全 文 ：土 壤 团 聚 体 固 碳 的 研 究 方 法*
陈晓侠1,2 摇 梁爱珍1**摇 张晓平1
( 1中国科学院东北地理与农业生态研究所, 长春 130012; 2中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘摇 要摇 增加土壤有机碳含量对维持土壤肥力和农业可持续发展,缓解温室气体增加和全球
气候变化的影响具有重要意义.土壤团聚体是土壤的重要组成部分,影响着土壤的各种物理
化学性质.土壤团聚体对土壤有机碳的物理保护是土壤碳固定的重要机制.本文综述了土壤
团聚体对有机碳的固定作用,土壤团聚体固碳机制研究的经典方法和现代常规方法,并且针
对研究中存在的问题探讨了今后的发展趋势.
关键词摇 土壤团聚体摇 土壤有机碳摇 研究方法
文章编号摇 1001-9332(2012)07-1999-08摇 中图分类号摇 S151. 9摇 文献标识码摇 A
Research methods of carbon sequestration by soil aggregates: A review. CHEN Xiao鄄xia1,2,
LIANG Ai鄄zhen1, ZHANG Xiao鄄ping1 ( 1Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese
Academy of Sciences, Changchun 130012, China;2Graduate University of Chinese Academy of Sci鄄
ences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(7): 1999-2006.
Abstract: To increase soil organic carbon content is critical for maintaining soil fertility and agricul鄄
tural sustainable development and for mitigating increased greenhouse gases and the effects of global
climate change. Soil aggregates are the main components of soil, and have significant effects on soil
physical and chemical properties. The physical protection of soil organic carbon by soil aggregates is
the important mechanism of soil carbon sequestration. This paper reviewed the organic carbon se鄄
questration by soil aggregates, and introduced the classic and current methods in studying the mech鄄
anisms of carbon sequestration by soil aggregates. The main problems and further research trends in
this study field were also discussed.
Key words: soil aggregate; soil organic carbon; research method.
*国家自然科学基金项目(31170483)和中国科学院知识创新工程
重要方向项目(KZCX2鄄EW鄄QN307)资助.
**通讯作者. E鄄mail: liangaizhen@ neigae. ac. cn
2011鄄12鄄04 收稿,2012鄄04鄄07 接受.
摇 摇 随着国际社会对气候变化、温室气体减排和粮
食安全的日趋重视,土壤固碳研究已经成为当今全
球变化和温室效应研究的热点之一. 土壤是陆地生
态系统中最大的有机碳库,全球的碳储量约为 1. 0伊
108 Pg(1 Pg = 1015 g),其中 1 m 深度的土壤中约
1500 Pg有机碳以土壤有机质( soil organic matter,
SOM)的形态储存于地球土壤中,全球土壤有机碳库
储量约为大气碳库(750 Pg)的 2 倍[1],是陆地生物
量的 2. 5 倍左右[2-3] . SOM 对一系列土壤性质和土
壤过程至关重要,如土壤结构、水分含量和变化及其
离子交换容量,增加 SOM含量有利于维持土壤养分
和农业持续发展[4] . 土壤碳库的稳定、增长或衰减
还与大气 CO2浓度变化密切相关[5-6] . 增加农田土
壤有机碳(soil organic carbon, SOC)固定,不仅可使
退化土壤得到恢复、增加土壤肥力、提高作物生产
力[7],而且有利于降低土壤 CO2释放,进而减缓温室
效应,使农业土壤成为大气 CO2的“汇冶,可以作为
有效的、具有中长期利益的 CO2减排的廉价途径[8] .
据政府间气候变化专门委员会(IPCC)统计,不同碳
价格下的经济固碳潜力每年高达 1郾 6 ~ 4郾 3 Pg CO2
当量,其中 90%来自土壤固碳[9] .
农田生态系统是受人类影响最直接、最频繁的
陆地生态系统.频繁的耕作、轮作和施肥等农业管理
措施使原有的 SOM矿化分解.而向农田中输入的作
物残体、有机肥的量又不足以保持 SOM 数量的稳
定,致使 SOC含量减少,不仅造成土壤肥力和土壤
质量的下降,生产力降低[10],而且损失的碳大部分
以 CO2 形式释放到大气中,加剧了全球气候变化的
压力.因此,农田生态系统对大气 CO2浓度的净贡献
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 7 月摇 第 23 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2012,23(7): 1999-2006
最终取决于其 SOC库的稳定性.
一般认为,SOM 的稳定性机制主要有 3 种:化
学稳定性、生物化学稳定性和物理稳定性[11] .其中,
物理稳定性机制指 SOC 通过形成土壤团聚体或被
包裹在团聚体内部,形成团聚体结合态有机碳,从而
减少矿化分解、提高稳定性的过程.由于土壤固碳的
物理机制与土壤管理密切相关,所以这一机制被认
为是土壤碳固定的最重要机制[12] .
1摇 土壤团聚体对有机碳的固定作用
土壤团聚体是土壤结构组成的基本单位,是由
土壤颗粒胶结形成的粒状或小团块状结构体. 它的
质量和数量不仅与土壤肥力有关,而且与土壤的抗
蚀能力、承载力和固碳容量等有直接关系.团聚体对
有机碳具有保护作用,表土中约 90%有机碳位于团
聚体内[13] .土壤的固碳功能伴随着土壤团聚体的形
成、稳定及更新周转过程的始终[14] .因此,明确团聚
体的形成和周转模式是理解和研究 SOC 动态的基
础,可以帮助理解 SOC 在团聚体中的固定机理[15],
但迄今为止,不同土壤中的团聚体形成与周转模式
尚无普遍应用的模型,因为这一机制与土壤类型、土
壤管理措施、土层深度及有机碳难降解性等有关.如
现有模型难以解释热带和亚热带地区的氧化土(富
含铁铝氧化物)内有机碳的稳定性与团聚体物理保
护过程的关系[16] .
目前,关于土壤团聚体形成与固定 SOC 的理论
与概念模型主要有以下两种. Tisdall 和 Oades[17]提
出概念模型,认为原始颗粒和微团聚体在胶结物质
缠绕下依次形成较大的微团聚体,最后胶结形成大
团聚体. Oades[18]对这个模型做了修改,认为大团聚
体首先形成,微团聚体再形成于其内部,或有机质分
解,大团聚体破碎后直接形成微团聚体.两种理论的
相同点在于,土壤颗粒的团聚是生命和非生命物质
共同作用的结果,即有机无机复合体是团聚体形成
的基础.大团聚体是在松结合态有机物质与多糖的
参与下形成的,微团聚体则主要受紧结合态有机物
质和粘粒的影响[19] . Golchin 等[20]的观点与 Oad鄄
es[18]类似,新鲜不稳定的大团聚体破碎形成的微团
聚体中含有颗粒态有机质( particulate organic mat鄄
ter, POM),这部分团聚体中的 POM(OPOM)因受微
团聚体的物理保护而减少了矿化分解,较游离的
POM(LPOM)稳定. Six等[21]的经典模型理论也赞同
Oades[18]的观点,认为大团聚体是在新鲜植物残体
和细 POM的作用下形成,然后在这些细 POM 周围
形成微团聚体,进而对其产生进一步的物理保护,这
些微团聚体在耕作扰动等作用下从大团聚体中释
放.上述两种团聚体的周转方式与土壤团聚体的固
碳潜力和机制有直接关系,对于阐明 SOC 库固定机
制具有十分重要的科学意义.
2摇 土壤团聚体固碳机制的研究方法
获取反映土壤团聚体中 SOC 分布的数据,对于
理解团聚体动态变化及其有机碳固定至关重要[15],
而数据的获取在很大程度上依赖于所采用的方法.
因此,有效的研究方法是获取土壤结构与 SOC 之间
相互关系的前提.目前,对土壤团聚体固定有机碳的
研究方法主要有以下几种.
2郾 1摇 经典方法
2郾 1郾 1 筛分法摇 筛分法是研究团聚体数量、分布和
稳定性的最常用方法[22-24],包括湿筛和干筛两种方
法.湿筛法由 Yoder[22]于 1936 年提出.他通过湿筛
法提取水稳定性团聚体来研究土壤结构的稳定性与
抗侵蚀能力.之后,湿筛法被广泛应用于测定由于降
雨引起的干土崩解和表面压实后形成的团聚体的粒
级分布和稳定性[25-26] .干筛法主要用于测定团聚体
中水溶性碳和氮,以确定原土中微生物的生物量和
活性[27-28] .这两种筛分方法对土壤样品的预处理和
筛分过程对 SOC在团聚体中的分布影响很大.湿筛
法需要将风干的土壤样品在水中浸泡,所以水体的
离子水化作用、土粒内空气压力、膨胀作用以及胶结
物在水中的溶解性容易导致团聚体破裂,同时会对
微生物群落造成一定程度的破坏;由于水溶性碳的
损失,还会低估团聚体碳库[29] . 干筛法对土壤样品
4 益下低温风干的预处理能够减小对微生物群落物
理栖息环境的破坏,而且在旱作或雨水少的条件下,
干筛法分离的团聚体的组成及团聚体中的水溶性
碳、氮浓度更接近田间实际[30] .但粘质土壤干筛时,
样品不同粒级组分的重现性不好,其原因是粘质样
品块状结构多是用手掰开,没有办法控制施加这一
过程的能量和次数. 也有人将粘质土壤至特定高度
后自由下落来分解大的块状结构,然后干筛.但土壤
水分过高或过低都会影响土块自由下落后粘质土壤
大结构的分散.因此,在实践中要根据研究目的选取
合适的筛分方法,进行团聚体分离或将湿筛法与干
筛法结合起来应用.
研究团聚体中结合的有机碳大多采用湿筛
法[16] .
2郾 1郾 2 超声波振荡法摇 20 世纪 70 年代以来,出现了
0002 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
许多采用化学提取和物理离心去分离和定量微团聚
体中 SOC的方法[31] . 超声波振荡是通过从土壤中
分离出有机无机复合物,来研究团聚体中有机无机
组分之间相互关系的方法[32] .超声波法的原理是使
用超声波震荡破坏较大团聚体中小微粒之间的库仑
力或范德华力,使小颗粒分散到基质中. Leifeld 和
K觟gel鄄Knabner[33]采用超声波振荡方法分离出 1 ~
63 滋m的微团聚体来研究微团聚体粒级分布对微团
聚体形成机理的作用.
2郾 2摇 现代常规方法
20 世纪 90 年代,研究者探索出多种研究团聚
体储存 SOC机理的方法.许多研究者采用物理与化
学过程结合的方法.如 Cambardella 和 Elliot[34]用六
偏磷酸钠分散团聚体,再通过 53 滋m 级的筛子筛分
去除砂粒和颗粒有机质成分,最后测定有机碳来评
价 SOC在团聚体中的分布. Beare 等[35]将以上方法
应用到团聚体中矿物颗粒结合碳的研究.近几年,在
以往方法的基础上又提出了一些新方法.
2郾 2郾 1 同位素示踪法摇 同位素示踪法包括稳定性同
位素示踪法和放射性同位素示踪法,是一种定量研
究土壤团聚体中有机质周转和分布的方法.
1)稳定性同位素示踪法( 13C 自然丰度法):13C
自然丰度法是一种研究 SOC 状态的有效方法,常被
用来研究有机碳来源,以及测定 SOM 各组分的周转
速率[36] .土壤中的有机质主要来自地上植物残体,
不同植被类型具有不同的 啄13C 值,所以当原始植被
类型被新的具有不同碳同位素组成的植被所取代
时,将导致 SOM 啄13 C 值的改变. 根据单位时间内
啄13C值的变化程度可算出 SOM 的周转速度[37] .
近年来,人们开始采用稳定性同位素13 C 来示
踪研究有机质输入后新碳在土壤团聚体中的去
向[38] .朴河春等[39]利用13C / 12C 示踪比值研究贵州
喀斯特地区林地变为玉米地后土壤轻质有机碳的动
态变化,结果表明,林地轻组有机碳的 啄13C 值明显
低于重组,而玉米地轻组碳 啄13C 值大于重组碳,说
明植物残留物首先进入轻组碳组分.史奕等[40]以水
稳定性团聚体及其与 SOC 的结合方式和组分变化
为研究核心,采用 啄13C 标记技术分析 SOC积累及其
分配,追踪其稳定性,揭示黑土的固碳机制和潜力以
及农业管理措施对其的影响.
13C 自然丰度法作为原位标记,可供土壤长期
标记,能保证所有的有机质组分(包括存留时间很
长的有机质组分)被均匀标记,是研究 SOM 周转的
理想示踪方法.该方法是自然标记,无放射性;能够
计算不同植物来源的 SOC 的比例和各有机碳组分
的周转;还可以研究不同农业措施对 SOM动态的影
响[41] .但 啄13C 示踪技术也有其应用范围,必须是原
来长期生长的植被被另一种有显著不同 啄13C 值的
植物类型替代.
2)放射性同位素示踪法:自 20 世纪 50 年代以
来,放射性碳同位素14C 示踪技术被用于 SOM 周转
研究.该方法一般用同位素14 C 标记植物物质作为
供试物料,新碳以植物碎屑形式加入到土壤中[36],
监测被14C 均匀标记的有机物质在土壤中的周转.
如果将这种示踪方法与非降解性物理化学分组方法
相结合,将有助于更好地研究团聚体中有机碳的动
态[15] . 14C 示踪技术具有其独特的优点[42]:一是灵
敏度高,采用低放射性活度的14C 标记物质,就可以
正确地反映其分解与转化过程;二是可以明确 SOM
分解与转化产物的来源,更好地研究土壤原有有机
质和新加有机底物的分解与转化过程;三是采用高
比度的14C 标记物料,可以追踪土壤中植物残体腐
解 10 年或更长时间的转化过程. 但如果防护不
当,14C的低能离子辐射会对人体健康造成潜在危
害,而且研究中所需仪器如液闪仪等价格昂贵,使该
技术在应用上受到了一定限制.
2郾 2郾 2 X射线计算机断层扫描成像法摇 土壤是一个
疏松多孔体,既有颗粒与颗粒之间的粒间孔隙,也有
团聚体与团聚体之间的结构孔隙. 土壤团聚体的形
成是一个复杂的物理、化学及生物化学过程,由无机
和有机物质胶结而成,是土壤的基本结构单位.土壤
团聚体的结构特征决定了土壤颗粒组成空间分布的
复杂程度、孔隙的分布模式以及孔隙内水分和空气
的分布,从而决定了土壤中微生物的生存空间与生
存环境.此外,其还对微生物与有机底物(食物源)
的可接近程度以及对捕食生物(微小动物或微生
物)的暴露程度产生影响,从而对土壤中发生的生
物化学过程(如养分循环,碳、氮的矿化,硝化与反
硝化等)形成影响[43],所以有必要对团聚体的结构
特征进行定量研究. 研究团聚体内部结构的传统方
法是制作土壤薄片,在显微镜下观察,并利用数字图
像处理方法进行定量分析[44-45] .但这种方法仅局限
于二维团聚体结构的研究,而且在制作薄片过程中
会引起土壤结构的收缩[46] . X 射线 CT 技术是通过
从物体外部检测的 X 射线投影数据重构物体内部
(横截面)信息的技术.它可以无损地得到样品吸收
系数三维分布的信息,具有很高的密度分辨率和空
间分辨率. X 射线 CT 测样品的元素组成信息是通
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过调节入射能量稍高和稍低于待测元素吸收限的能
量,进行 CT 扫描得到两幅 CT 图,再用差减技术处
理可得该元素在三维空间的分布图. 近年来,以 CT
扫描为代表的无损探测技术已经成为国际上研究三
维土壤结构的重要手段. 与常规土壤物理分析方法
相比,CT具有可以在不扰动分析对象内部结构的情
况下直接对原状土壤样本进行分析,且成像及分析
速度快,可以进行三维立体分析等优势,大大促进了
土壤结构的研究.目前,医用 CT技术和同步辐射 CT
技术的应用比较广泛.
1)医用 CT:1982 年医用 CT首次被引入土壤科
学研究,促进了土壤结构的研究[47] . 随着分形理论
的发展,分形维数被广泛应用于评价农业管理措施
对水稳定性团聚体分布的影响[48-50] . 研究表明,分
形维数与土壤水稳定性团聚体粒级分布有着明显的
对应关系[51],能够有效地定量描述土壤团聚体稳定
性.分形维数越小,土壤团聚体越稳定,表征土壤结
构越好[52] . Peyton等[53]提出使用 CT 结合分形维数
来描述土壤大孔隙结构.冯杰和于纪玉[54]利用医用
CT直接测量非扰动土柱内大孔隙结构的空间分布,
通过几何维数法得到土壤大孔隙的分形维数,进而
定量描述了大孔隙对水流及溶质在土壤中运移的影
响.但医用 CT分辨率通常较低,在 0. 5 mm左右,不
能分辨团聚体微结构的细节特征,而且实验室光源
的低通量、光源点大小及其单色性等限制了其向高
分辨率发展.
2)同步辐射 CT 技术( SR鄄CT):随着土壤微型
态学的发展,对图像检测技术的要求越来越高,高分
辨率图像和内部结构无损检测成为图像检测技术的
新要求.为了满足科学发展的需求,20 世纪 80 年代
以来,同步辐射光源越来越多地被结合到 CT 技术
中,从而建立起 SR鄄CT 技术. 相比 CT 技术,SR鄄CT
技术具有高空间分辨率、光子能量可选性等突出优
点.经过近 30 年的发展,SR鄄CT 技术得到了进一步
发展.
显微 CT,也称 Micro鄄CT、微焦点 CT或微型 CT、
滋CT、X射线微断层摄影术[55],是在不破坏样品的
情况下,利用 X 射线对样品进行扫描,其三维空间
分辨率可达微米量级,在材料、考古、地质、生物等领
域有重要应用. Papadopoulos 等[56]基于锥形束线的
微 CT扫描得到了土壤团聚体内孔隙的三维空间分
布图片.与传统管理下的土壤相比,发现有机农业管
理下的土壤包含相当数量的裂缝和连接团聚体边缘
的细长孔隙.这种类型的孔隙可能为团聚体内部包
裹的气体提供了逃离的路径,从而减少团聚体内部
因压力所导致的团聚体崩解,提高了团聚体的稳定
性.但利用微焦点 X 射线源作为光源的显微 CT 分
辨率虽然可以达到微米量级,但由于其光通量低且
为非单色光,对不同样品有不同程度的束线硬化,从
而影响了其真实分辨率.
同步辐射作为一种新兴光源,具有高亮度、高光
子通量、高准直性、高极化性、高相干性及宽的频谱
范围等特点,配合高分辨的 X 射线探测器,可以发
展同步辐射显微 CT,即将同步辐射应用到显微 CT
中,建立起同步辐射 CT(SR滋鄄CT)技术,其分辨率可
达 10 滋m以下[57] .目前该技术可以进行高分辨率的
三维成像,为三维土壤微结构研究提供了条件.周虎
等[58]利用上海光源 SR滋鄄CT 分析了不同利用年限
水稻土团聚体的三维微结构特征,证明了同步辐射
微 CT技术和辅助的数字图像处理与分析技术是研
究团聚体三维微结构的有效方法. SR滋鄄CT 可以通
过三维透视图来表征团聚体中的大孔隙网状结构,
从内部揭示土壤团聚体储存碳的特征,有助于理解
团聚体中土壤孔隙的形成与连通的机制以及大小团
聚体的构造格局.目前,这种方法已被应用于分析土
壤的结构属性[59],但很少用于团聚体中碳分布的
研究.
2郾 2郾 3 扫描电子显微镜法 摇 扫描电子显微镜( scan鄄
ning electron microscopy, SEM)法属于土壤微型态方
法,是应用扫描电子显微镜来代替肉眼和光学显微
镜研究土壤团聚体的方法. 该方法是通过研究团聚
体表面和地球化学特征来探讨团聚体中 SOC 的分
布[60-61],是探测土壤剖面 SOC 分布差异、透视有机
无机体相互作用与动态的非常有用的方法[62] .通过
该方法可以完全看到大团聚体和微团聚体的结构特
征. SEM法的工作原理是由电子枪发射的电子经电
子光学系统(由聚光镜和物镜组成)聚集成束照射
到样品表面,按顺序对样品表面进行扫描,从样品表
面发射出的二次电子通过检出器收集起来,再经视
频放大形成图像信号,经显像管显示.整个过程为同
步扫描,其结果在显示器上形成样品的表面图像.相
对于光学显微镜和其他电镜,扫描电镜具有可以直
接观察样品表面的三维立体结构、放大倍数可从 10
倍到数万倍、图像便于存储等优点. Cornu等[63]利用
扫描电子显微镜观察到了土壤团聚体的内外结构及
其差异,并根据观察结果提出了差异的原因,同时指
出了新加入的示踪元素在团聚体内外的分布情况.
但该方法只能对物体进行表面检测或切片检测,无
2002 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
法满足物体内部结构的在线及无损检测,而且熟练
的土壤预处理技术将是得到高质量扫描电镜图像的
前提.
2郾 2郾 4 扫描电镜与辅助的 X 射线能谱仪结合技术
(SEM鄄EDX技术)摇 X射线能谱仪(energy dispersive
X鄄ray spectroscopy, EDX)是近 30 年来发展起来的
一门元素测试技术. 该技术可以通过多波段分析器
同时记录 1 ~ 40 keV(或者更高)的量子能量,其特
征 X射线光谱能提供样品元素组成的定性定量信
息,因此,将扫描电镜与辅助的 X 射线能谱仪结合
起来(SEM鄄EDX 技术),不仅能对样品结构进行扫
描,还可以提供样品中元素的位置和含量分布.该技
术已在环境科学与技术领域被大量应用[64] .如对湖
泊、河口和海洋中悬浮颗粒以及土壤与沉积物的调
查研究[65] . Kaiser 等[62]采用 SEM鄄EDX 技术研究土
壤矿物质对有机质稳定的重要性,透视了矿物表面
有机碳的分布位置,并得到了矿物结合元素的含量
分布. Brodowski 等[66]利用 SEM鄄EDX 技术,研究了
土壤中黑碳的形态及黑碳中空间元素的组成,最终
证明了黑碳来源. 因此,SEM鄄EDX 技术对确定土壤
中颗粒级物质的结构及其元素组成是个很好的
方法.
Kaiser等[62]利用 SEM鄄EDX 技术对土壤团聚体
进行分析,不仅观测到了土壤团聚体的内外结构,透
视其中有机碳的位置以及矿物与元素的结合形态,
还得到了团聚体中元素的含量分布图. 综上,
SEM鄄EDX技术将非常有助于土壤团聚体中有机碳
的研究,而此类定量研究目前还鲜见报道.
2郾 2郾 5 傅里叶变换红外光谱显微技术(FTIR 显微技
术)和 SEM鄄EDX 技术的结合摇 SOM 是土壤肥力的
重要标志之一,也是土壤团聚体形成的主要胶结剂.
大部分 SOM具有复杂而较稳定的结构,能与金属离
子和粘土矿物等形成有机鄄无机复合物,对土壤结构
和养分保蓄等起着良好的作用.自 20 世纪 70 年代
始,傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared
spectrometry, FTIR)仪的出现和发展,促进了红外光
谱法在 SOM 研究中的应用并取得了一系列进
展[67] .从 1983 年 Bio鄄Rad公司推出第一台商用红外
显微镜后,显微红外光谱学随之诞生,并得到了广泛
的研究和应用. 目前,FTIR 显微技术已成为许多应
用领域(包括刑事侦破的物证鉴定、生物、药物、聚
合物、高分子化学、合成物、矿物、天然化合物及其纯
材料的污染物等)的必备设备.
红外吸收光谱属于分子振动光谱,主要研究分
子组成和结构与红外吸收谱图的关系[68] . FTIR 显
微技术是将显微镜技术应用到傅里叶变换红外光谱
仪中的新型系统.它的检测对象是无机和有机分子
化合物的分子结构和分子取向,并且只需在大气条
件下进行. 对绝大多数的物质而言,FTIR 显微技术
在保持原样样品形态时,在 1 min 内即可收集扫描,
无需像经典红外光谱那样分离试样和压片[69] .
扫描电子显微镜能在不同放大倍数下直接观察
样品表面的三维立体结构,其配备的附件 X 射线能
谱仪可快速检测样品的元素组成. FTIR是一种分子
结构分析,尤其是官能团分析的有力而成熟的技
术[68],并且具有许多优势.首先,显微镜技术仅需要
少量的样品用于分析(皮克或以下);其次,红外显
微镜是一种非破坏性技术[69],使测试更加微区化、
可视化、 高精度和高灵敏度[70] . 刘平等[71] 将
SEM鄄EDX技术和 FTIR技术联合应用到手机触点因
表面污染物和氧化引起的失效分析方面的研究.
SEM鄄EDX与 FTIR技术相结合将有可能对团聚体实
现定量、定性分析的同时,还能分辨团聚体结构体不
同部位 SOM的形态,从而促进团聚体中有机碳的研
究,目前相关研究还鲜见报道,该技术的应用还需进
一步验证.
3摇 存在的问题及展望
土壤团聚体对土壤碳的物理保护作用是碳固定
机理的核心之一[15] . 然而,团聚体与土壤固碳的交
互作用研究直至近年才逐渐引起重视,有机碳如何
通过团聚体发生物理与化学上的相互作用至今还处
在探索阶段.虽然研究土壤团聚体及其中 SOC 含量
的方法已经很多,但对 SOC在团聚体内部的分布及
其团聚体内部生物物理属性促进碳固定的研究还很
缺乏.同时,SOC与团聚体发生怎样的物理化学作用
来增加土壤的固碳潜力仍存在质疑[15] . 而且,现有
的研究大都采用一种方法回答团聚体变化(质量、
大小或结构等)在 SOC 动态过程中所起的作用,没
有将这些方面结合起来进而深化对土壤团聚体在固
碳过程中所发挥的物理作用的认识. 如土壤团聚体
内部和外部结构都会影响到 SOC 的变化,通过制备
土壤薄片后借助扫描电镜可以实现对土壤团聚体内
部和外部结构的观察,但土壤薄片会引起土壤结构
的收缩,而且加入的固化剂环氧树脂或不饱和聚酯
树脂中含有碳,不利于获取元素含量和分布,而同步
辐射微 CT可以观察到团聚体内部结构. 而将这几
种方法结合起来就可以实现对团聚体内部和外部结
30027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 陈晓侠等: 土壤团聚体固碳的研究方法摇 摇 摇 摇 摇
构的观察,同时还可以获取团聚体表面元素的含量
和分布.因此,将研究团聚体物理作用的方法综合起
来进行相关研究,将有助于更好地理解团聚体形成
与稳定对土壤固碳的作用机制[15],或提出更先进的
方法.总之,将研究方法结合起来进行比较的空间和
必要性仍然很大[62] .
近年来,对不同农业管理措施下,农田土壤作为
“碳源冶或“碳汇冶的研究报道日渐增多.传统耕作下
频繁的土壤扰动可能导致 SOM 因矿化或土壤侵蚀
而流失,最终使农田土壤成为大气 CO2的“源冶 [72] .
大量研究表明,保护性耕作可以将农业土壤从碳
“源冶转变为碳“汇冶 [73-74],包括免耕、垄作、条耕、幂
作和少耕等[75] .保护性耕作是以减少土壤扰动和增
加秸秆还田为主要特点的耕作方式,免耕是保护性
耕作的极端形式.在 CO2和 N2O 等温室气体含量不
断上升的背景下,实施免耕耕作更是备受关注[76] .
目前,世界各地的免耕面积在增加,其产生的效应也
越来越引起关注. Nyamadzawo 等[77]研究表明,免耕
增加了土壤碳的固定,主要是免耕较常规耕作促进
了团聚体对 SOC 的保护. 因此,利用有效的方法综
合研究团聚体的固碳机理,以及不同管理措施下土
壤团聚体对有机碳动态变化的作用机理,对于评价
和选择适当的耕作措施具有重要意义[78],进而对促
进区域甚至全球范围内碳固定的增强具有重要的理
论和实践意义.
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作者简介摇 陈晓侠,女,1985 年生,硕士研究生.主要从事土
壤团聚体和有机碳固定研究. E鄄mail:chenxiaoxia916@ 163.
com
责任编辑摇 李凤琴
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