土壤活性有机碳的研究进展1）

郑 红

（东北林业大学，哈尔滨 150040）

陆地生态系统碳循环占全球碳收支的主导地位。土壤是陆地生态系统的核心，是连接大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈的纽带，因此，了解土壤碳循环是研究陆地生态系统碳循环的必要前提。土壤碳库根据功能的不同，即不同周转时间、化学属性和库的大小对土壤有机碳库进行划分，将土壤碳库分为活性库（active pool）、慢性库（intermediate or slow pool）和惰性库（passive or inertpool）[1]。土壤活性有机碳是指土壤中移动快、稳定性差、易氧化、矿化，并对植物和土壤微生物活性较高的那部分有机态碳[2]，虽然它只占土壤有机碳总量的较小部分，但由于它可以在土壤全碳变化之前反映土壤微小的变化，又直接参与土壤生物化学转化过程，同时，也是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力[3]。这已成为土壤、环境和生态科学领域对土壤碳和养分循环方面所关注的焦点和研究的热点之一。

目前，土壤活性有机碳根据其测定方法和所指有机碳的组分不同而表述为水溶性有机碳、微生物量碳、轻组有机碳和易氧化活性有机碳。它们都可以在不同程度上反映土壤有机碳的有效性和土壤质量[4]。以及有机碳的组分和全碳的比值均是反映土壤碳库的重要指标，可以指示土壤有机碳的稳定性、有效性和水溶性，对评价土壤有机质和土壤质量变化特征具有重要的意义。

1 活性有机碳组分

土壤有机碳不同组分对土地利用变化的响应和敏感度不同，其中土壤活性有机碳最活跃、周转最快、对土地利用变化最敏感，易被生物直接利用。这些组分是土壤有机质中对物理或化学等干扰因素反应最敏感的部分，也是养分循环中具有重要作用的部分[5]。在营养元素的地球生物化学过程、微生物的生长代谢过程、土壤有机质分解过程等有着重要的作用。另外，这些组分在没有被分解完之前，对土壤结构临时起稳定作用。综合国内近年的文献来看，较常用的表征土壤活性碳的指标为水溶性有机碳、微生物量碳、轻组有机碳和易氧化活性有机碳、颗粒有机碳。

土壤微生物量碳是土壤中体积＜5～105μm3活的细菌、真菌、藻类和土壤微动物体内所含的碳，是土壤有机质中最活跃和最易变化的部分。土壤微生物量碳对耕作、施肥和利用等措施对土壤质量影响的反应非常敏感而且综合性强，还可反映土壤污染的程度。土壤微生物体碳所反映的土壤质量被称作土壤的生物学质量。它们也是土壤微生物活动能源和土壤养分的驱动力，土壤微生物量碳以敏感指示土壤有机碳的动态变化，对土壤碳氮磷等养分循环具有重要的意义。因此，它们是评价土壤碳库平衡和土壤化学、生物化学肥力保持的重要指标。

溶解性有机碳（DOC）是指可以通过0.45μm孔径滤膜的大小和结构不同有机分子连续的统一体[6]，主要指能够溶于水、酸或碱溶液中的有机碳。溶解性有机碳是联系陆地生态系统和水生生态系统中的一种重要的、很活跃的环境化学物质。土壤中溶解性有机碳主要包括溶解在土壤溶液中不同种类的低分子量有机碳和以胶体状悬浮于土壤溶液中的大分子量有机碳，它们对调节阳离子淋洗、金属溶解、矿物风化及酸性阴离子的吸附－解吸具有重要作用。主要存在于土壤腐殖质酸性部分，其35%～47%存在于胡敏酸中。它既能影响环境的酸碱特性，也影响营养物质的有效性、污染物质的毒性及其迁移特性，对土壤中碳、氮、磷的生物地质化学循环以及对成土过程都有重要作用。DOC的淋失是土壤有机碳损失的重要途径，所以溶解性有机碳的分析测定对开展土壤养分迁移转化、土壤有机质的生态化学过程和环境污染方面的研究都具有现实意义。

易氧化碳是能被333mmol／L的高锰酸钾氧化的有机碳，它在种植作物时变化最大[7]。这部分碳素在一定的时空条件下，受植物、微生物影响强烈、具有一定溶解性，在土壤中移动较快、不稳定、易被氧化分解[2]。对农业可持续发展系统来说，土壤碳库容量的变化主要发生在土壤易氧化有机碳库中，所以认为这一活性指标对衡量土壤有机质的敏感性要优于其它农业变量，可以指示土壤有机质的初期变化。通过动力学研究指出，土壤有机质的短暂波动主要发生在易氧化、分解部分，并选择易氧化碳、可矿化的碳及微生物量碳作为土壤活性有机碳的指示因子。

轻组有机碳指土壤中相对密度小于2.0g／cm3的组分[8]。一般认为，轻组是指土壤经过一定程度的分散或甚至完全的分散之后在一定密度（常用密度为1.2～2.0g／cm3）液体中用浮选法分离得到的有机物质，主要包括处于不同分解阶段的植物残体、小的动物和微生物，具有较高的周转速率、相对高的C／N比和相对密度显著低于土壤矿物。主要是游离态的有机质，含有76%～96%的活性有机质。轻组有机碳的变化可以指示土壤肥力的变化，与土壤呼吸速率、土壤矿化碳、微生物量氮等呈显著正相关，潜在生物活性较高，能体现土壤碳的活性。轻组有机质对土壤有机质的周转十分重要，是植物养分的短期储存库。轻组有机质（LFOM）是按照密度法分离出来的，其大小和组成具有季节性波动，主要取决于有机物的输入和分解速率，其分解碎屑对水稳定性团聚体的形成具有重要作用。运用该指标从事土壤有机质与肥力间的相关研究是很有意义的。

土壤中颗粒有机碳是指土壤中与砂粒结合的有机碳（粒径53～2000μm），并进一步可能结合在土壤大团聚体与微团聚体中，这类有机碳组分是动植物残体向土壤腐殖质转化的活性中间产物和一类腐殖化程度较低、但活性较高的有机碳库、易解的碳库，许多研究证明易分解土壤有机质如果在分子或团聚体水平上被结合在土壤团聚体内部则会分解受阻而变成非活性部分。其结构和组成与轻组有机碳相同，性质相似，与轻组有机碳间有很高的相关性，在土壤碳氮硫循环中有着重要的作用[9]。

2 土壤活性有机碳的主要影响因素

土壤中碳库含碳量主要与土壤温度、土壤水分、蒸发量以及它们的季节变化有关。这些因素直接影响着植被的生产力，即影响土壤系统碳的输入量，也影响着土壤生物活动，从而影响碳的输出量。如广大的冻原地区，生物生产量虽然很低，但由于寒冷分解受到限制，其土壤含碳密度最高；其次是沼泽、湿地等生态系统，因水分过多限制了分解。在自然因素条件中，气候因素是一个重要的因素，气候影响着水热条件。全球大气温度、降水及其地理分布情况的任何变化，都会对陆地生态系统产生影响。气候一方面制约着森林植被类型，影响植被的生产力，从而决定输入土壤有机碳（SOC）的总量；另一方面，从土壤SOC的输出过程来说，气候条件的变化，影响微生物对土壤有机碳的分解和转化。

2.1 水分和湿度

水溶性有机碳的淋失是土壤有机碳损失的重要途径。对森林土壤来说，随着淋溶过程次数的增多，土壤中淋洗出来的水溶性有机碳（WSOC）的总量增加；随着温度的升高，土壤中淋洗出的 WSOC的量也增加。冻融过程和淹水处理能增加土壤中WSOC的淋溶损失，淋溶物主要是低分子量的有机质中，表明冻融过程和淹水处理都能够增加土壤中的WSOC含量。降雨量特别少的年份采集的土壤样品中，水溶性有机碳（WSOC）的含量比其它年份有显著的增加（增加约33%），增加幅度的效果与每年施N 175kg／hm2的有机肥料相当。干样与湿样相比，干样中测得的土壤活性有机碳含量要低的多。但是风干和烘干均可使土壤活性有机碳浓度增加，并且烘干的大于风干的。因此，干湿交替土壤中WSOC的增加的来源，不仅仅是土壤微生物。土壤小孔隙中的有机碳也可能由于干湿交替而释放。短期培养条件下CO2浓度升高及干旱胁迫下土壤有机碳的变化不大；相比较之下，不同土壤湿度，土壤活性有机碳含量发生变异的幅度因CO2浓度升高而降低[10]。

2.2 温度和季节

在4℃下冷冻时，对活性有机碳浓度无影响，与新鲜样品中浓度一致。低温、水分过高和过低造成的缺氧都会限制微生物的活动，使土壤有机C、水溶性有机碳积累含量较高，土壤有机质分解的最适温度是25～55℃。土壤溶液中活性有机碳的季节变异十分强烈，无论是针叶林还是阔叶林；无论是根圈土还是非根圈土溶液中活性有机碳平均含量均高于25℃水溶性有机碳含量。含量呈递增顺序：夏季＜春季＜秋季＝冬季[11]。对常绿阔叶林、马尾松林和杉木林三类森林在25℃和100℃进行对比，顺序：绿阔叶林＞杉木林＞马尾松林最低，其中三类森林100℃水溶性有机碳含量均高于25℃水溶性有机碳含量。在小麦收获季节，小麦根圈土的水溶性有机碳下降，但其根圈土的碳水化合物和易氧化碳随植物逐渐成熟而增加，微生物有机碳在开花期达到了最高峰，随后逐渐下降的趋势[12]。从森林生态系统土壤活性有机碳季节动态变化来看，不同类型的植被下，土壤易氧化有机碳（EOC）含量的季节变化在土层（0～10cm、10～20cm）均未达到显著水平；而土壤微生物碳（SMBC）与水溶性碳（WSOC）都随季节有明显的增大趋势[13]。

2.3 土地利用方式变化

不同土地利用类型、方式下的土壤有机碳是土壤及养分循环研究中的重点内容之一。土壤活性有机碳含量比有机碳含量对土地经营更敏感，土地利用方式的不同或利用方式的改变通常引起有机质的输入量及土壤中有机质的周转速率变化，从而影响土壤中水溶性有机碳的含量。土壤活性有机碳、轻组有机碳和土壤团聚体对土地利用变化的敏感性不同。

随着常绿阔叶林被改造为其它土地利用类型后，土壤微生物量碳含量也随着显著降低。如土壤微生物量碳含量从高到低依次为：栲树林＞木荷林＞灌丛＞茶园＞马尾松林＞杉木林＞金钱松林＞毛竹林＞裸地。主要由于人类干扰极大，使碳源输入极大减少，也对土壤质地和土壤生物群落造成严重破坏，从而使裸地土壤微生物量碳含量比栲树林、木荷林、灌丛和人工林都低[14]，研究原始冷杉林和由原始林转化成的45年云杉人工林、25年云杉人工林和菜地等4种土地利用类型，土地利用变化明显影响土壤活性有机碳组分的含量，其中微生物量碳和水溶性有机碳的变化趋势为原始冷杉林＞45年云杉人工林＞25年云杉人工林＞菜地，易氧化有机碳的变化趋势则为45年龄云杉人工林＞原始冷杉[22]，常绿阔叶林、马尾松林和杉木林三类森林土壤从表层（0～20cm）到底层（60～80cm）水溶性有机碳含量总体上呈现下降趋势，但20～40cm至40～60cm土层，下降量不大，甚至马尾松林还有增加。三类林分根区土壤水溶性有机碳含量均极显著高于非根区土壤。根区土壤水溶性有机碳含量：常绿阔叶林＞马尾松林＞杉木林[15]。在落叶林生态系统中可溶性有机碳含量的增加，主要是源于上层的森林覆被层在不同土地利用类型土壤0～40cm活性有机碳含量，土壤微生物量碳、溶解性有机碳和轻组有机碳的分配比例随土层加深而下降，但溶解性有机碳的分配比例变化趋势相反[16]。说明不同地区由于植被类型的复杂性，研究结果常不一致，这其中和地上森林植被的生物归还能力有较大关系。由于森林土壤水溶性有机质主要来源于枯枝落叶、根系分泌物和土壤有机质，水溶性有机碳与土壤总有机质碳常又处于动态平衡之中，可以在一定条件下相互转化，因而土壤总有机碳高的土壤，水溶性有机碳含量也常常较高[17]。

当森林生态系统改为农业生态系统（玉米）后，随着玉米种植年限的增加，表层土壤有机质含量呈下降趋势，而土壤水溶性有机碳（DOC）含量却反而增加。森林全伐后种植玉米的土壤DOC含量及性质变化[12]。种植初期，由于有机质的矿化作用加强，土壤DOC含量增加了2.5倍，然而当土壤有机质稳定后，土壤DOC含量则随着耕作时间的延续而呈下降趋势。森林采伐后林下土壤溶解性有机碳含量有所上升，也有相反的结果：两者轮作（每作2～5年）时，土壤有机质含量几乎不变，但土壤DOC含量牧草期高于玉米期[18]。六盘山林区天然次生林、农田、草地和人工林土壤活性有机碳含量和分配比例随天然次生林变成农田或草地而降低，随农田或草地中造林而增加，且土壤活性有机碳含量的变化幅度比分配比例大[19]。亚热带山地红壤内林地开垦为农业用地会导致富含碳的土壤大团聚体有机碳含量大幅度下降，团聚体的稳定性也随之下降[20]。由于不同土地利用方式的土壤大团聚体呈现粒径越大，团聚体有机碳含量越高的趋势，林地不同粒径团聚体有机碳含量都显著高于农业用地。土壤总有机碳增加主要受到大团聚体有机碳增加的影响。为保护天然常绿阔叶林、选择适宜的更新树种和天然常绿阔叶林人工更新后林地土壤的管理提供科学依据，也为退耕还林中树种的选择提供参考[21]。

集约经营竹林，土壤微生物量碳占总有机碳比率0～20cm、20～40cm土层均显著低于粗放经营竹林，集约经营后毛竹林不仅减少了土壤水溶性有机碳数量，同时，水溶性有机物分子量也明显变小。而毛竹集约经营后土壤的矿化态碳显著上升，数量与占总有机碳比例均显著高于粗放经营竹林土壤。这是由于长期耕作和施化肥可造成矿化态碳数量增加而稳定态碳减少[22]。集约经营5a、10a和20a的板栗林，表层土壤微生物量碳、土壤水溶性有机碳平均含量与灌木林相比都有显著下降，板栗林集约经营初期（5a），土壤微生物量碳占总有机碳比率与灌木林无显著差异，到集约经营10a后，比率呈显著下降趋势。水溶性碳占总有机碳比率灌木林和集约经营板栗林间，随着集约经营历史延长，比率没有明显变化[23]。雷竹土壤微生物生物量碳出现了明显下降的趋势，比马尾松和板栗林都低，随着覆盖年份增加土壤活性碳含量也明显增加，但稳定态碳没有明显的变化规律。雷竹园冬季覆盖物补充了土壤水溶性有机碳的库源，使土壤上升，覆盖年份增加，土壤水溶性有机碳增加了[24]。

3 结语

土壤活性有机碳对理解有机物质分解、矿化潜能、养分循环变化以及土壤结构的生物物理控制有重要作用，其研究成为陆地生态系统中碳移的热点问题。目前对于土壤有机碳库的动态变化过程和数量的研究，仍然存在大量的不确定性因素，尽管关于土壤活性有机碳的影响因素已经进行了大量研究，但这些研究诸多仅是定性上的阐述，或只考虑局部影响因素，从而制约着对土壤活性有机碳动态过程以及源汇的深入理解，制约着碳收支系统、准确的评估。因此，预测未来土壤活性有机碳值得深入研究的重点问题为：①土壤活性有机碳的组分应该准确化对其过程与状态进行定量描述。进一步完善土壤活性有机碳的测定方法；使其规范化、系统化，加强方法间的可比性和依据性；②应用先进仪器（如红外光谱、核磁共振和同位素示踪等）精确研究其形态和结构；③主要是从土壤活性有机碳贮量的饱和性、稳定性、归因及其时空尺度（temporaland spatial scales）异质性等方面综合研究土壤有机碳贮量及其变化特征，提出更切合实际的土壤活性有机碳内循环模型，弄清影响土壤有机碳贮量与影响各因素间的响应及其反馈作用；④重视土壤活性有机碳的非根际与根际区对比效应的研究；⑤加强土壤活性有机碳、土壤养分循环、氮沉降的影响与可持续发展适用性研究；⑥加强土壤活性有机碳与水体富营养化、温室气体排放等综合关系的研究；⑦固有的模型不能有效地反映其综合因素对土壤活性有机碳产生的影响动态模型，难以反映土壤活性有机碳变化内在机理过程及其对环境响应的关键问题。⑧各粒级土壤团聚体中土壤活性有机碳的变化都会影响其性质和稳定性，其内在土壤活性有机碳的分解与积累也会对全球气候变化和碳循环产生影响。预计对土壤团聚体中土壤活性有机碳的机理、组分、周转的研究将是未来研究的重点。

[1]Smith P，Smith JU，Powlson D S，et a.l A comparison of the performance of nine soil organic mattermodels using datasets from seven long-term experiments[J].Geoderma，1997，81：153-225.

[2]沈宏，曹志洪，胡正义.土壤活性碳的表征及其生态意义[J]..生态学杂志，1999，18（3）：32-38.

[3]Coleman D C，Rcid C P P，Cole C.Biological strategies of nutrient cycling in soil systems[J].Adrances in Ecological Research，1983，13：1-55.

[4]徐明岗，于荣，王伯仁.土壤活性有机质的研究进展[J].土壤肥料，2000，6：3-7.

[5]Khanna，P.K.，B.Ludwig，J.Bauhus＆C.0’Hara.Assessment and significance of labile organic C Pools in forests oils.Assessment methods for soil carbon.BocaRaton，Florida：UwisPublishers，2001：167-182.

[6]Moore TR，Souza W D，Koprivnjak J F.Controls on the sorption of dissolved organic carbon by soils.Soil Sci.，1992，2：120-129.

[7]Lefroy R D B，Blair G J，Strong W M.Changes in soil organic materwith cropping asmeasured by organic C fractions and 13Cnatural isotope abundance.Plant and soil，1993，156：399-402.

[8]Greenland D J，Ford G W·Separation of partially humified organic materials by ultrasonic dispersion[C].International Society of Soil Science.Eighth International Congress of Soil Science.Bucharest Romania，Transaction，1964，3：137-148.

[9]张履勤，章明奎.土地利用方式对红壤和黄壤颗粒有机碳和碳黑积累的影响[J].土壤通报，2006，37（4）：662-665.

[10]王淑平，周广胜，吕育财，等.中国东北样带（NECT）土壤碳、氮、磷的梯度分布及其与气候因子的关系[J].植物生态学报，2002，26：513-517.

[11]曹建华，潘根兴，袁道先，等.岩溶地区土壤溶解有机碳的季节动态及环境效应[J].生态环境，2005.14（2）：224-229.

[12]Pratap C.B.Kanta，Subhendu Bhadraraya，，T.J.Purakayasthaa，Vanita Jainb，Madan Palb and S.C.Dattaa Active carbon-pools in rhizosphere of wheat（Triticum aestivum L.）grown under elevated atmospheric carbon dioxide concentration in a Typic Haplustept in sub-tropical India environmental pollution，2007，147（1）：273-281.

[13]李玉武.次生植被下土壤活性有机碳组分季节动态研究[D].中国科学院成都生物研究所，2006：70.

[14]戴慧.天童地区不同土地利用类型土壤的碳库特征[D].华东师范大学，2007：22.

[15]徐秋芳.森林土壤活性有机碳库的研究[D].浙江大学，2004：53-54，90-92.

[16]宇万太，赵鑫，姜子绍，等.不同施肥制度对潮棕壤微生物量碳的影响[J].生态学杂志，2007，26（10）：1574-1578.

[17]周程爱，张于光，肖华.利用变化对川西米亚罗林土壤活性碳库的影响[J].生态学报，2009，29（8）：4543-4547.

[18]Haynes R J.2000.Labile organic matter an indicator of organic matter quality in arable and pastoral soil in New Zealand.Soil.Biol.Biochem.，32：211-21.

[19]吴建国，张小全，徐德应.六盘山林区几种土地利用方式对土壤有机碳矿化影响的比较[J].植物生态学报，2004，28（5）657-664.

[20]毛艳玲，杨玉盛，刑世和，等.土地利用方式对土壤水稳性团聚体有机碳的影响[J].水土保持学报，2008，22（4）：132-137.

[21]龚伟，胡庭兴，王景燕，等.川南天然常绿阔叶林人工更新后土壤碳库与肥力的变化[J].生态学报，2008，8（6）：2536-2545.

[22]徐秋芳.森林土壤活性有机碳库的研究[D].浙江大学，2004：53-54，90-92.

[23]邬奇峰，姜培坤，王纪杰，等.板栗林集约经营过程中土壤活性碳演变规律研究[J].浙江林业科技，2005，25（5）：7-9.

[24]姜培坤，周国模，徐秋芳.雷竹高效栽培措施对土壤碳库的影响[J].林业科学，2002，38（6）：6-11.