土壤活性有機(jī)質(zhì)組分的分類方法及其研究進(jìn)展

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(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150030； 2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081； 3.哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物中心，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

土壤有機(jī)質(zhì)(Soil organic matter，簡稱SOM)是地球表面最大的碳庫之一，它是地球碳循環(huán)的重要組成部分。據(jù)估計(jì)，土壤中的碳含量為2 500 Pg，其中有機(jī)碳的含量為1 550 Pg(1 Pg=1015g)[1-2]，是大氣碳含量的兩倍，地上生物量的三倍[3]。SOM對(duì)土壤的物理、化學(xué)、生物學(xué)和熱學(xué)特性都有舉足輕重的作用，其含量增加和質(zhì)量提高對(duì)土壤團(tuán)聚體(尤其是微團(tuán)聚體)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有促進(jìn)作用，對(duì)土壤的保水保肥能力有明顯的改善作用，因此，對(duì)土壤質(zhì)量的可持續(xù)性和作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用[4-5]。SOM的組成復(fù)雜且不均勻，不僅含有生物物質(zhì)(如木質(zhì)素，纖維素和多肽)，還包括腐殖質(zhì)[6]，因此，根據(jù)構(gòu)成的有機(jī)物質(zhì)的種類不同，SOM的分解時(shí)間范圍從幾小時(shí)到幾百年不等[1,7]。Stevenson[6]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田土壤中，土壤有機(jī)質(zhì)的降解較慢，其含量的變化存在滯后性，不利于短期研究，而活性有機(jī)質(zhì)(Labile organic matter,簡稱LOM)的含量雖然較少，但是其受土壤、植物和微生物等影響強(qiáng)烈，降解速度較快，同時(shí)又直接參與土壤生物化學(xué)的轉(zhuǎn)化過程，是土壤微生物和動(dòng)物活動(dòng)及其代謝能量的儲(chǔ)存場所，也是植物可利用的氮(N)、硫(S)和磷(P)等養(yǎng)分的礦化來源[6,8-9]。

土壤LOM主要是指在土壤中存在一定的溶解性，能夠快速移動(dòng)、容易被氧化和礦化，而且在一定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)容易被植物和土壤微生物利用的那部分有機(jī)質(zhì)[10]，主要由根系分泌物、微生物滲出物、真菌菌絲及動(dòng)植物殘?bào)w等大量的游離有機(jī)物構(gòu)成[11]。與土壤總有機(jī)質(zhì)含量相比，LOM對(duì)管理或環(huán)境條件的變化更為敏感，通常被認(rèn)為是農(nóng)田管理措施的早期敏感指標(biāo)，對(duì)于研究土壤質(zhì)量的變化有重要意義，近些年來已經(jīng)成為土壤生態(tài)及環(huán)境土壤學(xué)交叉領(lǐng)域研究關(guān)注的焦點(diǎn)。本文旨在對(duì)土壤活性有機(jī)質(zhì)的組分進(jìn)行全面系統(tǒng)的歸納，分析其各個(gè)組分的典型數(shù)量、性質(zhì)和意義，評(píng)述相關(guān)組分的作用及其影響因素，以期為科學(xué)解析土壤活性有機(jī)質(zhì)在土壤質(zhì)量變化研究中的作用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 土壤活性有機(jī)質(zhì)的物理組分

土壤SOM的物理分組主要是依據(jù)土壤密度(密度分組)、顆粒大小(粒徑分組)、空間分布(團(tuán)聚體分組)以及物質(zhì)的溶解性進(jìn)行分類的，主要分離手段為離心和沉降(密度分組)、超聲波分散(粒徑分組)、崩解(團(tuán)聚體分組)以及酸堿提取等。由于物理分組在分組過程中對(duì)原狀土狀態(tài)的破壞性小，而成為現(xiàn)今研究SOM組分的主流[12]。物理分組中的土壤LOM，主要指的是密度分組中的輕組有機(jī)質(zhì)(Light fraction organic matter，簡稱LFOM)、粒徑分組中的顆粒有機(jī)質(zhì)(Particulate organic matter，簡稱POM)、團(tuán)聚體分組中的大團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)(Macro-aggregate organic matter，簡稱MAOM)、酸堿提取方法中的富啡酸(Fulvic acid，簡稱FA)以及水或稀鹽溶液提取的溶解性有機(jī)質(zhì)(Dissolved organic matter,DOM)。

1.1 輕組有機(jī)質(zhì)(LFOM)

LFOM是通過收集漂浮在密度為1.5～2.0 g·cm-3之間的重液上的分散的土壤物質(zhì)來分離的。通常，土壤分散在比重約為1.7 g·cm-3的碘化鈉(NaI)溶液中[13]。輕組有機(jī)質(zhì)的碳氮比(C/N)介于土壤和植物組織之間[14]。LFOM主要存在于植物根系、植物殘?bào)w和木炭中，主要包括放線菌的孢子和能用顯微鏡觀察到的微生物結(jié)構(gòu)體的真菌[15]。LFOM主要含有易被微生物分解的底物，如單糖、多糖和半木質(zhì)素等化學(xué)成分，可解釋微生物和酶活性差異50%以上的信息[16]，具有較高的分解速率、周轉(zhuǎn)速率和C/N 比，是土壤營養(yǎng)物質(zhì)的短期貯存庫[17]。Dalal和Mayer[18]研究表明，LFOM含有的活性有機(jī)質(zhì)高達(dá)76%～96%。Janzen等[17]研究發(fā)現(xiàn)，LFOM與土壤呼吸速率和土壤微生物生物量碳和氮的含量密切相關(guān)。農(nóng)業(yè)土壤中，LFOM含有20%～30%的有機(jī)質(zhì)，占整個(gè)土壤總有機(jī)質(zhì)的2%～18%[19]，因此，LFOM基本體現(xiàn)了土壤活性有機(jī)質(zhì)的作用，它可作為土壤質(zhì)量(特別是有機(jī)質(zhì)質(zhì)量)的靈敏的指示劑[20]。但是，LFOM也有一定的局限性，因?yàn)樗袩沟奈镔|(zhì)，如大量的難分解(甚至不分解)的木炭[21]。

1.2 顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)

土壤POM主要是通過粒徑分組(粒徑在53～2 000 μm之間)獲得的，主要指的是土壤中與砂粒結(jié)合的有機(jī)質(zhì)，并進(jìn)一步可能與土壤大團(tuán)聚體(粒徑>250 μm)和微團(tuán)聚體(粒徑<250 μm)結(jié)合[22]。POM具有較高的活性和較低的腐殖化程度，它是一類易分解的土壤碳庫，主要由具有可識(shí)別的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的植物碎片組成，顯微鏡顯示它還含有真菌菌絲、孢子、種子、動(dòng)物骨骼和木炭[23]。此外，它含有一部分參與分解植物土壤微生物生物量殘留物以及植物殘茬分解過程中產(chǎn)生的腐殖化物質(zhì)[24]。一般來說，農(nóng)業(yè)土壤中POM占整個(gè)土壤中總有機(jī)質(zhì)的20%～45%[25-26]，遠(yuǎn)高于LFOM[27]。相對(duì)于與土壤粉?；蝠ち＝Y(jié)合的土壤有機(jī)質(zhì)而言，POM被認(rèn)為是有機(jī)質(zhì)中的活性部分[13]，其在土壤元素(如C、N、S)循環(huán)中占有重要的地位[28]。

盡管LFOM和POM主要含有植物殘留物，但它們的化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)并不相同。例如，Gregorich等[29]研究了森林土壤轉(zhuǎn)化為玉米連作25年后SOM的減少情況，通過測定土壤總有機(jī)碳和自然13C豐度，他們發(fā)現(xiàn)LFOM的礦化速度快于POM，25年后，LFOM中70%的C來自玉米，而只有45%來自于POM。同樣，Carter等[27]研究了森林土壤轉(zhuǎn)變?yōu)榭筛N農(nóng)業(yè)土壤時(shí)SOM的流失，發(fā)現(xiàn)LFOM減少了72%，但土地利用方式變化對(duì)POM的影響不大。

對(duì)20種森林和耕作土壤的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，POM含有更多的有機(jī)碳并且具有比LFOM低的C/N，這表明前者分解更多[19]。Gregorich等[30]應(yīng)用13C核磁共振(13C NMR)和熱解場電離質(zhì)譜(Py-FIMS)也同期證實(shí)，POM比LFOM更易分解。質(zhì)譜(MS)顯示，與LFOM相比，POM中含有更少的木質(zhì)素單體、二聚體、脂類和烷基芳香族化合物；13C-NMR數(shù)據(jù)表明，與LFOM相比，POM含有相對(duì)較少量的碳水化合物和脂族化合物，并且具有更高的芳香度。

這些差異可歸因于分離兩種形式活性有機(jī)質(zhì)方法的差異。在基于粒度分級(jí)的組分中，腐殖化的有機(jī)物質(zhì)與大的無機(jī)顆粒緊密結(jié)合，包裹著礦物顆粒的有機(jī)碎片將被保留在篩子上，并包含在POM中[10]。砂粒表面上包裹的大部分有機(jī)物質(zhì)，可能比懸浮在砂粒表面的LFOM更容易分解和腐殖化。此外，LFOM可以從粉砂和黏土顆粒中分離出來，也可以從砂質(zhì)材料中分離出來。由于存在這些差異，一些研究人員認(rèn)為，在分離活性和非活性的有機(jī)質(zhì)組分時(shí)，密度分級(jí)比粒徑分級(jí)更有效[7,19]。當(dāng)然，與POM相比，LFOM的芳香性較低且周轉(zhuǎn)時(shí)間更快，這證實(shí)了LFOM是一個(gè)活性更大的庫[8]。

1.3 大團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)(MAOM)

1982年，Tisdall和Oades[31]首次提出了土壤團(tuán)聚化影響碳周轉(zhuǎn)的概念模型，此后，很多學(xué)者展開了對(duì)團(tuán)聚體的研究。一般來說，土壤團(tuán)聚體分為大團(tuán)聚體(粒徑>250 μm)和微團(tuán)聚體(粒徑<250 μm)兩大類，進(jìn)一步可劃分為大粒徑的大團(tuán)聚體(粒徑>2 000 μm)、小粒徑的大團(tuán)聚體(250 μm<粒徑<2 000 μm)、微團(tuán)聚體(53 μm< 粒徑<250 μm)和粉+黏粒-有機(jī)復(fù)合體(粒徑<53 μm)4小類[32-33]。

大團(tuán)聚體以物理保護(hù)為主，主要由作物根系、多糖和微生物菌絲體黏結(jié)了許多微團(tuán)聚體后所形成的聚合體所組成[34]，其植物來源的有機(jī)碳多、周轉(zhuǎn)較快，而且對(duì)農(nóng)田管理措施響應(yīng)敏感。而微團(tuán)聚體以化學(xué)保護(hù)為主，主要由有機(jī)礦質(zhì)復(fù)合體與黏粒結(jié)合所組成[34]，其很難分解、周轉(zhuǎn)很慢，有利于長期保存，可以持續(xù)保持土壤養(yǎng)分。因此，團(tuán)聚體分組中的大團(tuán)聚體上的有機(jī)質(zhì)(MAOM)為土壤活性有機(jī)質(zhì)組分。雖然團(tuán)聚體分組過程中被分離的物理和化學(xué)保護(hù)為主的組分的礦物和生物學(xué)特點(diǎn)對(duì)其影響的程度仍存在很多爭議[35]，例如短期內(nèi)土壤微生物群落組成和生物量占主要作用，長期內(nèi)礦物特性和植物碳源也許表現(xiàn)出更大的作用[36]，它仍然是一種獲得較多同質(zhì)組分的前處理方法。

1.4 酸堿提取有機(jī)質(zhì)(FA)

20世紀(jì)60年代之前，國內(nèi)外研究者對(duì)SOM的研究主要聚焦在腐殖質(zhì)類物質(zhì)上，包括對(duì)腐殖質(zhì)的化學(xué)元素組成、官能團(tuán)結(jié)構(gòu)等方面的分析[37-38]。一般來說，基于酸堿溶解度的差異，腐殖質(zhì)可分為富啡酸(FA)、胡敏酸(HA)和胡敏素(HM)3個(gè)組分[39]。FA是酸、堿和水都可以溶解的物質(zhì)；HA是溶于堿，不溶于酸和水的物質(zhì)；HM是酸、堿和水都不可以溶解的物質(zhì)[7]。由于不能完全的浸提和分離這些組分，無論怎樣純化，HA和FA組分都不可能完全是單一的物質(zhì)，都會(huì)混進(jìn)去一些雜物[12]。

與HA相比，F(xiàn)A富含脂肪族和芳香族結(jié)構(gòu)，分子量較小，芳構(gòu)化和縮合度較低，由于其帶負(fù)電荷，它能很好的吸附及融合元素和礦物質(zhì)到它的分子結(jié)構(gòu)中，對(duì)微生物分解具有抗性[40]。 此外，F(xiàn)A具有高反應(yīng)性，并且可以直接溶解在水中變成酸性溶液，移動(dòng)性大，對(duì)一些土壤的淋溶和沉積有很大作用，可以改善土壤環(huán)境， 因此，F(xiàn)A在土壤有機(jī)碳固存、養(yǎng)分儲(chǔ)存和土壤結(jié)構(gòu)維持中起著重要作用[41]。FA的半衰期(分解一半的某物質(zhì)需要的時(shí)間)為10～50 a，而HA的半衰期長達(dá)幾百年[42]，由此在長期定位試驗(yàn)中，用FA中的C和N(FAC、FAN)含量指示土壤活性有機(jī)碳的變化是可行的，而且可以配合光譜學(xué)分析方法，對(duì)長期培肥土壤FA特性進(jìn)行分析，從物質(zhì)結(jié)構(gòu)的角度了解長期培肥對(duì)土壤FA結(jié)構(gòu)演化影響的研究是有一定價(jià)值的。

1.5 溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)

依據(jù)不同的提取方法，可以獲得狹義和廣義兩種DOM。具體來講，通過吸杯或滲漏計(jì)來提取土壤溶液中能夠通過 0.45 μm孔徑濾膜的有機(jī)質(zhì)成分為狹義的DOM，其主要來源于土壤中的大孔隙；通過各種提取劑，如水(熱水、冷水)和稀鹽溶液(硫酸鉀等)來提取土壤溶液中能夠通過 0.45 μm孔徑濾膜的有機(jī)質(zhì)成分為廣義的DOM[43]。DOM主要包含如糖類、糖酸、酚類、游離氨基酸及脂肪族有機(jī)酸等小分子量物質(zhì)以及HA和FA等大分子量物質(zhì)，其主要來源于土壤微小動(dòng)物、根系分泌液和植物凋落物滲透液等部位[20,44]。

在農(nóng)田自然濕度土壤中，狹義的土壤DOM占土壤總有機(jī)質(zhì)的0.1%～0.4%，含量一般在200 mg·kg-1，濃度在 0～70 mg·L-1之間[8]。雖然DOM含量很低，但它是土壤微生物分解的活性底物，是有機(jī)質(zhì)中最容易改變的那部分成分，也是礦質(zhì)營養(yǎng)元素(N、S和P)的基本來源[45]，其在維持生物化學(xué)肥力和土壤養(yǎng)分方面起著十分重要的作用[46]。在一定條件下，DOM與其它有機(jī)質(zhì)組分可以相互轉(zhuǎn)化，但它們始終處在動(dòng)態(tài)平衡中[47]。

2 土壤活性有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組分

化學(xué)分組是依據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)在各種不同的提取劑(水、酸、堿及鹽)中的水解性和化學(xué)反應(yīng)特性從而分離出的各種組分。酸水解有機(jī)質(zhì)(Acid hydrolyze organic matter，簡稱AHOM)中的碳水化合物以及高錳酸鉀和重鉻酸鉀氧化的易氧化有機(jī)質(zhì)(Readily oxidized organic matter，簡稱ROOM)都屬于土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)分組的活性有機(jī)質(zhì)組分。

2.1 酸水解有機(jī)質(zhì)(AHOM)

酸(鹽酸或硫酸)水解有機(jī)質(zhì)(AHOM)主要分為活性有機(jī)質(zhì)和惰性有機(jī)質(zhì)兩個(gè)庫。酸水解的成分主要有碳水化合物、糖、氨基酸和氨基糖等[48]，沒有水解的成分主要是脂肪、木質(zhì)素、蠟脂、軟木脂和樹脂等[16]。其中，碳水化合物屬于活性有機(jī)質(zhì)組分，它是微生物的主要碳源和能源，并且可以參與土壤團(tuán)聚體的形成，是土壤質(zhì)量研究中的重要指標(biāo)[49]。

用不同種類的酸以及不同濃度的同一種類的酸，提取出的活性有機(jī)質(zhì)組分占土壤總有機(jī)質(zhì)的含量是不一致的。Rovira和Vallejo[50]研究發(fā)現(xiàn)，用5 M H2SO4水解提取出的土壤活性有機(jī)質(zhì)占總有機(jī)質(zhì)的22%～45%；而Chan和Heenan[51]研究表明，用1.5 M H2SO4水解可釋放出32%～37%的土壤總有機(jī)質(zhì)，利用鹽酸可提取30%～87%的土壤總有機(jī)質(zhì)[50,52]；稀酸水解通常提取的碳水化合物含量是熱水提取的5～16倍[53-55]， 并且它大約提取了土壤中碳水化合物總量的65%～85%[54]。

2.2 易氧化有機(jī)質(zhì)(ROOM)

能被高濃度(333 mol·L-1)的高錳酸鉀(KMnO4)和一定濃度(0.8 mol·L-1或1 mol·L-1)的重鉻酸鉀(K2Cr2O7)-濃硫酸溶液氧化的有機(jī)質(zhì)均稱為ROOM[56]。微堿性的KMnO4能水解和氧化胺基或氨基糖、氨基酸和簡單糖類等有機(jī)質(zhì)，但是不能氧化纖維素[20]。K2Cr2O7氧化的有機(jī)質(zhì)測定方法指的是在SOM濕氧化測定法的條件下，降低所需的硫酸濃度和加熱條件，例如袁可能[57]提出的用3∶1的K2Cr2O7∶H2SO4在130 ℃～140 ℃加熱5 min的測定方法，以及李酉開[58]提出的利用在H2SO4溶液中加入K2Cr2O7產(chǎn)生的熱量氧化有機(jī)質(zhì)半小時(shí)的水合熱測定方法。

土壤ROOM在種植作物時(shí)變化最大[59]，其含量約占土壤總有機(jī)質(zhì)的13%～38%[60]，在一定的時(shí)間和空間背景下，可以劇烈地影響植物生長和微生物群落，且在土壤中移動(dòng)速度快、不穩(wěn)定、容易被氧化和分解[10]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳庫含量的變化主要發(fā)生在ROOM中，其對(duì)指示SOM的敏感程度大于其它農(nóng)業(yè)變量，能夠衡量SOM的早期變化。與土壤總有機(jī)質(zhì)相比，土壤ROOM與土壤有效養(yǎng)分(N、P等)、土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)等的關(guān)系更密切[21]。

3 土壤活性有機(jī)質(zhì)的生物學(xué)組分

近些年來，土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中的土壤生物作用越來越引起人們的關(guān)注[61-62]。向農(nóng)田土壤中添加新鮮的有機(jī)物質(zhì)后，土壤中的微生物以這些有機(jī)物為食物來源進(jìn)行快速、大量地繁殖，其結(jié)果是微生物生物量顯著增加，微生物通過呼吸作用釋放的CO2呈指數(shù)增加，進(jìn)而合成更多的新的細(xì)胞外有機(jī)物，這就是礦化過程[16]。生物學(xué)分組的方法，就是通過一些生物方法測定已經(jīng)礦化的生物與被礦化的有機(jī)殘?bào)w的生物量的差值，或是將土壤中的有機(jī)質(zhì)作為反應(yīng)底物來間接推斷土壤生物可利用的有機(jī)質(zhì)含量[16]，常見的生物學(xué)組分的土壤活性有機(jī)質(zhì)包括微生物生物量碳、氮(Microbial biomass carbon and nitrogen，簡稱MBC、MBN)和潛在可礦化碳、氮(Potentially mineralizable carbon and nitrogen，簡稱PMC、PMN)。

3.1 微生物生物量碳和氮(MBC和MBN)

土壤微生物生物量是指土壤中體積小于5×103μm3的有生命活性的土壤微動(dòng)物體內(nèi)、細(xì)菌、真菌和藻類所含的有機(jī)質(zhì)，是土壤有機(jī)質(zhì)中變化最快、活性最大的那部分有機(jī)質(zhì)[63]。用MBC和MBN所表征的土壤質(zhì)量稱為土壤的生物學(xué)質(zhì)量，MBC和MBN約占土壤總有機(jī)質(zhì)的1%～3%[64]，最大比例可達(dá)到9%，但是一般不會(huì)超過10%[65]。MBC和MBN雖然含量不高，但是其對(duì)土壤周圍環(huán)境因子的變化靈敏性極高，環(huán)境因子的微小變化就會(huì)引起其活性的大幅度變化，并且它也是土壤養(yǎng)分(N、P、K等)的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)養(yǎng)分循環(huán)有重要的指示意義。因此，MBC和MBN是衡量土壤碳庫和氮庫平衡，保持土壤化學(xué)、生物化學(xué)肥力以及評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[66-67]。

3.2 潛在可礦化碳和氮(PMC和PMN)

PMC又被稱為生物降解碳，通過測定CO2的礦化量或?qū)Ｐ院粑俾?微生物分解有機(jī)物質(zhì)時(shí)每單位微生物量所產(chǎn)生的CO2量，簡稱qCO2)來獲得土壤PMC的含量[45]。qCO2值越小表明土壤微生物可以更高效率地利用有機(jī)碳，從而說明土壤中可被利用的碳源越多[68]。測定PMC的方法有多種，如平板計(jì)數(shù)法、成份分析法、底物誘導(dǎo)呼吸法和土壤培養(yǎng)法等[69]。目前，通常采用土壤培養(yǎng)法[70-71]進(jìn)行測定，主要原理就是在密閉可抽氣的容器內(nèi)，培養(yǎng)保持田間持水量的土壤，培養(yǎng)過程中微生物分解有機(jī)碳釋放出CO2，這部分CO2含量可以用滴定、電導(dǎo)、遠(yuǎn)紅外分析儀和氣相色譜的方法檢測，從而計(jì)算出潛在可礦化碳量。在實(shí)際操作中，一定要注意培養(yǎng)時(shí)的溫度、水分含量、容器的密閉性以及培養(yǎng)的持續(xù)時(shí)間和測量間隔等[72]，這些因素是實(shí)驗(yàn)成功的先決條件。

PMN是提供作物氮素營養(yǎng)的重要指標(biāo)，它反映的是土壤氮素的生物有效性[73]，在作物不施肥的條件下，作物可利用的土壤氮素除最初的礦質(zhì)氮外，主要就是PMN[74]。PMN可以在封閉或開放的培養(yǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行測量。封閉培養(yǎng)與PMC的培養(yǎng)方法相同，可同時(shí)測量可礦化的C和N，在培養(yǎng)前和培養(yǎng)后測量土壤中可交換(用2 mol·L-1KCl提取)的礦質(zhì)氮(銨態(tài)氮和硝態(tài)氮)的含量，最終通過差減法計(jì)算PMN的含量[75]。在開放式培養(yǎng)中，通常將土壤與沙子混合(以保持孔隙率和水力傳導(dǎo)性)，并在浸出柱中培養(yǎng)8～30周[76]，定期用0.01 M CaCl2浸提土壤，并測量滲濾液中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，每次浸出后均添加無氮營養(yǎng)液(用無氮營養(yǎng)液淋洗土壤可以平衡土壤其他養(yǎng)分的供應(yīng)，進(jìn)而維持微生物活性)，然后將土壤排干至已知的張力并重新培養(yǎng)。 實(shí)驗(yàn)室短期厭氧(淹水)和田間培養(yǎng)系統(tǒng)都可以測定PMN[72]，這種方法能夠很好地模擬淹水土壤的水分狀況，并且培養(yǎng)過程中的通氣和嚴(yán)格的水分控制條件均不需要考慮[77]。近年來，開放式培養(yǎng)系統(tǒng)比封閉式系統(tǒng)更受歡迎，因?yàn)槎鄶?shù)研究者認(rèn)為，開放式培養(yǎng)系統(tǒng)可模擬植物攝取持續(xù)去除礦化的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的效果， 它的缺點(diǎn)是與短期封閉培養(yǎng)相比非常耗時(shí)[8]。

一般來說，PMC和PMN占土壤總有機(jī)質(zhì)的比例為0.8%～12%[78]。PMC和PMN與其他的土壤活性質(zhì)組分(如LFOM、DOM、MBC和MBN)有正相關(guān)的關(guān)系，其原因是LFOM、DOM、MBC和MBN可能是微生物分解的底物[8]。Franzluebbers等[79]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)常規(guī)耕作轉(zhuǎn)化為免耕或輪作中使用牧草和長期施肥時(shí)，PMC與DOM、MBC二種活性有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，并且PMC是一種比總有機(jī)碳更敏感的指標(biāo)。

土壤PMC和PMN反映的是土壤中能被礦化部分的有機(jī)碳和氮，它的礦化速率不僅限定了土壤養(yǎng)分的含量，而且直接影響了溫室氣體的排放、土壤營養(yǎng)元素的供應(yīng)與釋放以及土壤肥力的維持等方面。綜上可見，PMC和PMN是表示土壤肥力高低、土壤微生物活性大小[21]、耕作時(shí)間長短和環(huán)境是否可持續(xù)性的指標(biāo)，其高值反映發(fā)酵微生物群落的活性，低值反映穩(wěn)態(tài)土著性微生物群落的活性[80-81]。因此，測定分析土壤PMC和PMN的含量和性質(zhì)對(duì)有效管理土壤養(yǎng)分和科學(xué)控制全球氣候變暖具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[82]。

4 土壤活性有機(jī)質(zhì)的聯(lián)合分組組分

21世紀(jì)初，Six等[33,35]對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的單一分組進(jìn)行整合，提出了更有實(shí)用價(jià)值的團(tuán)聚體-密度分組和物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法，其中，團(tuán)聚體-密度分組中的游離態(tài)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)以及物理-化學(xué)聯(lián)合分組中的游離活性有機(jī)質(zhì)和物理保護(hù)有機(jī)質(zhì)都屬于土壤活性有機(jī)質(zhì)的組分。

4.1 游離態(tài)團(tuán)聚體有機(jī)質(zhì)(fPOM)

Six等[33]對(duì)原有的物理分組方法進(jìn)行改進(jìn)，將團(tuán)聚體分組和密度分組相結(jié)合，成功而又有效地分離出了存在于大團(tuán)聚體中的微團(tuán)聚體內(nèi)部的閉蓄態(tài)團(tuán)聚體(iPOM)和存在于大團(tuán)聚體內(nèi)部但不存在于微團(tuán)聚體內(nèi)部的游離態(tài)團(tuán)聚體(fPOM)兩種組分，其中fPOM為土壤有機(jī)質(zhì)的活性成分。主要測定過程是：首先，通過物理分組的團(tuán)聚體分組方法分離出不同粒級(jí)的團(tuán)聚體；其次，通過物理分組的密度分組法分離出輕組和重組有機(jī)質(zhì)成分；最后，用六偏磷酸鈉分散重組成分，振蕩后過53 μm 篩子，留在篩子上的為iPOM。團(tuán)聚體-密度聯(lián)合分組方法可以實(shí)際地反映一部分有機(jī)質(zhì)在土壤中的轉(zhuǎn)化過程和土壤質(zhì)量的恢復(fù)過程，這種分組方法被研究者們廣泛采納和接收[26]。

4.2 游離活性有機(jī)質(zhì)(cPOM、fPOM)和物理保護(hù)有機(jī)質(zhì)(iPOM)

Six等[35]和Stewart等[83-84]將土壤有機(jī)質(zhì)物理分組方法和土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定機(jī)制聯(lián)合起來，進(jìn)一步引入化學(xué)分組方法。此方法包括密度浮選、玻璃珠分散和酸性水解等技術(shù)手段，利用物理-化學(xué)聯(lián)合分組方法，將土壤有機(jī)質(zhì)分為物理保護(hù)有機(jī)質(zhì)(iPOM)、化學(xué)保護(hù)有機(jī)質(zhì)(H-dSilt、H-dClay、H-μSilt、H-μClay)、生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)質(zhì)(NH-dSilt、NH-dClay、NH-μSilt、NH-μClay)和非保護(hù)有機(jī)質(zhì)(游離活性有機(jī)質(zhì)，cPOM和fPOM)4類(圖1)。這種分組方式包括了土壤有機(jī)質(zhì)的各種穩(wěn)定機(jī)制，越來越引起研究者的聚焦。

圖1 土壤物理-化學(xué)聯(lián)合分組流程[35,83-84]Fig.1 The combined grouping process of soil physics-chemistry[35,83-84]

在上述所有土壤有機(jī)質(zhì)中，游離活性有機(jī)質(zhì)和物理保護(hù)有機(jī)質(zhì)具有短的周轉(zhuǎn)時(shí)間、快速的分解速度，其對(duì)施肥等農(nóng)業(yè)措施響應(yīng)敏感，因此，這兩個(gè)庫是土壤有機(jī)質(zhì)的活性組分，可以指示土壤碳庫的短期變化。化學(xué)保護(hù)有機(jī)質(zhì)和生物化學(xué)保護(hù)有機(jī)質(zhì)對(duì)農(nóng)業(yè)措施的反應(yīng)很緩慢、分解速度慢、周轉(zhuǎn)時(shí)間長，它們屬于惰性有機(jī)質(zhì)組分，可以預(yù)測土壤碳庫是否飽和[35,83]。

5 結(jié)語與展望

目前，在迫切發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的背景下，如何應(yīng)用對(duì)提高土壤生產(chǎn)力和減少土壤退化有真正促進(jìn)作用的切實(shí)可行的農(nóng)田管理措施是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)[85-86]。現(xiàn)有的農(nóng)田管理措施，以及自然環(huán)境中的溫度升高都對(duì)農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量上的損失造成巨大影響。因此，有必要對(duì)土壤質(zhì)量有早期指示作用的土壤活性有機(jī)碳組分開展深入研究，以快速解讀土壤生產(chǎn)力的變化。根據(jù)國內(nèi)外研究的具體成果，我們基于有機(jī)質(zhì)分解的時(shí)間長短以及分解的難易程度對(duì)土壤活性有機(jī)質(zhì)組分的分類進(jìn)行了總結(jié)(圖2)。

圖2 土壤活性有機(jī)質(zhì)組分分類Fig.2 Classification of soil labile organic matter components

但是，至今為止，可分解和難分解有機(jī)質(zhì)的區(qū)分并不很明確，仍存在很大爭議[87]。而且，由于土壤有機(jī)質(zhì)本身成分的復(fù)雜性，單獨(dú)研究某一種或某些種組分是有局限性的，主要表現(xiàn)為：(1)土壤活性有機(jī)質(zhì)的物理組分的空間異質(zhì)性很大；(2)化學(xué)組分不同程度地破壞了分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(3)生物學(xué)組分所需的培養(yǎng)時(shí)間長，且培養(yǎng)條件很難在各個(gè)時(shí)期都保持完全一致；(4)物理-化學(xué)聯(lián)合分組的組分，雖然避免了物理組分和生物學(xué)組分的弊端，但是其對(duì)土樣進(jìn)行酸解時(shí)還是使用了酸溶液，不可避免地會(huì)破壞分子結(jié)構(gòu)[88-89]。因此，今后的研究中，應(yīng)聯(lián)合使用不同的分組方法，多角度全方位地解析土壤質(zhì)量的變化特征。

此外，由于分析方法不統(tǒng)一和試驗(yàn)外部條件控制不同等原因，土壤活性有機(jī)質(zhì)組分的數(shù)量測定結(jié)果總會(huì)在一定程度上存在不確定性和難比較性，這時(shí)需要用一些測定分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)來驗(yàn)證和補(bǔ)充測定的結(jié)果。土壤有機(jī)質(zhì)的光譜分析技術(shù)，如紫外-可見吸收光譜、傅里葉變換紅外光譜、三維熒光光譜和固體核磁共振碳譜均能夠很好的解析其質(zhì)量的變化規(guī)律。但是，單一的光譜分析技術(shù)也有局限性，應(yīng)結(jié)合不同種類的光譜分析方法共同全面地驗(yàn)證土壤活性有機(jī)質(zhì)的變化。土壤活性有機(jī)質(zhì)組分的數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的分析方法，有望成為今后研究土壤活性有機(jī)質(zhì)的未來趨勢和焦點(diǎn)。