全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
,
、
, 一
现代土壤有机质研究中新的量化指标概述 ‘
王 晶‘ ” 张旭东 , 解宏图 朱 平 , 姜桂敏 ,
‘ 中科院沈阳应用生态所陆地生态过程重点实验室 , 沈阳 吉林省农业科学院 , 公主岭
通化市土肥站 , 通化
【摘要 随着土壤质量评价研究的深化 , 在现代土壤有机质研究中出现了许多新的量化指标和相应的测
定方法 , 如溶性有机质 以汇 、 土壤水溶性有机质 汇 、热溶性有机质 、 易氧化有机质 二 、
土壤微生物碳 和土壤微生物氮 、 潜在可矿化碳 和潜在可矿化氮 、 氨基葡萄糖
、 氨基半乳糖 、 氨基甘露糖 、 胞壁酸 、碳同位素丰度 台‘ 、 土壤碳库管理指数
等等 为了澄清和 了解这些指标 , 从其由来 、 概念
、
应用和测定方法几方面进行了较系统的概述 这对
在土壤有机质研究中掌握此方面知识 , 尤其是对现代土壤研究中新观念 、 新指标和新方法的运用 , 无疑会
起到积极的促进作用
关键词 量化指标 土壤有机质 溶性有机质 碳同位素丰度 氨基糖 土壤 碳库管理指数
文章编号 一 一 一 中图分类号 文献标识码
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引 言
中 , 掌握此方面知识 , 尤其是对现代土壤研究中新观念
、
新指
标和新方法的运用 , 无疑会起到积极的推动作用
随着土壤质量和持续发展等生态系统研究的深化 , 在土
壤有机质 研究方面涌现出了大量的新观点
、
新指标及
新的检测方法 例如 , 孙波等 ‘ 在土壤质量评价指标中提
到的潜在可 矿化碳 和潜在可 矿化氮 , 沈宏
等 在讨论表征土壤肥力可持续性的土壤生物和养分指标
时所运用的土壤微生物碳 和 土壤微生物氮 ,
张旭东等 〕在应用氨基糖的粒级库容量指示土壤微生物对
土壤有机质转化 和 富集的 作用 中所涉及 的 氨基 葡萄糖
。 、 氨基半乳糖
、 氨基甘露糖 、 胞壁酸 ,
以及溶性有机质 以〕 、 土壤水溶性有机质 、 热溶
胜有机质
、
易氧化有机质 〔 和碳同位素丰度
、 土壤碳库管理指数 等等
,
对如此繁多的新指
标 , 乃至新观点和新方法 , 目前虽然应用越发频繁 , 但是哪些
对土壤质量和有机质的研究意义更大 检测方法更适宜
只有美国 年出版的《土壤质量与持续环境 》一书中有过
一些详尽的论述〔‘ , , 在我国还缺乏较系统的 比较和 报
道 , 了解和掌握这些量化指标 , 是面对当今土壤肥力
、 土壤质
量和持续环境的生态建设问题之必然 在土壤有机质研究
土壤有机质
纵观历史 , 由于所涉及的研究内容和意义的深化 , 有关
土壤有机质研究中所存在的诸多量化指标涉及到化学
、 生物
学和物理学 个方面 , 尤以化学 、 生物学的指标居多 , 而且
意义重大 早期诞生的量化指标主要包括有机碳 质
、
腐殖
酸总量及分组 , , 胡敏素 、 胡富比 、 腐殖酸斜率
、腐殖酸消光系数 、 、 腐殖化稳定系数 、 有
机酸总量 、总糖
、
总
、
总氨基酸 、 游离氨基酸 、 水解态氮 、 氨
态氮 、 氨 十 氨基糖氮 、氨基酸氮 、丝氨酸 苏氨酸氮 、 总酚 、 游
离酚
、
碳糖 、 可溶性还原糖 、 氨基搪总量 、 糖醛酸等 , 新近
报道的主要量化指标主要包括溶性有机质 、 土壤水溶性有机
质 、 热溶性有机质 、 易氧化有机质 、 土壤微生物碳 、 土壤微生
物氮 、潜在可矿化碳 、 潜在可矿化氮
、 氨基葡萄糖 、 氨基半乳
搪 、氨基甘露糖 、胞壁酸 、碳同位素丰度 、 土壤碳库管理指数
, 中国科学院引进国外杰出人才的“ 百人计划 ”资助项目
, , 通讯联系人
一 一 收稿 , 一 一 接受
应 用 生 态 学 报 卷
等等
土壤有机质研究中新的盆化指标
土壤活溶性有机质
的由来 土壤的量化指标可被认为是能反映土
壤性质 、 物质转化过程和肥力状况等的某些物质所能检测的
数据性指标 土壤有机质对土壤的物理 、化学和生物性质的
作用 , 直接影响着土壤肥力 、 质量乃至环境 , 因此明确其新
的量化指标 自然是非常必要的
最新研究表明 , 活 溶 性有机质 ,
是陆地生态系统和水生生态系统中一种重要的 、 极
活跃的化学组分 , 已引起生态学家 、 环境学家和土壤学家们
的极大兴趣 , 也是 目前土壤有机质研究中最有意义的量化
指标 研究表明 , 无论是早期 等〔‘ , 对有机质的分离
研究所及的指标 , 还是近代对腐殖质和非腐殖质 , 以至后来
按酸碱溶性区分的胡敏酸 和富里酸 及胡敏素的
划分指标 , 实际上它们与有机质动态变化及实质性的土壤质
量和肥力的相关性并不大 , 为此研究者们试图象区分
、 、
的全量和有效部分一样区分土壤有机质的有效部分来探
究其生态过程和作用 自 世纪 年代始 , 通过国外大量
的研究 , 提出了活性有机质的概念
的概念 土壤活性有机质到 目前还没有一个严
谨 、 确切的定义 国外对此术语还有水溶性碳 、 易氧化碳 、 有
效碳 、 可矿化碳 、生物可降解碳 、 活性碳 、 微生物量碳等称呼
‘ 认为
, 土壤活性有机质包括游离度较高的有机
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
、
, 等 认为 , 活性有机质是能被微生物利
用为能源及碳源的土壤有机质 也有研究者认为 , 是
土壤中易被微生物利用和转化的有生命和无生命有机物质
的多相混合体 ’〕指 出 , 是土壤 中易氧化分解的
有机质 沈宏等 ‘ 把在一定的时空条件下受植物
、
微生物强
烈影响 , 具有一定溶解性 , 且在土壤中移动较快 、 不稳定 、 易
氧化 、易分解
、
易矿化的 , 其形态和空间位置对植物和微生物
来说有较高活性的那部分土壤碳素认为是土壤活性有机质
张甲绅等 “” 指 出 , 活性有机质就是土壤 中在室温和 天然
条件下能溶于水相的有机组分 总之 , 土壤活性有机质并
非一种单纯的化合物 , 它是土壤有机质中具有相似特性和较
高有效性的那部分有机质 常用 〕 卜
表示其浓度 近年文献中常见的轻组有机碳 一
、
水
溶性有 机 碳
、
有效碳 、 微 生 物 生 物 量 碳 、 潜 在 可 矿 化 碳
、 易氧化有机碳 以二 和热水提取碳 均属此
范畴
,
的应用意义 活性有机质在土壤和环境的研究
中具有如下应用意义 是研究土壤 素循环的有效
指标 已有研究认为 , 二是 由一些从简单到复杂的
和 的分子组成的 , 土壤溶液中 以 二 一 存在于
中 , 它们对调节阳离子的淋洗及酸性阴离子的吸附解吸
具有重要作用 江义 淋失是土壤有机碳损失的重要途径
倪进治等 川提出 , 土壤生物活性有机质的大小和周转通过
微生物可间接地影响温室气体的排放 这些研究都恰恰反映
了土壤 素循环问题与 以灭二的密切关系 是表征土
壤 库的重要指标 等 通过动力学研究指出
土壤有机质的波动主要发生在易氧化 、易分解部分 , 这些活
性指标比农业变量对 阳 的敏感性高得多 , 完全可以指示
的早期变化 倪进治等 〕对浙江 种土壤的生物活
性有机碳库 和土壤生物活性有机碳库的周转率 的
研究发现 , 的大小可直接反映土壤中的潜在活性养分含
量 , 且可能就是 兀 的含量 则可直接反映土壤中的养分
循环和供应状况 汇 是土壤肥力和土壤质量及其持续
性评价的有效参数 活性有机质概念的提出给土壤肥力研究
领域注入了新的活力 , 它在指示土壤质量和土壤肥力的变化
时 , 比全量有机质 更灵敏 , 更能反映出土壤的理化性
质 , 这点在 等 ‘” 的 研究 中都得 到 了证实 倪 进 治
等〔川在对 一 的研究中发现 , 的含量随土壤团聚体
的增加而增加 〕 可作为土壤微生物生长和生物分解
速效养分的重要衡量指标 许多研究都证明了这一点 , 旧
与可矿化释放的
一
及反硝化能力有很好的相 关性 ￡
汇‘ 发现 , 微生物量与田 高度相关 ” 在 附
模式研究中已把 作为速效有机碳的测量物来预言
土壤 、 的分布状况 试验证明 , 测定生物可降解的 〕
含量 , 即能给出 的质量 , 又能反映 叉 与微生物的相
关性 , 因此已被认为 , 测定 是较化学方法对表征 土壤
微生物更理想
、
更实用的方法 也是反映土壤环境变
化的重要相关因子 因为 又〕 是陆地生态系统和水生生态
系统中的一种重要的 、 非常活跃的化学组分 , 很大程度上可
改变甚至决定着无机或有机污染物的迁移行为和生态毒性
例如 , 在对 、 一 等农药残 留于 〕 中的研究中 , 对添加
外源 可增加重金属溶解性的证明中 , 施人
增加“ 草长灭 ”农药吸附量的报道中 , 都表明了 〔咬 与
土壤环境问题的息息相关 是某些表征指数的关键
因子 研究表明〔 , 与 相 比 , 随土壤管理措施的
变化较快 , 因此认为活性有机质可以作为反映土壤管理措施
引起土壤有机质变化的早期指标 【 建立了活性有机
质库容指标 和养分指标 , 计算和提出 了土壤
碳库管理指标 , 用以表征土壤管理措施引起碳库和养
分的变化 , 其 和 所涉及的碳库活度指数 就
是以活性碳 为计算依据的 沈宏等汇’ ’ 〕研究报道的
土壤肥力可持续性指数 、 土壤生物管理指数 也
都是依据活性碳 二所得的
的测定方法 关于 〕 的测定方法迄今为止
还没有一个标准统一的方法 , 主要有张甲坤〔 、林滨等 “ 〕的
报道 因为 以 测定所涉及的具体指标颇多 , 如 〔【兀 、
、 、 、 、 、 、 、 等 , 其测定方
法各异 , 在以往研究方法中曾多有论述 , 故此不再整述
·
土壤的氨基糖成分
土壤氨基糖的成分 土壤氨基糖是土壤有机氮的重
期 王晶等 现代土壤有机质研究中新的量化指标概述
要组成部分 近年因测试技术的发展提高 , 提出了对氨基糖
更加细致的成分区分 , 新近涉及的主要有氨基葡萄糖 、
氨基半乳糖 、氨基甘露糖 和胞壁酸 盯 等
土壤氨基糖的应用意义 土壤有机化合物库 中
氨基糖的含量已成为评价微生物对有机物转化和积累贡献
的指标 同时因氨基糖存在异源性 , 氨基糖的组成也是评价
真菌和细菌对土壤生物化学过程相对贡献的依据 现代研究
表明 , 土壤中的氨基搪含量可被用来表征微生物起源的有机
态氮的特征 它们的浓度能够提供微生物对 土壤有机质
转化的线索〔 通常土壤中的氨基葡萄搪 氨基半乳
糖 的比率可用以表征 , 真菌对有机森林土壤范围
内的土壤有机质转化和累积的相对贡献〔川 目前对胞壁酸
引起关注 , 研究证明它唯一起源于细菌〔 , 常常存在于细菌
细胞壁上的糖肤脂聚合物和类脂多糖中 已发现氨基甘露糖
存在于沙门氏细菌类和埃希氏杆菌和链球菌的细菌细胞外
的多糖酶中 因此可以认为 , 胞壁酸和氨基甘露糖是一种既
可探索土壤中细菌诱导氮的下跌趋势 、又可阐明细菌对土壤
有机质的转化和积累贡献的有用指标 等 ‘ 成功地
应用土壤氨基糖的特性 , 揭示 了气候变化和土地利用对土
壤有机氮化合物转化的生物和生态化学过程的影响 , 提出了
应用氨基糖的粒级库容量来指示土壤微生物对土壤有机质
转化和富集的作用 , 并应用氨基糖的组成来评价土壤真菌和
细菌对有机质转化相对贡献
,
该研究为全球气候变化对土壤
生态化学过程的影响提供了理论依据 , 并为土壤的持续利用
奠定了生态学基础 最近在国际土壤生态化学领域中又出现
了一个新的研究方向 , 张旭东等 〕还探索性地研究 了土壤
中 种氨基酸手性异构体 , 应用氨基酸手性异构体的比例
来指示土壤微生物对土壤蛋白质转化和积累的贡献 , 且进一
步评价了土壤有机质的相对“ 年龄 ”
土壤氨基糖的测定方法 目前主要用醛醇醋酸盐法 、
糖醛酸醋酸盐衍生物法 , 并借助气相色谱和高压液相色谱
法来分离纯化和检测氨基葡萄糖和氨基半乳糖 然
而该法还存在许多缺点 方法中要求有大量的准备步骤 ,
尤其是为减少步骤所用的过量的硼酸盐的去除 , 要履行冗
长的程序 , 消耗大量时间 糖醛酸醋酸盐衍生物己被借助
气相色谱法分离生物样品中的氨基酸 , 虽然该法是敏感的 、
比醛醇醋酸盐法消耗的时间少 , 但是其精确性和所保持的响
应仍还未知 醛醇醋酸盐法对土壤中的胞壁酸和甘露糖胺
的数量分析是失败的 所选择的高压液相色谱 不
能同时分离土壤中 种以上的氨基糖 应用醛醇醋酸盐法
转化步骤所导出的土壤水解产物 , 不太适合于糖醛酸醋酸
盐衍生物 , 因为衍生物的安置步骤需脱水条件
为了广泛地讨论氨基糖的变迁和起源 , 进而深人研究土
壤有机质 , 需要有一种比醛醇醋酸盐法更敏感而快捷的新方
法 , 同时必须在此法中对土壤水解产物确立一个合适 、 有效
的纯化步骤 , 并能同时定量地测定胞壁酸 、 氨基葡萄糖 、 氨基
半乳糖和氨基甘露糖 张旭东等〔 研究创立 了土壤氨基糖
测定的新方法 , 即建立了一种同时测定土壤中 种氨基糖的
气相色谱法 , 可用来研究土壤生态化学过程 , 指示土壤微生
物在该生态过程中的作用 美国土壤学会把这种方法已列
人美国土壤分析标准
新近还有利用离子交换色谱法 与脉冲电流法
相结合发展起来的 一 检测法 、高效毛细管
电泳 , 娜 。 技术
等 , 它们都具有快速 、 灵敏 、高效 、 简便 、 选择性和分辨率高 、
样品和溶剂消耗少等优点 这些新方法都有望运用于土壤的
单糖 、 寡糖和多搪的分离检测上
土壤有机质中的 护
占 的定义 植物通过光合作用固定 时 , 的两
个稳定性同位素 ’ 和 之间有一个区分 , 为了表达其中
的区分程度 , 给出了相应的表达形式 , 即 古‘ , 称之为‘ 和
的区分度 , 也 叫 ’ 的丰度值 , 以 、计 它 的计算方法
为 ‘ ’ 一 其中 , 和
分别为研究样品和标准物的‘ 比
土壤有机质 占 的应用意义 土壤有机质的 护
值可表明土壤有机质的来源 研究表明 , 土壤有机质的 己‘
值与来源植物物料的 台‘ 值十分接近 土壤有机质的 护
值是研究土壤有机物质及其组分周转的有效指标 窦森等困
研究了随 作物种植时间的延长 己’ 值的变化情况 , 用其
表征 与全土有机质的更新速度 己‘ 值还可反映微生
物和植物的 转移情况
土壤 ‘ 的测定方法 ‘ 值的测定主要是依据
下述原理 使干燥的样品在密闭的有过量氧气的石英玻璃管
中燃烧 , 将所有的碳转化为 , 然后通过低温蒸馏使
与其它的燃烧产物分离 , 用所得的纯净 毛 在一双入 口 的
同位素质谱仪上直接检测 ‘ 值 土壤样品 ‘ 的测定 ,
分两步进行 首先 , 用酸 一般为
· 一 ‘的盐酸或正磷
酸 、硫酸等 去除土样中的碳酸盐 之后 , 用同位素质谱仪直
接检测 ’值 近年采用硼硅酸玻璃管代替了昂贵的石英玻
璃管 , 及利用 自动制样元素分析仪 , 进一步完善了土壤样品
占‘ 的测定
·
土壤碳库管理指数
土壤碳库管理指数的由来 土壤中的 是土壤有机
质研究的实质 , 而土壤碳库又是土壤碳研究的重点 , 这是因
为土壤碳库的动态平衡直接影响土壤肥力的保持与提高 , 进
而影响土壤质量的优劣和作物产量的高低 为此土壤学工作
者一直探寻着用更有效的量化指标来表征土壤碳库的变化
在新近研究中 , 沈宏〔 应用的“ 土壤碳库管理指数 ”这一新
指标 , 是表征土壤碳库变化的更有效的量化指标
土壤碳库管理指数的定义 土壤碳库管理指数是表
征土壤碳变化的量化指标 , 通过测定土壤活性碳和非活性碳
的含量后可计算得出 , 具体计算方法为 土壤碳库管理指数
, 碳库指数 义 碳库活度指数
其中 , 碳库指数 二 样品总碳含量 ’ 一 ‘ 参考土壤
总碳含量 ’ 一 ‘ , 碳库活度指数 样品碳库活度 参
考土壤碳库活度 , 碳库活度 土壤活性碳含量 ’
应 用 生 态 学 报 卷
一 ‘ 土壤非活性碳含量 ’ 一 ‘ 参考土壤一般是采用与
样品土壤类型相同 、位置相近 、 受人为干扰和影响最小的土
壤
土壤碳库管理指数的应用意义 土壤碳库管理指数
为研究土壤碳库变化注人了新的活力 , 许多学者开始运用它
研究土壤碳库的各方面 沈宏〔 应用土壤碳库管理指数 ,
讨论了培肥农田生态系统的地力和土壤有机质消长等
土壤碳库管理指数的测定方法 土壤碳库管理指数
实际上是通过测定土壤活性碳和非活性碳的含量后计算得
出的 , 测定和计算程序为 测定样品和参考土壤的活性碳及
总碳含量一求碳库活度 求碳库活度指数 计算碳库指数
计算土壤碳库管理指数 , 所涉及的测定方法也就是土壤
活性碳和土壤全碳的测定方法 目前通用的方法是 运用高
锰酸钾振荡土样后 , 根据所消耗高锰酸钾量求出土壤活性碳
实质是易氧化有机碳 , 含量 , 再测定土壤有机全碳 通
用的是土壤有机质的标准测定方法 , 目前可用元素分析仪直
接测得 , 求出土壤非活性碳含量 , 经计算即可得土壤碳库
管理指数 值得指出的是 , 土壤活性碳涉及的量化指标很多 ,
又有各 自的测定方法 , 至于以哪一种土壤活性碳的量化指标
作为 的计算参数更适合 , 还有待于进一步研究
结 语
土壤有机质研究中新的主要量化指标 , 基于前述的应用
意义而将得到普遍的公认一些常规指标 如 含量 并
不能很好地反映土壤质量的变化 , 它只是一个矿化分解和合
成的平衡结果 , 而溶性有机质对生态学和环境学具有重要意
义 , 且易于检测 , 等能更好地反映转化速率 因此 ,
以 目前已经得到普遍的应用 , 但由于其涉及的范围甚宽
现有文献中常见的轻组有机碳 、 水溶性有机碳 、 有效碳 、 微
生物生物量碳 、潜在可矿化碳 、 易氧化有机碳和热水提取碳
均属此范畴 , 还有待于规范和统一标准 氨基糖组成 氨基
葡萄糖 、 氨基半乳糖 、 氨基甘露糖 、 胞壁酸 盯
虽然检测过程较为复杂 , 但由于它是探讨和揭示土壤生物化
学机制的有前途的新指标 , 也将很快得到广泛应用 目前因
全球气候变化 , 碳循环问题倍受世人瞩 目 碳同位素丰度 占
恰可表征土壤碳的循环和周转 , 比起以往的腐殖化稳定
系数 、 腐殖酸总量等指标 , 具有仪器检测的先进性 , 但也由
于仪器昂贵 , 目前还难于普遍应用 土壤碳库管理指数
是建立在土壤活性碳和全碳基础上对土壤质量进行评
价的一个指标 , 测定并不复杂 , 将得到广泛应用
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参考文献
」 , 户扣
人人少 戈袱汉 , 一
作者简介 王 晶 , 女 , 年生 , 副研究员 , 主要从事土壤
生态方面的研究 , 发表论文 余篇 一 哟