全 文 ：第 26卷第 1期
2006年 1月
生 态 学 报
ACTA EC0L0GICA SINICA
Vo1．26．No．1
Jan．，2006
不同形态有机碳的有效性在两种重金属污染
水平下水稻土壤中的差异
李永涛 ，戴 军 ，Thiery Becquer：，Crcile Quantin ，
Marc Benedetti ，Patrick Lavelle
(1．华南农业大学资源环境学院，广州 510642；2．法国发展与合作研究院热带土壤生态及生物多样性研究中心，巴黎，法国
3．南巴黎大学地学部，巴黎，法国；4．皮埃尔玛丽居里大学地球化学与金属实验室，巴黎，法国)
摘要：调查分析了两块不同重金属污染水平下的水稻田土壤有机碳活性组分的含量 ，以评价重金属胁迫条件下有机碳摹质的微
生物有效性。结果显示，重污染水稻土的总有机碳(TOC)、O．5rnol-L SO! 溶解态有机碳( s04一C)、微生物生物量碳(MBC)、1
～ 7 d(CO2．C )和8 28 d矿化的有机碳(CO2．C )的含量均显著低于轻污染土壤(P(MBC／TOC比)和8 28 d的有机碳矿化率(CO2．C ·TOC d ))在轻污染土壤中较高，而 l(2SO!．C／TOC和代谢商(qco2)在重
污染土壤较高(P机碳矿化率远高于培养后期(PO．001)，而 CO：．C。 只与 TOC显著相关(r。=O．70，P稻土中是较易被分解的活性碳基质，但重金属污染抑制了微生物数量及其呼吸活性，降低了活性有机碳库的矿化率 ，这是导致
土壤中 K’SO,溶解态碳积累的原因。溶解性有机碳叉能提高重金属的有效性，进一步抑制微生物对有机碳的矿化。因此，评价
重金属污染的水稻土有机碳的有效性 ，应当综合考虑 同有机碳库 的活性、微生物 的矿化能力和碳基质在不同阶段的供应
潜力。
关键词：有机碳；有效性；重金属；有机碳矿化；微生物；溶解性碳
文童编号：1000-0933(2006)01．O138．08 中图分类号：S154，1，X172 文献标识码：A
Availability of diferent organic carbon fractions of paddy soils under two heavy
metal contamination levels
LI Yong．Tao ，DAI Jun ，Thiery Becquer~，Crcile Quantin ，Marc Benedeti ，Patrick Lavele (1．c。 of Natural
Resources and Environment．South China Agricutrual University，Guangzhou 510642，China；2 Biodiversit~et Fonctionnement des Sols，IRD，France；3 Universit~
Sud XI FRE OrsayTerre 2566 Bat．504 91405 Cedex France；4 Laboratoire出 C．dochimie et肘加fo n ／Universitd e et Marie Curie，France)．Aeta
Ecolo#ca Sintca，2OO6，26(1)：138—145．
Abstract：Biologically active or labile fractions of soil organic carbon are vital in understanding decomposition potential of organic
materials，nutrient cycling dynamics，and biophysical manipulation of soil structure．Proportions of dissolved organic carbon，
microbial biomass carbon and mineralized carbon in total organic carbon are served as sensitive indices of soil organic carbon
availability．However，most relevant work over the past decades has focused on forests and grasslands，with little emphasis on
quantifying active carbon pool fluxes in human-dominated agricultural systems，especially on heavy metal contaminated subtropical
基金项目：法国中国先进研究计划资助项目(PRA E03．2)；广东省自然科学基金资助项 目(032255)
收稿日期：2004．12 27；修订日期：2005．04。27
作者简介：李永涛(1970 )，男，山东莱州人 ，博士生，副教授，主要从事土壤生态研究．E-mall yongtao@pub，guangzhou+gd，cn
*通讯作者 Author for correspondence．E—mail：daijun@pub+guangzhou，gd+en
致谢：本文部分后期工作在荷兰瓦格宁根大学环境科学系完成，对该校提供的便利及多位专家的悉心指正表示感谢
Foundation item：France—China Advanced Research Project(No．E03—2)；Natural Science Foundation of Guangdong(No．032255)
Reeeived dale：2004—12—27；Accepted date：2005-04-27
Biography：LI Yong-Tao，Ph，D．candidate，Associate professor，mainly engaged in soil ecology．E—ma il：yongtao@pub．guangzhou．gd．CI1
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1期 李永涛 等：不同形态有机碳的有效性在两种重金属污染水平下水稻土壤中的差异 139
rice ield soils．
We investigated different organic carbon fractions in paddy soils under two heavy metal contamination levels in Guangdong
Province，South China，in order to compare and assess the availability of soil organic carbon substrates under long．term heavy
metal stress．Our results showed that the contents of total organic carbon(TOC)，O．5 mol·L～ K2 S04 extractahle organic carbon
(K2SO4。C)，microbial biomass carbon(MBC)，mineralized organic carbon during 1～7 d(C02．Cl
一 7d)and 8—28 d(C02．
Cs．28d)of laboratory incubation were consistently lower in highly contaminated paddy soils than those in slightly contaminated soils
(Pcontaminated soil，highly contaminated soil were revealed greater K2 S04·C／TOC ratio and microbial metabolic quetient(CO2．C／
MBC)，whereas，lower MBC／TOC and mineralization rate of organic carbon during 8～28 d incubation(C02．C8 28d·TOC‘。
d一。)．Diferences in mineralization rate of organic carbon during 1—7 d incubation(CO2．C1
～ 7d·TOC‘ d一 )of two soils were
not remarked．Mineralization rate of organic carbon during initial 7 d of incubation was pronouncely higher than that during
subsequent 21 d of incubation．Mutiple stepwise regression showed that CO2·C1
．
7d was signifcantly correlated with K2 SO4-C and
MBC(r =O．83，Pindicates that K2 SO4·C is readily decomposed active C poo1．
However，long-term heavy metal contamination decreased micriobial population size and respiratory activity，inhibited
microbial mineralizaiton eficiency of labile organic carbon．The accumulation of K2 SO4-C could be atributed to the decreased
mineralization rate because more labile organic carbons in paddy soils may directly derived from exudate of intensive fine rice roots
rather than decompositon of raw litters．Moreover，elevated K2S04-C in soil can enhance the solubility，mobility and biological
uptake of metals，and thereby increase the biological availiablity of heavy metals．It may further restrained mineralization rate of
active carbon poo1．
On basis of the suppressed turnover process，relatively greater proportion of K2 SO4 extractable organic carbon in highly
contaminated paddy soil is not doomed to high availability of active carbon substrate supply．Thus，in order to assess the
availablity of organic carbon of paddy soils polluted by heavy metals，the combined functioning of active organc carbon pools，
mineralization intensity of microbes and supply potential of carbon substrates during different turnover stages should be taken into
consideration．
Key words：organic carbon；substrate availability；heavy metal；microbe；labile carbon
土壤有机质的大部分组分为难以分解的稳定态化合物⋯，只有少部分是具有一定溶解性、移动性、不稳
定、易氧化、易分解矿化，植物、微生物利用较高的活性有机碳组分_2 ，但却是土壤养分矿化、循环和能量释放
的重要参与者 。由于土壤活性有机碳极其复杂的物理结构和化学成分，不同成分的转化周期从几小时到几
年，甚至上千年，显著差异 ]，对其还缺乏深入系统的了解 。近年来大量表征活性有机碳的概念和术语被提
出"]，但由于内涵模糊、外延交叉和实验方法的不统一，不同指标间缺乏联系和比较 。其中，溶解性碳 、微生
物量碳和可矿化的碳是被广泛接受的活性有机碳库，分别代表了有机碳的降解潜力、降解能力和已降解量，成
为表征有机碳有效性和土壤质量演变的敏感指标抽 ]。研究活性有机碳库的时空变化和相互关系成为当前有
机质形态研究的发展方向 ]。另一方面，土壤有机碳与重金属元素相互作用、影响。过量的土壤重金属污染
物影响微生物数量 ]、活性⋯ 和种群结构m]，从而影响有机质的矿化过程和形态转化。反之，有机碳的活性
功能团也能改变金属的形态n 、溶解性和移动性n ，从而影响重金属的生物有效性 。因此，研究重金属污
染的农田土壤中的活性有机碳指标及其相互关系，对探讨污染条件下有机碳的有效性和养分转化机理具有重
要意义。
沈宏等 、Chantignv_l 和McDowel_6 总结了国内外相关研究表明，大部分有机碳有效性的研究集中在温
带森林和草地土壤，而农业土壤的信息很少。由于有机质来源、成分和土壤条件的复杂性，相关的研究结果差
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生 态 学 报 26卷
异较大 l8]，而碳供应、微生物碳和有机碳矿化之间的关系仍不清楚_】 。例如，Dai等n 的研究显示有机碳
矿化和微生物碳具有显著相关关系，而 Sato and Seto 的结果显示两者间无显著联系。高强度耕作、淹水栽培
和水旱轮作形成了亚热带水稻土独特的生态系统 。在 自然土壤和其它农业土壤获得的研究结果并不能准
确反映重金属胁迫下的水稻土有机碳的有效性。本研究以广东省大宝山重金属矿山污染的水稻土为研究对
象，分别调查了土壤和耕作条件一致，但污染程度不同的两块水稻土壤不同形态有机碳的差异，分析了土壤微
生物及碳基质供应对不同阶段有机质矿化的影响，为土壤改良和有效利用提供依据。
1 材料与方法
1．1 调查区描述与采样
研究区域位于广东省北部翁源县新江镇上坝村，为河谷冲积土壤，主要作物为水稻。由于长期利用大宝
山重金属矿山废水污灌，该地区水稻土受到不同程度的污染。2003年 6月，在水稻生长关键的齐穗期，在矿
山下游6 km处和 10 km处，分别选择地形、土壤和耕作条件相近，但污染程度不同的两块污染水田作为采样
区。2个采样区内各选取5个采样点，各距离 60 in。每点在 1 m2范围内随机采集 3个独立的土壤样品作为重
复，采样深度 0～10 cm。30个土壤样品的一部分室温风干粉碎，用以分析土壤理化性状和金属含量，另一部
分样品保持湿润，4~C储存，分别用于 H，s0 溶解态的碳、微生物生物碳和矿化的碳的测定。
1．2 土壤理化性质和重金属的含量
供试土壤酸碱度用 pH仪(PHS 3C)按 1：2．5土水比浸提测定。CEC按乙酸铵交换法测定。总有机碳、总
氮用 CHN元素分析仪(1108 Carlo Erba)干烧测定。小于2 ttm的粘粒含量在用H：O 去除有机质后用吸管法测
定。土壤 cu、Pb、zn、cd和 Fe、Mn、Ca的全量分析采用 HF—HNO 一HCIO 消煮，原子吸收分光光度法测定啪]。
DTPA态 cu、Pb、zn和 cd在土壤样品调至平均 pH范围后用 0．O05M DTPA溶液(0．005mol·L～DTPA+0．01mol·
L～CaC1 +0．Imol·L TEA)振荡浸提 1 h，原子吸收分光光度法测定 。
寝 1 两个采样区水稻±主要理化性质(n=15)
Table 1 Main physico-chemical properties of paddy soils In two sampling sites
调查表明，矿山下游 10 km处的水田为轻污染区，重金属含量相对较低，cu、Pb、zn和 cd全量的均值分别
是我国农用地土壤标准(GB15618—1995)的6、1．3、0．8和 9倍。土壤呈酸性，水稻长势未见明显影响。矿山下
游 6 km处的水田为重污染区，4种重金属含量较高，cu、Pb、zn和 cd全量的均值分别是轻污染土壤的4．6倍、
1．2倍、3．6倍和 1．4倍。pH均值只有2．9。总有机碳和全氮含量只有轻污染土壤的一半左右，粘粒和 CEC含
量相近。水稻长势明显较差。两采样IX~壤主要理化性质和重金属的含量的具体结果如表 1和表 2如示。
表 2 两个采样区水稻-I-I~gl含量(mg kg～．n=15)
Table 2 The contents of heavy metals of paddy soils in two sampling sites
1．3 微生物生物量碳、K2$O4溶解态的碳和矿化碳的测定微生物生物量碳采用氯仿熏蒸法测定 。30 g土
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壤样品(干重)用无酒精氯仿在 28％黑暗真空条件下熏蒸 24 h，用O．5 tool L～K：SO 按 1：5 w／v土液比振荡浸
提 30 min(200r／min)，在 5100 g力下离心 10 rain后过滤。滤液中的有机碳采用重铬酸钾消化法测定。另一份
同样重量的样品用与熏蒸的样品相同的方法用 K2sO 振荡浸提、重铬酸钾消化法测定浸提液中的有机碳，作
为 K2SO4可浸提的碳 。微生物生物量碳按下列公式计算：MBC=Eel0．38，其中 Ec为熏蒸和对应不熏蒸样
品的浸提液中的有机碳的差值。
矿化的有机碳的测定采用 NaOH吸收法在标准条件下测定微生物矿化碳源过程中产生的 CO，量 ]。5O
g土壤样品(干重)调至 60％田间持水量并稳定 24 h后，在 28℃黑暗条件下 1 L玻璃瓶中密封培养 28 d，用
NaOH吸收瓶中产生的co：，用适量1 tool L～BaC1：沉淀碱吸收瓶的col一，用标准酸滴定剩余的NaOH，分别计
算 1～7 d和 8—28 d的 CO：产生量，以分别确定两个培养阶段矿化的有机碳量(CO：．C 和 CO 一C。 )和有
机碳矿化率(单位有机碳每天产生的 cO：量，cO：．c ·TOCI1 dT1和 cO 一c ·TOC d )。微生物代谢商
(qCO )为单位微生物生物量碳在28 d累积矿化的有机碳量。
1．4 统计分析
数据统计利用 SPSS 12．0．1(SPSS Inc．)进行。独立变量 检验和 ANOVA(Tukey LSD)分别用以比较两组
和多组变量间差异的显著性。多元逐步回归分析用于在多个相互关联的碳基质指标间筛选显著影响不同阶
段有机碳矿化的决定性碳指标。
2 结果分析
2．1 两种重金属污染水平下水稻土的微生物和有机碳基质含量比较
两种重金属污染水平下的水稻土中的总有机碳、微生物生物量碳、0．5 tool L～K：SO 溶解态的有机碳、1
～ 7 d和 8～28 d矿化的有机碳以及微生物代谢商结果见表3。轻污染和重污染水稻土样品中的 TOC分别为
17．5 g kg 和 9．0 g kg～，MBC分别为 210 nag kg 和 56．6 mg kg～，K2SO4一C分别为 120 mg kg 和 79．6 mg
kg～，CO2-C¨ d分别为261 mg kg 和133 mg kg～，CO2-C8 28d分别为491 mg kgT1和 136 mg kg～，而 qCO2分别为
3．78 mg C．CO：mg TOC和 5．12 mg C—CO mg～TOC。两个采样区土壤的上述指标均值的 检验表明，除重污
染水稻土的代谢商极显著高于轻污染土壤外(P<0．01)，重污染土壤样品中上述各项碳基质指标均极显著低
于轻污染水稻(P<0．001)。虽然两个采样区的水稻土发育和耕作历史相近，但由于长期矿山废水的污灌引起
上游重污染水稻田更多的矿渣矿泥的积累，降低了有机质的含量，这可能是造成两块水田土壤有机碳指标差
异的主要原因。
2．2 两种重金属污染水平下水稻土有机碳基质的有效性
土壤 MBC、K SO ．C、CO：．C分别与 TOC的比值，消除了不同土壤有机质差异造成的影响，是准确衡量有机
质的微生物有效性的重要指标 J。各采样点土壤的上述有效性指标如图 1所示，MBC／TOC(0．24％～1．72％)
和 S0 一C，T0C(0．59％～1．49％)的范围相近，而培养条件下的C0 一C ，T0C(O．54％．一2．9l％)和CO 一C ～强 ，
T0C(O．24％～3．98％)明显较上述两指标高(ANOVA，P<0．05，n=30)。另一方面，两采样区均值的 检验
(图2)表明，重污染水稻土的 MBC／TOC和 8—28 d的有机碳矿化率(cO ．c d·TOC d )的均值分别为
0．6％和0．05％，分别显著低于轻污染土壤的 MBC／TOC(1．2％)和 8～28 d的有机碳矿化率(cO 一c。 ·TOC
d )的均值(0．10％)。相反，重污染土壤的K S04一C／TOC均值(0．97％)极显著高于轻污染土壤(0．69％)，而 2
个采样区的 1—7 d的碳矿化率均值都为0．21％，差异不显著。而且，各采样点土壤的1～7 d的碳矿化率均值
均显著高于 8～28 d的有机碳矿化率(P<0．01)。
2．3 不同碳基质之问的关系及对微生物有机碳矿化率的影响
相关分析表明，TOC、MBC、K S04一C和 CO 一C这些有机碳指标之间存在极显著的相关性 (P系数阵未列出)。图3列出了 c0：．C 和 CO：．C 一船 分别与 TOE、K：S04．C和 MBC的极显著相关关系。cO：-
c 与 MBC和 K2SO4一C的回归方程斜率要高于 CO：．C 28d的方程斜率，而 CO：一c 与 TOC的回归方程斜率
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142 生 态 学 报 26卷
要高于 CO ．C 的方程斜率，表明有机碳的矿化分解过程与 TOC、K2sO 一C和 MBC密切联系，而 MBC和
K2SO ．C在1～7 d的培养阶段时对CO：一C影响较大，TOC则在8—28 d时对CO -C影响较大。
衰 3 两种重金属污染水平下水稻土不同碳基质的特性 (平均值 ±标准差，n=3)
Table 3 The contents of diferent organic carbon substrates in paddy soils under two heavy metal contamination levels(Means±standard deviation
，
n=3)
两个重金属污染水平下的水稻土碳基质含量均值比较的显著性水平(T检验，n=15)The mean comparison of contents of diferent organic carbon
substrates in paddy soils under two heavy metal contamination levels(T tests，n=l5)
8
6
4
2
0
L1 L2 L3 L4 L5 H1 H2 H3 H4 H5
采样点 Sampling points
图 1 各采样点水稻土的 TOC中 K2SO4-C、MBC、CO2一c1 7d和 cO2．
c8～28d的百分率
Fig．1 Percentage of K2So,-C，MBC，co2-Cl一7d and C02-Cs～28d in TOC
of each sampling point
3个重复样点的平均值及标准差线 Means and standard deviation，n=3
1．5
0
K2S04·C／TOG CO2一C1．7d·TOC。ld-1
MBC／TOC CO2-Ca-2~．TOC。td。1
有机碳有效性指标 Carbon availabilty indices
图2 两个不同污染水平的水稻土的K2SO4-C／TOC、MBC／TOC、CO2．
cl～7d·TOC d 和 co2．c8-28d·TOC d 的均值比较
Fig 2 Signifcant differences in K2SO4·C／TOC，MBC／TOC。CO2-Cl 7d·
TOC一 d一 and CO2-C8 28d-TOC d一‘in two p~ddy soils with diferent
pollute level
为剔除关联指标对碳矿化与碳基质相关分析的影响，分别以 CO：．C 和 CO -C。棚 为因变量，TOC、
K2sO ．c和 MBC为自变量，进行多元逐步回归分析，所得两个回归模型(表 4)都达到极显著水平。其中，
sO 一C(p<0．001)和 MBC(p<0．05)进入到以 cO2．c。州为因变量回归模型中，而 TOC由于与 CO2．C1州相关
2 9 6 3
1 0 O O
一 ，．)岛曩目l 山噼求忸
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的显著水平大于 0．05而被排除在模型之外。这表明在 3项碳基质中，对前 7 d有机碳矿化影响最大的是
K2SO 一C，其次是 MBC。相反，在以 CO 一C。 勰 为因变量回归模型中，只有 TOC(p<0．001)进入模型，而 K2SO4一C
和 MBC被排除在外。两个逐步回归模型分别了反映了 CO：．C。刊和 CO 一C。 勰 的 83％和 70％的变异(1,2×
100％)。
誊
0
图 3 3种形态的土壤碳基质与不同阶段有机碳矿化之间极显著的相关关系
Fig．3 Highly signifcant correlations of mineralized organic carbon during 2 incubation periods with 3 soil organic carbon substrates
P<0．001．n=30
3 讨 论
微生物是土壤有机物分解矿化的主要执行者。
微生物生物量碳是土壤有机碳中具有生物活性的组
分 ]，是表征微生物数量的指标。代谢商是微生物生
理特性指标，与微生物群落结构及单位微生物代谢活
性密切相关 。 川。微生物生物量和种群代谢活性决
定了微生物的矿化能力。通常，非污染的农业土壤的
微生物商(微生物生物量碳占总有机碳的比例)为 2％
～ 3％ ]
，而供试的重污染土壤的微生物商(均值为
0．6％)较轻污染土壤(均值为 1．2％)显著下降，而代
谢商升高。这是由于微生物对重金属污染非常敏
感 ]。过量的重金属会毒害微生物，特别是使相对敏
裹4 不同阶段的微生物有机碳矿化与碳基质关系的多元逐步回归
模型
Table 4 M ultiple stepwise regression models of mineralized carbon
during 2 Incubation periods训tlI organic carbon substrates
感的细菌大量减少，从而使微生物群落中较高耐性和代谢强度的真菌比例相对升高_l 。具有高代谢强度和
高真菌／细菌比是微生物维持逆境条件代谢的结果⋯ 。
水或0．5 mol L K：SO 等稀盐可溶解的有机碳主要来 自微生物分解矿化植物粗有机物的中间产物，或直
接来自新鲜植物凋落物或根系的分泌物，被认为是有机碳中最活跃的、并易被微生物分解矿化和高有效性的
小分子有机化合物_3’ ]。前人在重金属污染的森林和草地土壤的研究发现，由于枯枝落叶等有机物质的微生
物分解转化过程被抑制，土壤粗有机碳积累，土壤 C／N升高，有机碳质量下降 ¨。而供试的重污染土壤 K s0
溶解态有机碳比率显著高于轻污染，而有机矿化率在前7d并未显著提高，反而在 8～28d显著降低(图2)。这
可能是由于水稻的大部分地上部有机植株被收获而未进入土壤碳循环过程，而生长旺盛期的水稻土中的溶解
性有机碳直接来自于茂密的水稻根系分泌的小分子有机物要多于微生物分解枯枝落叶中的粗有机质产生的
中间产物 ¨，微生物整体矿化能力的减弱导致了 K：sO 溶解态有机碳的暂时积累。另一方面，前人研究显
示，溶解性碳在土壤胶体表面的强竞争性吸附_2 ，引起重金属离子解吸作用 ，提高了金属的溶解性 ¨和浸
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提性 ]。溶解性碳对金属的亲合性，使之生成可溶的有机．金属络合物。高流动性的溶解性碳成为促进金属
向根际的迁移、微生物和植物吸收的载体【 ，从而增强金属的生物有效性 。而金属毒性的提高可能进一
步抑制有机碳的矿化，加剧溶解性有机碳的积累。结果表明，供试的重污染水稻土中相对较高的 K2s0 溶解
态有机碳比率是环境污染造成的特定结果，并不能全面反映有机碳的微生物有效性。某些研究也表明，只有
3．8％ 39．9％的溶解性有机质是可矿化的 ]，溶解性有机质作为整体来说可能并不会比颗粒态或吸附态有
机质易矿化 。
微生物矿化的碳是有机质分解利用的最终产物，是评价活性有机碳库有效性的科学和直接的手段 。
在适宜的温度和湿度的培养条件下，供试土壤有机碳前7 d的矿化过程活跃，矿化率远高于后期(图2)。逐步
回归分析(表 3)显示，在培养前期，矿化的碳与 SO ．C和 MBC这两种活性碳库的含量显著相关，而矿化后期
只与总有机碳显著相关。表明在重金属污染的水稻土中，K2S0 溶解态碳是较先被矿化的碳基质，但重金属
胁迫下的微生物矿化碳的能力也成为有机碳利用的重要影响因素。Wang等 也发现在7d的培养后土壤中
的 SO ．C急速降低，与碳矿化的关系开始变差。因此，在矿化的后一阶段，总有机碳量及碳供应潜力成为碳
利用的主要制约因素。微生物对大分子稳定态有机碳的分解、土壤胶体的解吸附和团聚体内部的释放能补充
部分活性有机碳的快速消耗 。。。在不同矿化阶段里，溶解性碳既是微生物矿化粗有机碳的中间产物，又是进
一 步矿化的原料，其含量受多种因素影响 。因此，评价重金属污染的水稻土有机碳的有效性，不仅要考虑活
性碳库的比率，还要注意微生物利用碳基质的能力和基质在不同阶段的供应潜力。
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