陳宗定， 許春雪， 安子怡， 王亞平， 孫德忠， 王蘇明

(國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心， 北京 100037)

土壤是一個(gè)巨大的碳庫，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。表層土壤1m深度內(nèi)碳儲(chǔ)量大約有2500Pg(有機(jī)碳和無機(jī)碳分別為1550Pg和950Pg，1Pg=109t)，僅次于海洋圈碳儲(chǔ)量(38000Pg)[1-2]。土壤碳儲(chǔ)量的微小變化會(huì)影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)：一方面，土壤碳的排放會(huì)使大氣中溫室氣體含量升高，進(jìn)而影響到全球氣候變化。Baldock[3]指出，土壤2m厚度范圍內(nèi)每增加5%～15%有機(jī)碳將會(huì)降低大氣中16%～30%的CO2。另一方面，土壤碳是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，其含量直接影響土壤肥力及生態(tài)功能，從而決定森林及農(nóng)作物的生長(zhǎng)[4]，因此受到了廣泛關(guān)注。

由于土壤碳庫組成的復(fù)雜性及其對(duì)各種影響因素(如土地利用變化、自然與人為干擾等)變化響應(yīng)的多樣性，國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤碳庫的動(dòng)態(tài)過程認(rèn)識(shí)仍有很大不足。土壤中碳的賦存形態(tài)與其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程密切相關(guān)，因此，對(duì)土壤碳庫中不同碳形態(tài)的研究和分析是明確土壤碳庫變化和調(diào)控機(jī)理的關(guān)鍵，是研究陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)及全球碳平衡的基礎(chǔ)。目前，測(cè)定無機(jī)碳(碳酸鈣)的經(jīng)典方法主要有氣量法、滴定法等，測(cè)定有機(jī)碳的方法有重鉻酸鉀氧化-容量法、干燒法、濕燒重量法等，但關(guān)于儀器分析方法的報(bào)道較少。此外，土壤有機(jī)碳是非常復(fù)雜的混合物，針對(duì)有機(jī)碳不同組分分析方法的研究在我國(guó)較為少見。本文綜述了土壤中碳主要賦存形態(tài)，對(duì)土壤中不同形態(tài)碳的分離和分析方法進(jìn)行了評(píng)述。

1 土壤碳賦存形態(tài)

1.1 無機(jī)碳

土壤無機(jī)碳儲(chǔ)量約占全球總碳庫的38%[6]，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中僅次于有機(jī)碳庫，但由于無機(jī)碳較有機(jī)碳更為穩(wěn)定，對(duì)碳循環(huán)貢獻(xiàn)相對(duì)較小，往往被人們所忽視。而近年來的研究表明[6,13]，土壤無機(jī)碳(尤其是CaCO3含量)不僅影響土壤pH值、土壤供肥能力及土壤環(huán)境質(zhì)量[14-15]，而且對(duì)于緩解土壤重金屬污染有一定作用[16-17]。此外，通過鹽/堿土吸附的碳高達(dá)62～622g/(m2·y)并以無機(jī)碳的形式存在于土壤中，表明土壤無機(jī)碳庫是一個(gè)有效碳匯，在土壤-大氣碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[13]。

今后的研究一方面應(yīng)加強(qiáng)典型地區(qū)(干旱、半干旱地區(qū))無機(jī)碳庫分析、統(tǒng)計(jì)，并加深采樣深度，另一方面考慮對(duì)成巖性無機(jī)碳和成土性無機(jī)碳分別進(jìn)行定量分析，探究二者在碳循環(huán)中的作用，為緩解氣候變化采取及時(shí)、有效的措施奠定基礎(chǔ)。

1.2 有機(jī)碳

土壤有機(jī)碳主要來源于死亡的生物殘?bào)w以及牲畜糞肥、綠肥等有機(jī)物料。全球表層1m土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為1200～1600Pg[5]，其中我國(guó)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量約為50～185.7Pg[6]，主要分布于熱帶雨林、熱帶草原、極地或凍土區(qū)(以東北和東南為主)，隨著緯度、經(jīng)度及山地的海拔差異而發(fā)生變化，重要貢獻(xiàn)土類是東北的暗棕壤和沼澤土以及南方的水稻土[6]。土壤類型是影響有機(jī)碳含量的重要因素，根據(jù)前人研究[18]計(jì)算得到我國(guó)幾種典型土壤100cm深度和20cm深度土壤有機(jī)碳含量(%)如圖1所示(土壤容重按照我國(guó)土壤平均容重：1.30g/cm3計(jì)算)。

圖 1 我國(guó)幾種典型土壤100cm深度和20cm深度的有機(jī)碳含量Fig.1 Organic carbon content of the several kinds of typical soils in China

由圖1可知，有機(jī)碳主要分布于土壤表層，其含量隨著土層加深而降低[8]。此外，土地利用類型對(duì)土壤有機(jī)碳含量影響很大。Wang等[19]對(duì)幾種土地利用類型進(jìn)行了考察，指出有機(jī)碳密度高低順序?yàn)椋荷?草地>沙漠灌木>沙漠。Syswerda等[20]也認(rèn)為森林土壤更利于有機(jī)碳的積累，從森林變?yōu)楦夭⒔?jīng)過長(zhǎng)期耕作后，其有機(jī)碳至少損失20%，表明森林土壤是一個(gè)十分重要的有機(jī)碳碳庫。土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機(jī)碳庫，不僅影響著土壤中養(yǎng)分的儲(chǔ)存與供應(yīng)，而且在全球碳循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用[21-22]。自1850年以來，森林砍伐及草地耕地化導(dǎo)致有機(jī)碳含量大大下降，從而增加了大氣中35%的CO2釋放量[23]。

由此可見，土壤有機(jī)碳庫在陸地生態(tài)系統(tǒng)中有著重要的地位和作用，而對(duì)有機(jī)碳組分的探究是研究有機(jī)碳庫的基礎(chǔ)。目前，土壤有機(jī)碳庫分組方法有很多，其中穩(wěn)定性分組法對(duì)土地利用變化有積極響應(yīng)，與土壤管理密切相關(guān)，得到了廣泛應(yīng)用。該方法將土壤有機(jī)碳庫分為活性碳庫(周轉(zhuǎn)期0.1～4.5年)、慢性碳庫(周轉(zhuǎn)期5～50年)和惰性碳庫(周轉(zhuǎn)期50～3000年)[24-26]。

1.2.1活性有機(jī)碳

土壤中不穩(wěn)定、易分解、易氧化、易礦化、移動(dòng)較快，對(duì)地表植物和土壤微生物有顯著影響的有機(jī)碳定義為土壤活性有機(jī)碳[27-28]。由于其特殊的化學(xué)組成和周轉(zhuǎn)時(shí)間較短，往往可以較為靈敏地指示土壤質(zhì)量及土地利用變化[29]。土壤活性有機(jī)碳是植物營(yíng)養(yǎng)的主要來源，在未完全分解之前，臨時(shí)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定作用。可溶性有機(jī)碳(DOC)、易氧化有機(jī)碳(LOC)和微生物量碳(SMBC)均屬于活性有機(jī)碳這一范疇[30]。

Jandl等[31]提出，土壤可溶性有機(jī)碳是指能溶解于水，并且能通過0.45μm濾膜的含碳有機(jī)物，包括簡(jiǎn)單有機(jī)分子，如碳水化合物、簡(jiǎn)單氨基酸和小分子蛋白質(zhì)等，它們極易被土壤微生物所分解，是土壤微生物直接利用的土壤碳源，其對(duì)有毒金屬和有機(jī)污染物傳輸、水和養(yǎng)分循環(huán)及土壤有機(jī)碳的有效性等都具有重要的影響，而且也是土壤微生物的重要能源[32]。農(nóng)田自然濕度土壤中，可溶性有機(jī)碳占總有機(jī)碳的0.1%～0.4%[32]，含量一般在200mg/kg(土)范圍。

土壤易氧化有機(jī)碳是指容易受到植物、微生物的影響并具有一定溶解性，在土壤中移動(dòng)較快、不穩(wěn)定、易氧化分解的土壤碳素[28]，一般廣泛存在于農(nóng)田和草原中。易氧化有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)時(shí)間短，與土壤養(yǎng)分的供應(yīng)、土壤微生物活動(dòng)和作物生長(zhǎng)密切相關(guān)，是植物營(yíng)養(yǎng)素的主要來源。Biederbeck等[33]研究指出，土壤有機(jī)碳的短暫波動(dòng)主要來源于易氧化部分的變化，因此，土壤易氧化有機(jī)碳可作為土壤碳庫穩(wěn)定性的指示因子。

土壤微生物量碳是指土壤中體積小于5～10μm3活的細(xì)菌、真菌、藻類和土壤微動(dòng)物體內(nèi)所含的碳[34]，一般占土壤有機(jī)碳的0.3%～7%，其變化可直接或間接地反映土壤耕作制度和土壤肥力變化，并可反映土壤污染程度[35]。此外，微生物量碳與土壤有機(jī)碳的比值可用于檢測(cè)有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化，并可指示土壤碳的平衡、積累和消耗。

盡管活性有機(jī)碳在土壤有機(jī)碳庫中所占比例不大(通常不到5%)，但它可以較為靈敏地反映土壤理化性質(zhì)的微小變化，因此一直是土壤結(jié)構(gòu)及有機(jī)碳穩(wěn)定性的研究熱點(diǎn)[36-37]。土壤活性有機(jī)碳能顯著影響土壤化學(xué)物質(zhì)的溶解、吸收、遷移乃至生物毒性等行為，在微生物的生長(zhǎng)代謝、土壤有機(jī)質(zhì)分解以及土壤中污染物的遷移等過程有著重要作用[38]。此外，土壤活性有機(jī)碳與總有機(jī)碳量相比，能夠更好地指示土壤質(zhì)量，反映土壤有機(jī)碳的有效性。

1.2.2慢性有機(jī)碳

慢性有機(jī)碳指介于“活性”和“惰性”庫間具有中等周轉(zhuǎn)時(shí)間的土壤有機(jī)碳，包括微生物和微型動(dòng)物殘?bào)w以及碎屑物質(zhì)。其中輕組有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳均屬于這一范疇[28,39]。

輕組有機(jī)碳是指土粒密度小于1.6～2.0g/cm3組分中的有機(jī)碳，是介于新鮮有機(jī)質(zhì)和腐植質(zhì)之間的中間碳庫，包括植物殘?bào)w及其腐解產(chǎn)物、菌絲體和孢子等，占土壤有機(jī)碳總量的15%～32%，主要分布于農(nóng)田及森林土壤中[40]。輕組有機(jī)碳一方面是土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)和作物有效養(yǎng)分的暫時(shí)儲(chǔ)存庫；另一方面是微生物的重要碳和能量來源，極易被土壤微生物利用，參與土壤碳氮循環(huán)[41]。已有研究表明，土壤微生物量氮、土壤礦化氮和碳均與土壤中輕組有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，表明輕組有機(jī)質(zhì)具有較高的生物活性。

顆粒有機(jī)碳是指采用顆粒大小分組法分出的土壤有機(jī)質(zhì)組分，是與砂粒(53～2000μm)結(jié)合的有機(jī)碳部分，由相對(duì)粗大的非腐植質(zhì)化的不同分解階段植物殘?bào)w和微生物分解產(chǎn)物組成，具有比重小、C/N值高、易被微生物分解等特點(diǎn)[42]。Cregorich等[43]研究表明在農(nóng)業(yè)用地土壤中，顆粒有機(jī)碳約占總有機(jī)碳的22%，廣泛存在于農(nóng)田、森林及草原土壤中。土壤顆粒有機(jī)碳不僅可以膠結(jié)和穩(wěn)定團(tuán)聚體，而且對(duì)土地利用和土壤經(jīng)營(yíng)措施的變化響應(yīng)非常迅速且具有選擇性，因此可作為土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)變化的重要指標(biāo)[44]。

1.2.3惰性有機(jī)碳

惰性有機(jī)碳是指周轉(zhuǎn)時(shí)間為50～3000a，比較穩(wěn)定，對(duì)土壤利用的短期變化幾乎沒有響應(yīng)的有機(jī)碳[45]。其中重組有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳屬于這一范疇。

研究表明，重組有機(jī)碳是土粒密度大于1.8～2.0g/cm3的有機(jī)碳組分，主要成分是腐植質(zhì)，其含量占總有機(jī)碳的60%以上[46]，是土壤有機(jī)碳的重要構(gòu)成部分。重組有機(jī)碳以芳香族物質(zhì)為主體(主要是腐植質(zhì))，存在于有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體中，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)雜，很難被微生物所利用，具有固碳作用，在一定程度上反映了土壤保持有機(jī)碳的能力，因此提高這部分碳庫含量對(duì)緩解大氣CO2濃度上升具有重要意義[47]。

礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳多是腐植化的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)受土壤黏粒和粉粒保護(hù)，因此相對(duì)穩(wěn)定，并且與團(tuán)聚體結(jié)合碳之間關(guān)系密切，從而影響土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化。土壤礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳是土壤有機(jī)碳固持的重要機(jī)制之一。

相比于土壤中的活性有機(jī)碳，目前對(duì)惰性有機(jī)碳研究較少，而作為土壤有機(jī)碳的重要組成部分，對(duì)這一形態(tài)碳進(jìn)行深入、細(xì)致的分析研究顯得很有必要。

2 土壤碳分析方法

2.1 無機(jī)碳分析方法

土壤中的無機(jī)碳主要以碳酸鹽形式存在，其含量分析受到了較為廣泛的關(guān)注[47-50]。土壤中碳酸鹽主要是難溶的方解石(CaCO3)和白云石(CaCO3·MgCO3)，目前傳統(tǒng)應(yīng)用的分析方法有原子吸收光譜法、連續(xù)流壓電檢測(cè)法、氣壓法等，但這些方法操作過程繁瑣，精確度低[47-48]。相比之下，氣量法和滴定法(容量分析法)的應(yīng)用更為普遍，也是目前測(cè)定土壤碳酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)方法(LY/T 1250—1999)。

氣量法的主要步驟是在土壤中加入一定量的酸，產(chǎn)生的CO2用氣體裝置收集并測(cè)量體積，從而計(jì)算出土壤中碳酸鹽含量。該方法適用于除碳酸鎂土以外的各類土壤碳酸鹽含量測(cè)定，但操作較為繁瑣，且受溫度、壓力影響較大，通過建立標(biāo)準(zhǔn)曲線并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程計(jì)算土壤中碳酸鹽的方法可以大大改善。王蓮蓮等[49]采用氣量法和CO2吸收法(用過量NaOH吸收土壤與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的CO2，再測(cè)定剩余NaOH的量)測(cè)定土壤中的碳酸鹽，結(jié)果表明氣量法測(cè)定比較快速且易于操作，適合大批量樣品測(cè)定；CO2吸收法相對(duì)穩(wěn)定，但用時(shí)較長(zhǎng)(約30h)，且操作比氣量法復(fù)雜，適于對(duì)精度要求高的測(cè)定。

滴定法包括中和滴定法和電位滴定法，即向土壤樣品中加入過量的標(biāo)準(zhǔn)酸，與碳酸鹽充分反應(yīng)后，過量的酸再用堿標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴，通過酸的消耗量計(jì)算得到碳酸鹽含量。杜森等[50]提出碳酸根和碳酸氫根均可采用雙指示劑(酚酞和甲基橙)中和法和電位滴定法測(cè)得，但對(duì)于質(zhì)地黏重、堿度較高的土壤浸出液，采用雙指示劑中和法的終點(diǎn)很難確定，可采用電位滴定法。彭紅翠等[51]采用中和滴定法和間接法(土壤總碳與有機(jī)碳進(jìn)行差減)測(cè)定稻田和林地土壤中碳酸鹽，結(jié)果表明中和滴定法測(cè)得土壤的CaCO3含量，其準(zhǔn)確度和重復(fù)性相對(duì)較差，這主要是由于標(biāo)準(zhǔn)酸中氫離子與土壤膠體上的金屬陽離子發(fā)生交換作用，并使礦物酸解，從而消耗酸所致，因此所消耗的酸量不能真實(shí)代表土壤中碳酸鹽的含量，相比之下，采用間接法測(cè)定土壤中的碳酸鹽準(zhǔn)確度更高。

分析儀器方面，韓文娟[52]采用碳酸儀(M1-0853型，荷蘭)測(cè)定土壤中CaCO3的含量，該儀器主要基于是氣量法原理，具有操作簡(jiǎn)單、用時(shí)少等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到與酸反應(yīng)會(huì)存在反應(yīng)不完全、廢液污染等問題，Bisutti等[53]提出了一種新型的同時(shí)測(cè)定土壤有機(jī)碳和無機(jī)碳方法——單次運(yùn)行雙次升溫燃燒法(SRDTC)，該方法采用有機(jī)碳分析儀與紅外氣體分析儀聯(lián)合，分別在515℃和925℃下將樣品燃燒，通過測(cè)定不同溫度范圍下產(chǎn)生的CO2來得出土壤中有機(jī)碳和無機(jī)碳含量，具有測(cè)定速度快、成本低、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，Apesteguia等[54]提出了“梯度燃燒法”(ramped combustion)，采用熱分析儀和CO2/H2O氣體分析儀聯(lián)用，將燃燒溫度設(shè)定為850℃測(cè)定樣品中的無機(jī)碳，并排除了水蒸汽干擾，測(cè)得無機(jī)碳與氣量法基本一致(r2=0.97)。

幾種主要測(cè)定土壤無機(jī)碳的方法及簡(jiǎn)要流程總結(jié)如圖2所示。

綜上，目前測(cè)定土壤中碳酸鹽的經(jīng)典方法有氣量法和滴定法。其中，前者可采用土樣與參比物在同溫同壓下平行操作測(cè)定，從而直接計(jì)算結(jié)果，使測(cè)定過程更為簡(jiǎn)化，結(jié)果精度提高。后者不需要專用裝置，且適用范圍廣，但精度稍差，常被用作速測(cè)法。此外，“梯度燃燒法”可同時(shí)測(cè)定土壤中有機(jī)碳和無機(jī)碳，操作簡(jiǎn)便、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度高，具有較好的應(yīng)用前景。

2.2 有機(jī)碳分析方法

對(duì)于土壤中的總有機(jī)碳，經(jīng)典分析方法主要有容量法、比色法和重量法，重量法又可為濕燒法和干燒法。其中，土壤有機(jī)碳分析標(biāo)準(zhǔn)方法有：①重鉻酸鉀-容量法(DZ/T 0279.27—2016)，該方法有機(jī)碳測(cè)定范圍為0.2%～20%，是目前應(yīng)用最為普遍的土壤有機(jī)碳測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)方法；②重鉻酸鉀氧化-分光光度法(HJ 615—2011)，其簡(jiǎn)單、快速且具有較好準(zhǔn)確性，但易受土壤組成(氯、鐵、氧化錳等)影響[50]，該標(biāo)準(zhǔn)不適用于氯離子(Cl-)含量大于2.0×104mg/kg的鹽漬化土壤或鹽堿化土壤的測(cè)定；③濕燒重量法(DZ 48—87)，適用于巖石、現(xiàn)代沉積物、現(xiàn)代生物、土壤等各類樣品中有機(jī)碳含量的測(cè)量，該方法雖然比較準(zhǔn)確，但操作程序繁長(zhǎng)。此外，還有燃燒氧化-非分散紅外法(HJ 695—2014)、燃燒氧化-滴定法(HJ 658—2013)、干燒法(BS EN 15936—2012，NF X31-040—2013)等。

圖 2 土壤無機(jī)碳分析方法及流程Fig.2 Analytical methods and flow of inorganic carbon in soil

目前關(guān)于土壤中有機(jī)碳的分析方法研究較多。《土壤分析技術(shù)規(guī)范》指出，采用油浴加熱(180～190℃)重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定土壤有機(jī)碳時(shí)，與干燒法對(duì)比只能氧化90%的有機(jī)碳，因此需將測(cè)得的有機(jī)碳乘以校正系數(shù)1.1[50]，Kimble等[55]則認(rèn)為該校正系數(shù)取決于土壤類型、采樣深度等。此外，該方法中Cl-和Fe2+的存在會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果造成干擾，可分別通過加入Ag2SO4和空氣氧化的方法緩解[56]。楊劍虹等[57]指出，采用干燒法和濕燒法(經(jīng)典方法)測(cè)定有機(jī)碳，區(qū)別在于干燒法為土壤樣品酸化脫除無機(jī)碳后與O2高溫下(950℃)灼燒，濕燒法是將土壤樣品置于溶液中加熱(180～190℃)氧化分解，二者產(chǎn)生的CO2通過KOH(重量法)和Ba(OH)2溶液(容量法)吸收得到，其優(yōu)點(diǎn)在于氧化完全，回收率可達(dá)100%；缺點(diǎn)在于測(cè)定速度慢、操作較繁瑣等。該方法適用于樣品量少、對(duì)測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度要求較高的樣品，不適于大批量樣品分析。Bisutti等[56]指出，在沒有無機(jī)碳存在的情況下，干燒法是測(cè)定土壤有機(jī)碳最準(zhǔn)確的方法，可作為標(biāo)準(zhǔn)來校正其他方法。Apesteguia等[54]認(rèn)為，雖然干燒法測(cè)定有機(jī)碳較為準(zhǔn)確，但并不適于測(cè)定無機(jī)碳含量較高的石灰土，這是由于用于樣品預(yù)處理的酸(通常為鹽酸、磷酸、亞硫酸)可能與碳酸鹽反應(yīng)不完全，或者溶解脫除部分土壤中的有機(jī)碳，影響測(cè)定結(jié)果。Ramnarine等[58]提出可以通過鹽酸熏蒸法來降低或消除酸液處理過程中有機(jī)碳的損失。此外，燒失量法也可用于測(cè)定土壤或沉積物中的有機(jī)碳，該方法通過稱量灰化前后樣品質(zhì)量計(jì)算得出有機(jī)質(zhì)含量，燃燒溫度(375～800℃)視樣品而定[56]，土壤中由碳酸鹽釋放的CO2和水分蒸發(fā)帶來的質(zhì)量損失忽略不計(jì)。

幾種經(jīng)典測(cè)定土壤有機(jī)碳的方法及流程總結(jié)如圖3所示。

圖 3 土壤有機(jī)碳分析方法及流程Fig.3 Analytical methods and flow of organic carbon in soil

分析儀器方面，常規(guī)儀器包括元素分析儀(C、H、O、N、S聯(lián)合測(cè)定儀)，高頻紅外碳硫分析儀，總有機(jī)碳分析儀等，但測(cè)定前均需進(jìn)行預(yù)處理脫除無機(jī)碳，這幾種方法本身具有較高的精密度，且方便快捷，但用樣量小，取樣誤差大，土壤中無機(jī)碳對(duì)測(cè)定有干擾。在該類分析方法中，樣品預(yù)處理過程是關(guān)鍵，前期需針對(duì)不同土壤性質(zhì)(有機(jī)、無機(jī)碳比例等)開展酸化條件(酸的選擇、加熱溫度、處理時(shí)間等)研究。Apesteguia等[54]在Bisutti等[53]研究基礎(chǔ)上提出了“梯度燃燒法”，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳的直接測(cè)定，且用于測(cè)定高含量無機(jī)碳土壤中的有機(jī)碳較“濕法氧化法”更為準(zhǔn)確可靠。此外，激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)分析速度快，測(cè)定結(jié)果與干燒法基本一致(r2=0.96)，具有較高的精密度(4%～5%)和準(zhǔn)確度(3%～14%)，適用于大批量土壤樣品分析[59]。

綜上，目前測(cè)定土壤有機(jī)碳的經(jīng)典方法可歸納為兩大類：一類是將土壤有機(jī)碳高溫氧化后，測(cè)定釋放出的CO2量，如干燒法、濕燒法等；另一類是利用氧化劑在一定溫度下氧化后測(cè)定消耗氧化劑的量，再根據(jù)反應(yīng)式換算有機(jī)碳量，如重鉻酸鉀氧化-容量法等。就目前而言，第二類方法快速、簡(jiǎn)便且不需特殊設(shè)備和操作，是應(yīng)用較為普遍的分析方法。此外，“梯度燃燒法”具有較高的精密度和重現(xiàn)性，使用方便快捷，更適用于無機(jī)碳含量較高的土壤樣品中有機(jī)碳分析。

2.2.1活性有機(jī)碳分析方法

土壤活性有機(jī)碳測(cè)量方法較多，包括生物活性測(cè)定法、物理組分和化學(xué)氧化法等[60]，其中KMnO4氧化法被認(rèn)為是簡(jiǎn)單易行且被廣泛應(yīng)用的土壤活性有機(jī)碳測(cè)定方法[61-62]。該方法最早由Loginow等[63]提出，后由Blair等[64]進(jìn)行修改完善，并提出了標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序：以333mmol/L KMnO4為氧化劑，在中性條件下通過直接氧化來確定土壤中活性和非活性有機(jī)碳部分。Weil等[65]認(rèn)為333mmol/L KMnO4濃度太高，會(huì)與土壤中部分其他形態(tài)有機(jī)碳反應(yīng)，造成測(cè)定結(jié)果偏高，此外該濃度接近KMnO4的溶解度(400mmol/L)，較難配制且不穩(wěn)定，故提出在弱堿性(CaCl2)環(huán)境下采用0.02mol/L KMnO4溶液來氧化活性有機(jī)碳，在室內(nèi)和野外均獲得了較好的結(jié)果(R2=0.98)?？扇苄杂袡C(jī)碳可通過1mol/L的KCl或K2SO4提取，然后振蕩、離心、過濾得到。微生物量碳測(cè)定方法包括：氯仿熏蒸培養(yǎng)法、氯仿熏蒸浸提法、三磷酸腺苷法和精氨酸誘導(dǎo)氨化法等。由于微生物的多樣性，各方法的適應(yīng)范圍不同。相比之下，溴仿熏蒸浸提法耗時(shí)短，方法成熟，適于大批量樣品的測(cè)定。該方法首先采用氯仿蒸汽熏蒸24h，然后用K2SO4溶液浸提0.5h，測(cè)定浸提液中有機(jī)碳，土壤微生物量碳則為經(jīng)過熏蒸土壤樣品與對(duì)照樣品浸提液中有機(jī)碳含量的差值。黨亞愛等[66]采用該方法對(duì)黃土高原典型土壤中微生物量碳分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明土壤微生物量碳在0～60cm隨土層深度加深明顯下降，60cm以下基本穩(wěn)定，與總有機(jī)碳分布相似。此外，Shahid等[67]在研究施用有機(jī)肥的水稻土中土壤碳形態(tài)的變化及Qi等[68]研究溫度對(duì)不同活性有機(jī)碳影響中，均采用該方法分析了土壤微生物量有機(jī)碳。

2.2.2慢性有機(jī)碳分析方法

土壤慢性碳庫中的輕組有機(jī)碳可通過1.7～1.8g/cm3的重液振蕩、離心、CaCl2淋洗等一系列操作進(jìn)行分離[37]，再用化學(xué)法或儀器測(cè)定。其中重液可采用鎢酸鈉或者碘化鈉來制備[69-70]，相比之下，碘化鈉廉價(jià)易得，且能夠避免樣品殘留水帶來的負(fù)效應(yīng)，因此應(yīng)用更為普遍。分散后的懸濁液在離心機(jī)(3000r/min)離心10min，若懸濁液比較渾濁則加大離心機(jī)轉(zhuǎn)速或延長(zhǎng)離心時(shí)間。顆粒有機(jī)碳通常采用Cambardella等[39]提出的方法：加入分散劑(六偏磷酸鈉)振蕩、過53μm篩分離并經(jīng)烘干(60℃)后稱重，測(cè)定其所含有機(jī)碳。對(duì)于這一部分有機(jī)碳的分離方法，目前存在一些爭(zhēng)議，如分散劑的選擇、振蕩方法及土液比例等，今后在這方面仍需進(jìn)一步研究和統(tǒng)一。

2.2.3惰性有機(jī)碳分析方法

惰性有機(jī)碳可通過酸水解法測(cè)定[71-72]：用6mol/L鹽酸消煮16h，過180μm篩，然后采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)測(cè)定所得有機(jī)碳含量。對(duì)于惰性碳庫中的重組有機(jī)碳，通常由重液振蕩離心、洗滌測(cè)得，但文獻(xiàn)中關(guān)于重液選擇、重液密度確定、振蕩/離心條件以及土液比例等不盡相同，重液選擇經(jīng)歷了有機(jī)溶劑(溴仿+乙醇混合溶液)到無機(jī)溶劑(NaI或ZnBr2)，溶劑密度從1.8～3.0g/cm3較大變動(dòng)范圍，土液比例則從25g土/50mL重液到5g土/25mL重液不等[52,63]。目前我國(guó)常用的測(cè)定方法中，主要選擇密度為1.7～1.8g/cm3的NaI或ZnBr2為重液進(jìn)行密度分組。土液比例為5g土/25mL重液時(shí)可達(dá)到較好的分離效果，但若經(jīng)過振蕩離心后上層液仍較為渾濁，則考慮加大重液的比例。由于重組有機(jī)碳占土壤有機(jī)碳的60%以上，是土壤有機(jī)碳的重要組成部分，因此對(duì)重組有機(jī)碳準(zhǔn)確、有效的分離和分析顯得尤為重要，其分離方法有待于進(jìn)一步研究。

將上述土壤中各形態(tài)有機(jī)碳分析方法總結(jié)列于表1中。

表1土壤中不同形態(tài)有機(jī)碳分離/分析方法

Table 1 Methods of separation and/or analysis of organic carbon fractions in soil

土壤有機(jī)碳組分所屬碳庫分離/分析方法文獻(xiàn)可溶性有機(jī)碳活性庫K2SO4提取,離心[73]易氧化有機(jī)碳活性庫KMnO4氧化法[74]微生物量碳活性庫氯仿熏蒸提純/三磷酸腺苷法/精氨酸誘導(dǎo)氨化法[75]輕組有機(jī)碳慢性庫NaI離心,CaCl2淋洗[37,76]顆粒有機(jī)碳慢性庫(NaPO3)6離散,沉積[39,67]重組有機(jī)碳惰性庫ZnBr2/NaI/溴仿+乙醇混合液等振蕩離心,乙醇洗滌[45]礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳惰性庫氫氟酸+鹽酸(2∶1,V∶V)處理[77]

3 研究展望

土壤碳庫總量的變化與其構(gòu)成特征密切相關(guān)，目前關(guān)于土壤中不同碳形態(tài)研究已取得一定成果。本文一方面對(duì)土壤碳庫進(jìn)行了比較細(xì)致的劃分，另一方面對(duì)碳酸鹽、有機(jī)碳分析方法進(jìn)行了總結(jié)，并提出各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，但有機(jī)碳庫中不同形態(tài)碳的分離分析方法往往較為復(fù)雜，且各方法之間缺乏比較，從而缺乏準(zhǔn)確性、可靠性。綜合已有研究成果，本文提出今后研究可從以下方面展開。

(1)對(duì)于土壤碳庫，目前研究較多的是土壤總碳、總有機(jī)碳及有機(jī)碳中活性較高的碳(如可溶性有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳等)，而對(duì)無機(jī)碳及有機(jī)碳中惰性組分研究相對(duì)較少。研究表明，土壤無機(jī)碳與有機(jī)碳是可以相互作用、相互轉(zhuǎn)化的：無機(jī)碳庫通過影響土壤微生物活性、土壤pH、有機(jī)質(zhì)分解速率進(jìn)而影響有機(jī)碳庫；土壤有機(jī)碳庫分解釋放CO2進(jìn)入土壤溶液轉(zhuǎn)化為無機(jī)碳。有機(jī)碳中的活性碳、慢性碳、惰性碳庫同樣也相互影響、相互轉(zhuǎn)化。因此，今后應(yīng)從整體出發(fā)，掌握土壤中各形態(tài)碳的組成、分布以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。

(2)土壤穩(wěn)定性分組是近三十年發(fā)展起來的研究范疇，目前對(duì)于土壤有機(jī)碳各組分概念、組成及測(cè)定方法等不盡統(tǒng)一，使得各研究結(jié)果之間缺乏可比性，而各研究?jī)?nèi)容間也很難相互解釋和印證。因此，土壤有機(jī)碳各組分概念及測(cè)定方法的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)成為今后土壤有機(jī)碳研究工作的重點(diǎn)之一。

(3)相比于傳統(tǒng)分析方法，“梯度燃燒法”采用熱分析儀與紅外氣體分析儀聯(lián)合，可準(zhǔn)確地同時(shí)測(cè)定土壤中有機(jī)碳和無機(jī)碳，具有較廣闊的應(yīng)用前景。采用該方法進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同土壤性質(zhì)采用不同升溫程序，嚴(yán)格區(qū)分有機(jī)碳和無機(jī)碳，同時(shí)保證氧化完全，將測(cè)得結(jié)果與經(jīng)典分析方法進(jìn)行比對(duì)，以保證其準(zhǔn)確可靠性。此外，目前原位、大規(guī)模測(cè)定土壤總碳的方法有中子散射能譜(INS)、γ能譜、中近紅外光譜(MIRS、NIRS)和激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)等，而對(duì)于大規(guī)模、高精度的土壤樣品中有機(jī)碳、無機(jī)碳的原位測(cè)定方法少有報(bào)道，今后可加強(qiáng)這一方向的研究，為土壤碳庫調(diào)查提供及時(shí)、有效的數(shù)據(jù)支撐。

(4)為保證土壤碳形態(tài)分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需要加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制工作?，F(xiàn)有的土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中，雖然包含了總碳和有機(jī)碳，但有機(jī)碳含量往往較低(1%以下)，而且土壤類型較為單一，代表性不強(qiáng)。因此，土壤碳形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，尤其是不同地域、不同土壤類型、不同濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制十分必要。