计了一种呼吸瓶装置,从而简化了试验操作,改进后的方法适用于研究好气条件下土壤有机碳的分解速率。

5　结语

DOC在指示土壤质量和土壤肥力的变化时比有机质更灵敏,更能反映土壤理化性质,特别是与土壤中氮矿化的关系更为密切。因此,DOC对生态学和环境学具有重要意义,且易于检测,DOC等能更好地反映转化速率。尽管由于DOC涉及的范围甚宽,还有待于规范和统一标准,但都可在不同程度上反映有机质的有效性,指示土壤有机质或土壤质量。土壤微生物生物量碳/全碳,作为土壤碳库质量的敏感指示因子可以推断碳素有效性,土壤矿化碳/全碳可以指示土壤有机碳活性,土壤易氧化碳与全碳的比值可以度量土壤有机碳氧化的活性[32-33]。但是用不同方法测定出的结果差异性比较大,相互并不能解释,进一步完善土壤活性有机碳的测定方法可能是将来的研究重点。

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Methods of soil dissolved organic carbon measurement and their applications

L üGuohong 1　ZHOU Guangsheng 1,2　ZHOU Li 2　J IA Qingyu 1

(1.Institute of Atmos pheric Environment ,CMA ,Shenyang 110016;

2.Laboratory of Quantitative Vegetation Ecology ,Institute of Botany ,the Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100093)

Abstract :It is clearly indicated that dissolved organic carbon (DOC )is an active chemical component in soils ,

which has significant influence on the solution ,adsorption ,desorption ,transport and toxicity of chemical matter in the soil.Many technical terms related to DOC came up in modern soil study ,but methods of DOC measurement were not systemic.From the point of view of different terms ,for example ,dissolved organic carbon and water 2sol 2uble organic carbon ,active carbon and labile carbon ,microbial biomass carbon ,mineralized carbon ,the significance of those components of carbon and their measurement methods were reviewed in this paper ,in order to improve the understanding of soil organic matter.

K ey w ords :Dissolved organic carbon ;Water 2soluble organic carbon ;Active carbon ;Labile carbon ;Microbial biomass carbon ;Mineralized carbon

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5第2期吕国红等:土壤溶解性有机碳测定方法与应用