土壤碳赋存形态及分析方法研究进展_陈宗定.pdf

2019 年 3 月 March 2019 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 38，No． 2 233 －244 收稿日期 2017 －09 －27; 修回日期 2018 －06 －19; 接受日期 2018 －06 －22 基金项目 中国地质科学院基本科研业务费项目 YYWF201622 ; 国家重点研发计划项目 2016YFF0201103 作者简介 陈宗定， 硕士， 主要从事地质矿产标准化研究。E － mail ding_5424126． com。 陈宗定，许春雪，安子怡， 等． 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展［ J］ ． 岩矿测试， 2019， 38 2 233 －244． CHEN Zong － ding，XU Chun － xue，AN Zi － yi，et al． Research Progress on Fraction and Analysis s of Soil Carbon［ J］ ． Rock and Mineral Analysis， 2019， 38 2 233 －244．【DOI 10． 15898/j． cnki． 11 －2131/td． 201709270148】 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展 陈宗定，许春雪，安子怡，王亚平，孙德忠，王苏明 国家地质实验测试中心，北京 100037 摘要 研究土壤碳的赋存形态不仅利于了解碳的迁移转化规律， 而且可以为土壤固碳提供科学依据。目前 对各形态碳 尤其是有机碳中的慢性及惰性组分 缺乏系统的分析研究。基于此， 本文综述了土壤中碳的主 要赋存形态， 各形态碳的组成、 分布及作用， 土壤碳的分析、 分离方法。土壤无机碳储量约占全球总碳库的 38， 赋存形态以碳酸盐为主。土壤有机碳主要分为活性碳库 周转期0． 1 ～4． 5 年 、 慢性碳库 周转期 5 ～ 50 年 和惰性碳库 周转期 50 ～3000 年 。其中可溶性有机碳、 易氧化有机碳和微生物量碳属于活性有机碳 库这一范畴， 可以较为灵敏地反映土壤理化性质的微小变化; 轻组有机碳和颗粒有机碳属于慢性有机碳库， 可作为土壤有机质周转变化的重要指标; 重组有机碳和矿物结合态有机碳属于惰性有机碳库， 是土壤有机碳 固持的重要机制之一。目前土壤中碳酸盐测定方法主要为气量法和滴定法; 有机碳分析方法包括容量法、 比 色法和重量法。本文提出， 今后应加强对无机碳及有机碳中的惰性组分研究， 同时对土壤有机碳各组分概念 及测定方法进行统一， 并开展不同地域、 不同土壤类型、 不同浓度的土壤碳形态标准物质研制工作。 关键词 土壤碳; 赋存形态; 分布特征; 分析方法; 分离方法; 标准物质 要点 1 总结了土壤中无机碳和有机碳的主要赋存形态和各形态碳的组成、 分布及作用。 2 评述了目前国内外土壤中不同形态碳的分析、 分离方法。 3 提出应统一土壤中不同形态碳的概念和分析方法， 加强相关标准物质研制。 中图分类号 S151． 93; O613． 71文献标识码 A 土壤是一个巨大的碳库， 在全球碳循环中发挥 着至关重要的作用。表层土壤 1m 深度内碳储量大 约有 2500Pg 有机碳和无机碳分别为 1550Pg 和 950Pg， 1Pg 109t ，仅 次 于 海 洋 圈 碳 储 量 38000Pg ［1 －2 ］。土壤碳储量的微小变化会影响整 个生态系统 一方面， 土壤碳的排放会使大气中温室 气体 含 量 升 高，进 而 影 响 到 全 球 气 候 变 化。 Baldock［3 ］指出， 土壤 2m 厚度范围内每增加 5 ～ 15有机碳将会降低大气中16 ～30的 CO2。另 一方面， 土壤碳是衡量土壤质量的重要指标， 其含量 直接影响土壤肥力及生态功能， 从而决定森林及农 作物的生长 ［4 ］， 因此受到了广泛关注。 由于土壤碳库组成的复杂性及其对各种影响因 素 如土地利用变化、 自然与人为干扰等 变化响应 的多样性， 国内外对土壤碳库的动态过程认识仍有 很大不足。土壤中碳的赋存形态与其复杂的动态过 程密切相关， 因此， 对土壤碳库中不同碳形态的研究 和分析是明确土壤碳库变化和调控机理的关键， 是 研究陆地生态系统碳循环及全球碳平衡的基础。目 前， 测定无机碳 碳酸钙 的经典方法主要有气量 法、 滴定法等， 测定有机碳的方法有重铬酸钾氧化 － 容量法、 干烧法、 湿烧重量法等， 但关于仪器分析方 法的报道较少。此外， 土壤有机碳是非常复杂的混 合物， 针对有机碳不同组分分析方法的研究在我国 较为少见。本文综述了土壤中碳主要赋存形态， 对 土壤中不同形态碳的分离和分析方法进行了评述。 332 ChaoXing 1土壤碳赋存形态 1． 1无机碳 土壤中无机碳包括 CO2 吸附的 CO2和溶解的 CO2 、 碳酸 H2CO3 、 重碳酸盐 HCO － 3 、 碳酸盐 CO2 － 3 及固态的碳酸钙 主要为方解石 ［4 ］。依据 来源不同， 土壤无机碳可划分为成岩性无机碳和成 土性无机碳 ［5 ］， 后者是无机碳库的主要组成部分， 由大气中 CO2溶解、 沉淀而成， 在全球碳循环中意义 重大。由于无机碳性质相对稳定， 早期对其研究较 少， 从 21 世纪初开始关注其储量及转化。目前对于 无机碳库评估差异较大， 从全球范围来看， 在0 ～1m 土壤 层 中， 土 壤 无 机 碳 库 为 695 ～ 745Pg［6 ］到 1738Pg［7 ］， 其中我国无机碳库为 45 ～234． 2Pg［7 －8 ］， 主要以碳酸盐如 CaCO3、 CaMg CO3 2等的形式分布 于沙漠、 半干旱地区及石灰岩沉积区 以西北和华 北地区为主 ［5 ］。在占据我国国土面积 47 的干 旱/半干旱地区， 土壤无机碳库储量是有机碳库的 2 ～10 倍， 且随着土壤深度的增加而逐渐增大 ［9 ］。 Tan 等 ［10 ］研究了我国黄土高原碳库， 计算出在表层 1m 处土壤无机碳储量为 10． 20Pg， 占我国土壤无机 碳库的 18． 4 左右， 总体上是一个有效碳汇。Li 等 ［11 ］根据我国土壤调查及中国科学院提供的相关 数据， 估算出我国 1m 深的土壤以碳酸盐形式储存 的无机碳为 77． 9Pg， 是土壤无机碳库的主要存在 形式。 土壤无机碳主要受土地利用方式、 气候和大气 中的养分影响 ［5 ］。Wu 等［8 ］通过对南方水稻土土壤 调查数据的研究， 指出农业用地活动 耕种水稻、 灌 溉等 造成 0 ～ 1m 土层无机碳储量下降了 1． 6Pg。 Wang 等 ［5 ］研究表明， 在干旱地区， 长期施肥增加了 农田土壤中的有机碳， 从而使无机碳含量升高， 即在 干旱/半干旱地区， 无机碳与有机碳含量呈正相关 性 ［12 ］， 土壤有机碳 SOC 通过沉淀作用可转化为无 机碳， 即 SOC→CO2→HCO － 3 aq→CaCO3 s 。 土壤无机碳储量约占全球总碳库的 38［6 ］ ， 在 陆地生态系统中仅次于有机碳库， 但由于无机碳较 有机碳更为稳定， 对碳循环贡献相对较小， 往往被人 们所忽视。而近年来的研究表明 ［6， 13 ］， 土壤无机碳 尤其是 CaCO3含量 不仅影响土壤 pH 值、 土壤供 肥能力及土壤环境质量 ［14 －15 ］， 而且对于缓解土壤重 金属污染有一定作用 ［16 －17 ］。此外， 通过盐/碱土吸 附的碳高达 62 ～ 622g/ m2y 并以无机碳的形式 存在于土壤中， 表明土壤无机碳库是一个有效碳汇， 在土壤 － 大气碳循环中发挥着重要作用 ［13 ］。 今后的研究一方面应加强典型地区 干旱、 半 干旱地区 无机碳库分析、 统计， 并加深采样深度， 另一方面考虑对成岩性无机碳和成土性无机碳分别 进行定量分析， 探究二者在碳循环中的作用， 为缓解 气候变化采取及时、 有效的措施奠定基础。 1． 2有机碳 土壤有机碳主要来源于死亡的生物残体以及牲 畜粪肥、 绿肥等有机物料。全球表层 1m 土壤有机 碳储量为 1200 ～1600Pg［5 ］， 其中我国土壤有机碳储 量约为 50 ～185． 7Pg［6 ］， 主要分布于热带雨林、 热带 草原、 极地或冻土区 以东北和东南为主 ， 随着纬 度、 经度及山地的海拔差异而发生变化， 重要贡献土 类是东北的暗棕壤和沼泽土以及南方的水稻土 ［6 ］。 土壤类型是影响有机碳含量的重要因素， 根据前人 研究 ［18 ］计算得到我国几种典型土壤 100cm 深度和 20cm 深度土壤有机碳含量 如图 1 所示 土壤 容重按照我国土壤平均容重 1． 30g/cm3计算 。 图 1我国几种典型土壤 100cm 深度和 20cm 深度的 有机碳含量 Fig． 1Organic carbon content of the several kinds of typical soils in China 由图 1 可知， 有机碳主要分布于土壤表层， 其含 量随着土层加深而降低 ［8 ］。此外， 土地利用类型对 土壤有机碳含量影响很大。Wang 等 ［19 ］对几种土地 利用类型进行了考察， 指出有机碳密度高低顺序为 森林 ＞ 草地 ＞ 沙漠灌木 ＞ 沙漠。Syswerda 等 ［20 ］也 认为森林土壤更利于有机碳的积累， 从森林变为耕 地并经过长期耕作后， 其有机碳至少损失20， 表明 森林土壤是一个十分重要的有机碳碳库。土壤是陆 地生态系统中最大的有机碳库， 不仅影响着土壤中 养分的储存与供应， 而且在全球碳循环中起着至关 432 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2019 年 ChaoXing 重要的作用 ［21 －22 ］。自 1850 年以来， 森林砍伐及草 地耕地化导致有机碳含量大大下降， 从而增加了大 气中 35的 CO2释放量［23 ］。 由此可见， 土壤有机碳库在陆地生态系统中有 着重要的地位和作用， 而对有机碳组分的探究是研 究有机碳库的基础。目前， 土壤有机碳库分组方法 有很多， 其中稳定性分组法对土地利用变化有积极 响应， 与土壤管理密切相关， 得到了广泛应用。该方 法将土壤有机碳库分为活性碳库 周转期 0． 1 ～4． 5 年 、 慢性碳库 周转期 5 ～50 年 和惰性碳库 周转 期 50 ～3000 年 ［24 －26 ］。 1． 2． 1活性有机碳 土壤中不稳定、 易分解、 易氧化、 易矿化、 移动较 快， 对地表植物和土壤微生物有显著影响的有机碳 定义为土壤活性有机碳 ［27 －28 ］。由于其特殊的化学 组成和周转时间较短， 往往可以较为灵敏地指示土 壤质量及土地利用变化 ［29 ］。土壤活性有机碳是植 物营养的主要来源， 在未完全分解之前， 临时对土壤 结构有稳定作用。可溶性有机碳 DOC 、 易氧化有 机碳 LOC 和微生物量碳 SMBC 均属于活性有机 碳这一范畴 ［30 ］。 Jandl 等 ［ 31 ］提出， 土壤可溶性有机碳是指能溶解 于水， 并且能通过 0． 45μm 滤膜的含碳有机物， 包括 简单有机分子， 如碳水化合物、 简单氨基酸和小分子 蛋白质等， 它们极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， 其对有毒金属和有机污染 物传输、 水和养分循环及土壤有机碳的有效性等都具 有重要的影响， 而且也是土壤微生物的重要能源 ［ 32 ］。 农田自然湿度土壤中， 可溶性有机碳占总有机碳的 0．1 ～0．4［ 32 ］， 含量一般在200 mg/kg 土 范围。 土壤易氧化有机碳是指容易受到植物、 微生物 的影响并具有一定溶解性， 在土壤中移动较快、 不稳 定、 易氧化分解的土壤碳素 ［28 ］， 一般广泛存在于农 田和草原中。易氧化有机碳的周转时间短， 与土壤 养分的供应、 土壤微生物活动和作物生长密切相关， 是植物营养素的主要来源。Biederbeck 等 ［33 ］研究指 出， 土壤有机碳的短暂波动主要来源于易氧化部分 的变化， 因此， 土壤易氧化有机碳可作为土壤碳库稳 定性的指示因子。 土壤微生物量碳是指土壤中体积小于5 ～10 μm 3活的细菌、 真菌、 藻类和土壤微动物体内所含的 碳 ［34 ］， 一般占土壤有机碳的 0． 3 ～ 7， 其变化可 直接或间接地反映土壤耕作制度和土壤肥力变化， 并可反映土壤污染程度 ［35 ］。此外， 微生物量碳与土 壤有机碳的比值可用于检测有机碳的动态变化， 并 可指示土壤碳的平衡、 积累和消耗。 尽管活性有机碳在土壤有机碳库中所占比例不 大 通常不到 5 ， 但它可以较为灵敏地反映土壤 理化性质的微小变化， 因此一直是土壤结构及有机 碳稳定性的研究热点 ［36 －37 ］。土壤活性有机碳能显 著影响土壤化学物质的溶解、 吸收、 迁移乃至生物毒 性等行为， 在微生物的生长代谢、 土壤有机质分解以 及土壤中污染物的迁移等过程有着重要作用 ［38 ］。 此外， 土壤活性有机碳与总有机碳量相比， 能够更好 地指示土壤质量， 反映土壤有机碳的有效性。 1． 2． 2慢性有机碳 慢性有机碳指介于“活性” 和“惰性” 库间具有 中等周转时间的土壤有机碳， 包括微生物和微型动 物残体以及碎屑物质。其中轻组有机碳和颗粒有机 碳均属于这一范畴 ［28， 39 ］。 轻组有机碳是指土粒密度小于 1． 6 ～2． 0g/cm3 组分中的有机碳， 是介于新鲜有机质和腐植质之间 的中间碳库， 包括植物残体及其腐解产物、 菌丝体和 孢子等， 占土壤有机碳总量的 15 ～ 32， 主要分 布于农田及森林土壤中 ［40 ］。轻组有机碳一方面是 土壤有机质周转和作物有效养分的暂时储存库; 另 一方面是微生物的重要碳和能量来源， 极易被土壤 微生物利用， 参与土壤碳氮循环 ［41 ］。已有研究表 明， 土壤微生物量氮、 土壤矿化氮和碳均与土壤中轻 组有机质含量呈显著正相关， 表明轻组有机质具有 较高的生物活性。 颗粒有机碳是指采用颗粒大小分组法分出的土 壤有机质组分， 是与砂粒 53 ～2000μm 结合的有机 碳部分， 由相对粗大的非腐植质化的不同分解阶段 植物残体和微生物分解产物组成， 具有比重小、 C/N 值高、 易被微生物分解等特点 ［42 ］。Cregorich 等［43 ］ 研究表明在农业用地土壤中， 颗粒有机碳约占总有 机碳的 22， 广泛存在于农田、 森林及草原土壤中。 土壤颗粒有机碳不仅可以胶结和稳定团聚体， 而且 对土地利用和土壤经营措施的变化响应非常迅速且 具有选择性， 因此可作为土壤有机质周转变化的重 要指标 ［44 ］。 1． 2． 3惰性有机碳 惰性有机碳是指周转时间为 50 ～ 3000a， 比较 稳定， 对土壤利用的短期变化几乎没有响应的有机 碳 ［45 ］。其中重组有机碳和矿物结合态有机碳属于 这一范畴。 研究表明， 重组有机碳是土粒密度大于1．8～2．0g/cm3 532 第 2 期陈宗定， 等 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展第 38 卷 ChaoXing 的有机碳组分， 主要成分是腐植质， 其含量占总有机 碳的60以上 ［ 46 ］， 是土壤有机碳的重要构成部分。 重组有机碳以芳香族物质为主体 主要是腐植质 ， 存 在于有机 －无机复合体中， 其结构稳定复杂， 很难被 微生物所利用， 具有固碳作用， 在一定程度上反映了 土壤保持有机碳的能力， 因此提高这部分碳库含量对 缓解大气 CO2浓度上升具有重要意义［ 47 ］。 矿物结合态有机碳多是腐植化的有机质， 同时 受土壤黏粒和粉粒保护， 因此相对稳定， 并且与团聚 体结合碳之间关系密切， 从而影响土壤有机碳的动 态变化。土壤矿物结合态有机碳是土壤有机碳固持 的重要机制之一。 相比于土壤中的活性有机碳， 目前对惰性有机碳 研究较少， 而作为土壤有机碳的重要组成部分， 对这一 形态碳进行深入、 细致的分析研究显得很有必要。 2土壤碳分析方法 2． 1无机碳分析方法 土壤中的无机碳主要以碳酸盐形式存在， 其含 量分析受到了较为广泛的关注 ［47 －50 ］。土壤中碳酸 盐主要是难溶的方解石 CaCO3 和白云石 CaCO3 MgCO3 ， 目前传统应用的分析方法有原子吸收光 谱法、 连续流压电检测法、 气压法等， 但这些方法操 作过程繁琐， 精确度低 ［47 －48 ］。相比之下， 气量法和 滴定法 容量分析法 的应用更为普遍， 也是目前测 定土壤碳酸盐的标准方法 LY/T 12501999 。 气量法的主要步骤是在土壤中加入一定量的 酸， 产生的 CO2用气体装置收集并测量体积， 从而计 算出土壤中碳酸盐含量。该方法适用于除碳酸镁土 以外的各类土壤碳酸盐含量测定， 但操作较为繁琐， 且受温度、 压力影响较大， 通过建立标准曲线并根据 标准曲线回归方程计算土壤中碳酸盐的方法可以大 大改善。王莲莲等 ［49 ］采用气量法和 CO 2吸收法 用 过量 NaOH 吸收土壤与盐酸反应产生的 CO2， 再测 定剩余 NaOH 的量 测定土壤中的碳酸盐， 结果表明 气量法测定比较快速且易于操作， 适合大批量样品 测定; CO2吸收法相对稳定， 但用时较长 约 30h ， 且操作比气量法复杂， 适于对精度要求高的测定。 滴定法包括中和滴定法和电位滴定法， 即向土 壤样品中加入过量的标准酸， 与碳酸盐充分反应后， 过量的酸再用碱标准溶液回滴， 通过酸的消耗量计 算得到碳酸盐含量。杜森等 ［50 ］提出碳酸根和碳酸 氢根均可采用双指示剂 酚酞和甲基橙 中和法和 电位滴定法测得， 但对于质地黏重、 碱度较高的土壤 浸出液， 采用双指示剂中和法的终点很难确定， 可采 用电位滴定法。彭红翠等 ［51 ］采用中和滴定法和间 接法 土壤总碳与有机碳进行差减 测定稻田和林 地土壤中碳酸盐， 结果表明中和滴定法测得土壤的 CaCO3含量， 其准确度和重复性相对较差， 这主要是 由于标准酸中氢离子与土壤胶体上的金属阳离子发 生交换作用， 并使矿物酸解， 从而消耗酸所致， 因此 所消耗的酸量不能真实代表土壤中碳酸盐的含量， 相比之下， 采用间接法测定土壤中的碳酸盐准确度 更高。 分析仪器方面， 韩文娟 ［52 ］采用碳酸仪 M1 － 0853 型， 荷兰 测定土壤中 CaCO3的含量， 该仪器主 要基于是气量法原理， 具有操作简单、 用时少等优 点。考虑到与酸反应会存在反应不完全、 废液污染 等问题， Bisutti 等 ［53 ］提出了一种新型的同时测定土 壤有机碳和无机碳方法 单次运行双次升温燃烧 法 SRDTC ， 该方法采用有机碳分析仪与红外气体 分析仪联合， 分别在 515℃ 和 925℃ 下将样品燃烧， 通过测定不同温度范围下产生的 CO2来得出土壤中 有机碳和无机碳含量， 具有测定速度快、 成本低、 高 效、 环保等优点。在此基础上， Apesteguia 等 ［54 ］提出 了 “梯度燃烧法” ramped combustion ， 采用热分析 仪和 CO2/H2O 气体分析仪联用， 将燃烧温度设定为 850℃测定样品中的无机碳， 并排除了水蒸汽干扰， 测得无机碳与气量法基本一致 r20． 97 。 几种主要测定土壤无机碳的方法及简要流程总 结如图 2 所示。 综上， 目前测定土壤中碳酸盐的经典方法有气 量法和滴定法。其中， 前者可采用土样与参比物在 同温同压下平行操作测定， 从而直接计算结果， 使测 定过程更为简化， 结果精度提高。后者不需要专用 装置， 且适用范围广， 但精度稍差， 常被用作速测法。 此外 ， “梯度燃烧法” 可同时测定土壤中有机碳和无 机碳， 操作简便、 测试结果准确度高， 具有较好的应 用前景。 2． 2有机碳分析方法 对于土壤中的总有机碳， 经典分析方法主要有 容量法、 比色法和重量法， 重量法又可为湿烧法和干 烧法。其中， 土壤有机碳分析标准方法有 ①重铬酸 钾 － 容量法 DZ/T 0279． 272016 ， 该方法有机碳 测定范围为 0． 2 ～ 20， 是目前应用最为普遍的 土壤有机碳测定标准方法; ②重铬酸钾氧化 － 分光 光度法 HJ 6152011 ， 其简单、 快速且具有较好准 确性， 但易受土壤组成 氯、 铁、 氧化锰等 影响 ［50 ］， 632 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2019 年 ChaoXing 图 2土壤无机碳分析方法及流程 Fig． 2Analytical s and flow of inorganic carbon in soil 该标准不适用于氯离子 Cl － 含量大于2． 0 104 mg/kg 的盐渍化土壤或盐碱化土壤的测定; ③湿烧 重量法 DZ 4887 ， 适用于岩石、 现代沉积物、 现 代生物、 土壤等各类样品中有机碳含量的测量， 该方 法虽然比较准确， 但操作程序繁长。此外， 还有燃烧 氧化 － 非分散红外法 HJ 6952014 、 燃烧氧化 － 滴定法 HJ 6582013 、 干烧法 BS EN 15936 2012， NF X31 －0402013 等。 目前关于土壤中有机碳的分析方法研究较多。 土 壤 分 析 技 术 规 范指 出，采 用 油 浴 加 热 180 ～190℃ 重铬酸钾氧化 － 容量法测定土壤有 机碳时， 与干烧法对比只能氧化 90 的有机碳， 因 此需将测得的有机碳乘以校正系数 1． 1［50 ］， Kimble 等 ［55 ］则认为该校正系数取决于土壤类型、 采样深度 等。此外， 该方法中 Cl － 和 Fe2 的存在会对测定结 果造成干扰， 可分别通过加入 Ag2SO4和空气氧化的 方法缓解 ［56 ］。杨剑虹等［57 ］指出， 采用干烧法和湿 烧法 经典方法 测定有机碳， 区别在于干烧法为土 壤样品酸化脱除无机碳后与 O2高温下 950℃ 灼 烧， 湿 烧 法 是 将 土 壤 样 品 置 于 溶 液 中 加 热 180 ～190℃ 氧化分解， 二者产生的 CO2通过 KOH 重量法 和Ba OH 2溶液 容量法 吸收得到， 其优 点在于氧化完全， 回收率可达 100; 缺点在于测定 速度慢、 操作较繁琐等。该方法适用于样品量少、 对 测定结果准确度要求较高的样品， 不适于大批量样 品分析。Bisutti 等 ［56 ］指出， 在没有无机碳存在的情 况下， 干烧法是测定土壤有机碳最准确的方法， 可作 为标准来校正其他方法。Apesteguia 等 ［54 ］认为， 虽 然干烧法测定有机碳较为准确， 但并不适于测定无 机碳含量较高的石灰土， 这是由于用于样品预处理 的酸 通常为盐酸、 磷酸、 亚硫酸 可能与碳酸盐反 应不完全， 或者溶解脱除部分土壤中的有机碳， 影响 测定结果。Ramnarine 等 ［58 ］提出可以通过盐酸熏蒸 法来降低或消除酸液处理过程中有机碳的损失。此 外， 烧失量法也可用于测定土壤或沉积物中的有机 碳， 该方法通过称量灰化前后样品质量计算得出有 机质含量， 燃烧温度 375 ～ 800℃ 视样品而定 ［56 ］， 土壤中由碳酸盐释放的 CO2和水分蒸发带来的质量 损失忽略不计。 几种经典测定土壤有机碳的方法及流程总结如 图 3 所示。 分析仪器方面， 常规仪器包括元素分析仪 C、 H、 O、 N、 S 联合测定仪 ， 高频红外碳硫分析仪， 总有 机碳分析仪等， 但测定前均需进行预处理脱除无机 碳， 这几种方法本身具有较高的精密度， 且方便快 捷， 但用样量小， 取样误差大， 土壤中无机碳对测定 有干扰。在该类分析方法中， 样品预处理过程是关 键， 前期需针对不同土壤性质 有机、 无机碳比例 等 开展酸化条件 酸的选择、 加热温度、 处理时间 等 研究。Apesteguia 等 ［54 ］在 Bisutti 等［53 ］研究基础 上提出了“梯度燃烧法” ， 可实现有机碳的直接测 定， 且用于测定高含量无机碳土壤中的有机碳较 “湿法氧化法” 更为准确可靠。此外， 激光诱导击穿 光谱 LIBS 分析速度快， 测定结果与干烧法基本一 致 r20． 96 ， 具有较高的精密度 4 ～5 和准 确度 3 ～14 ， 适用于大批量土壤样品分析 ［59 ］。 综上， 目前测定土壤有机碳的经典方法可归纳 为两大类 一类是将土壤有机碳高温氧化后， 测定释 放出的 CO2量， 如干烧法、 湿烧法等; 另一类是利用 氧化剂在一定温度下氧化后测定消耗氧化剂的量， 再根据反应式换算有机碳量， 如重铬酸钾氧化 － 容 量法等。就目前而言， 第二类方法快速、 简便且不需 732 第 2 期陈宗定， 等 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展第 38 卷 ChaoXing 图 3土壤有机碳分析方法及流程 Fig． 3Analytical s and flow of organic carbon in soil 特殊设备和操作， 是应用较为普遍的分析方法。此 外 ， “梯度燃烧法” 具有较高的精密度和重现性， 使 用方便快捷， 更适用于无机碳含量较高的土壤样品 中有机碳分析。 2． 2． 1活性有机碳分析方法 土壤活性有机碳测量方法较多， 包括生物活性 测定法、 物理组分和化学氧化法等 ［60 ］， 其中 KMnO 4 氧化法被认为是简单易行且被广泛应用的土壤活性 有机碳测定方法 ［61 －62 ］。该方法最早由 Loginow 等 ［63 ］提出， 后由 Blair 等［64 ］进行修改完善， 并提出 了标准测试程序 以 333mmol/L KMnO4为氧化剂， 在中性条件下通过直接氧化来确定土壤中活性和非 活性 有 机 碳 部 分。Weil 等 ［65 ］ 认 为 333mmol/L KMnO4浓度太高， 会与土壤中部分其他形态有机碳 反应， 造成测定结果偏高， 此外该浓度接近 KMnO4 的溶解度 400mmol/L ， 较难配制且不稳定， 故提出 在弱碱性 CaCl2 环境下采用 0． 02mol/L KMnO4溶 液来氧化活性有机碳， 在室内和野外均获得了较好 的结果 R2 0． 98 。可溶性有机碳可通过1mol/L 的 KCl 或 K2SO4提取， 然后振荡、 离心、 过滤得到。 微生物量碳测定方法包括 氯仿熏蒸培养法、 氯仿熏 蒸浸提法、 三磷酸腺苷法和精氨酸诱导氨化法等。 由于微生物的多样性， 各方法的适应范围不同。相 比之下， 溴仿熏蒸浸提法耗时短， 方法成熟， 适于大 批量样品的测定。该方法首先采用氯仿蒸汽熏蒸 24h， 然后用 K2SO4溶液浸提 0． 5h， 测定浸提液中有 机碳， 土壤微生物量碳则为经过熏蒸土壤样品与对 照样品浸提液中有机碳含量的差值。党亚爱等 ［66 ］ 采用该方法对黄土高原典型土壤中微生物量碳分布 特征进行研究， 结果表明土壤微生物量碳在 0 ～ 60cm 随土层深度加深明显下降， 60cm 以下基本稳 定， 与总有机碳分布相似。此外， Shahid 等 ［67 ］在研 究施用有机肥的水稻土中土壤碳形态的变化及 Qi 等 ［68 ］研究温度对不同活性有机碳影响中， 均采 用该方法分析了土壤微生物量有机碳。 2． 2． 2慢性有机碳分析方法 土壤慢性碳库中的轻组有机碳可通过 1． 7 ～ 1． 8g/cm3的重液振荡、 离心、 CaCl2淋洗等一系列操 作进行分离 ［37 ］， 再用化学法或仪器测定。其中重液 可采用钨酸钠或者碘化钠来制备 ［69 －70 ］， 相比之下， 碘化钠廉价易得， 且能够避免样品残留水带来的负 效应， 因此应用更为普遍。分散后的悬浊液在离心 机 3000r/min 离心 10min， 若悬浊液比较浑浊则加 大离心机转速或延长离心时间。颗粒有机碳通常采 用 Cambardella 等 ［39 ］提出的方法 加入分散剂 六偏 磷酸钠 振荡、 过 53μm 筛分离并经烘干 60℃ 后 称重， 测定其所含有机碳。对于这一部分有机碳的 分离方法， 目前存在一些争议， 如分散剂的选择、 振 荡方法及土液比例等， 今后在这方面仍需进一步研 究和统一。 2． 2． 3惰性有机碳分析方法 惰性有机碳可通过酸水解法测定 ［71 －72 ］ 用 6mol/L盐酸消煮16h， 过180μm 筛， 然后采用重铬酸 钾容量法 外加热法 测定所得有机碳含量。对于 惰性碳库中的重组有机碳， 通常由重液振荡离心、 洗 涤测得， 但文献中关于重液选择、 重液密度确定、 振 荡/离心条件以及土液比例等不尽相同， 重液选择经 历了有机溶剂 溴仿 乙醇混合溶液 到无机溶剂 NaI 或 ZnBr2 ， 溶剂密度从 1． 8 ～3． 0g/cm3较大变 动范围， 土液比例则从 25g 土/50mL 重液到5g土/ 25mL 重液不等 ［52， 63 ］。目前我国常用的测定方法 中， 主要选择密度为 1． 7 ～1． 8g/cm3的 NaI 或 ZnBr2 为重液进行密度分组。土液比例为 5g 土/25mL重 832 第 2 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2019 年 ChaoXing 液时可达到较好的分离效果， 但若经过振荡离心后 上层液仍较为浑浊， 则考虑加大重液的比例。由于 重组有机碳占土壤有机碳的 60 以上， 是土壤有机 碳的重要组成部分， 因此对重组有机碳准确、 有效的 分离和分析显得尤为重要， 其分离方法有待于进一 步研究。 将上述土壤中各形态有机碳分析方法总结列于 表 1 中。 表 1土壤中不同形态有机碳分离/分析方法 Table 1s of separation and/or analysis of organic carbon fractions in soil 土壤有机碳组分 所属碳库分离/分析方法文献 可溶性有机碳活性库 K2SO4提取， 离心［ 73］ 易氧化有机碳活性库 KMnO4氧化法［ 74］ 微生物量碳活性库 氯仿熏蒸提纯/三磷酸腺苷法/ 精氨酸诱导氨化法 ［ 75］ 轻组有机碳慢性库 NaI 离心， CaCl2淋洗 ［ 37， 76］ 颗粒有机碳慢性库 NaPO3 6离散， 沉积 ［ 39， 67］ 重组有机碳惰性库 ZnBr2/NaI/溴仿 乙醇 混合液等振荡离心， 乙醇洗涤 ［ 45］ 矿物结合态 有机碳 惰性库 氢氟酸 盐酸 2 ∶ 1， V ∶ V 处理 ［ 77］ 3研究展望 土壤碳库总量的变化与其构成特征密切相关， 目前关于土壤中不同碳形态研究已取得一定成果。 本文一方面对土壤碳库进行了比较细致的划分， 另 一方面对碳酸盐、 有机碳分析方法进行了总结， 并提 出各个方法的优缺点及适用范围， 但有机碳库中不 同形态碳的分离分析方法往往较为复杂， 且各方法 之间缺乏比较， 从而缺乏准确性、 可靠性。综合已有 研究成果， 本文提出今后研究可从以下方面展开。 1 对于土壤碳库， 目前研究较多的是土壤总 碳、 总有机碳及有机碳中活性较高的碳 如可溶性 有机碳、 易氧化有机碳等 ， 而对无机碳及有机碳中 惰性组分研究相对较少。研究表明， 土壤无机碳与 有机碳是可以相互作用、 相互转化的 无机碳库通过 影响土壤微生物活性、 土壤 pH、 有机质分解速率进 而影响有机碳库; 土壤有机碳库分解释放 CO2进入 土壤溶液转化为无机碳。有机碳中的活性碳、 慢性 碳、 惰性碳库同样也相互影响、 相互转化。因此， 今 后应从整体出发， 掌握土壤中各形态碳的组成、 分布 以及迁移转化规律。 2 土壤稳定性分组是近三十年发展起来的研 究范畴， 目前对于土壤有机碳各组分概念、 组成及测 定方法等不尽统一， 使得各研究结果之间缺乏可比 性， 而各研究内容间也很难相互解释和印证。因此， 土壤有机碳各组分概念及测定方法的标准化应成为 今后土壤有机碳研究工作的重点之一。 3 相比于传统分析方法 ， “梯度燃烧法” 采用 热分析仪与红外气体分析仪联合， 可准确地同时测 定土壤中有机碳和无机碳， 具有较广阔的应用前景。 采用该方法进行分析时， 应针对不同土壤性质采用 不同升温程序， 严格区分有机碳和无机碳， 同时保证 氧化完全， 将测得结果与经典分析方法进行比对， 以 保证其准确可靠性。此外， 目前原位、 大规模测定土 壤总碳的方法有中子散射能谱 INS 、 γ 能谱、 中近 红外 光 谱 MIRS、 NIRS 和 激 光 诱 导 击 穿 光 谱 LIBS 等， 而对于大规模、 高精度的土壤样品中有 机碳、 无机碳的原位测定方法少有报道， 今后可加强 这一方向的研究， 为土壤碳库调查提供及时、 有效的 数据支撑。 4 为保证土壤碳形态分析数据的准确可靠， 需要加强相关标准物质研制工作。现有的土壤成分 分析标准物质中， 虽然包含了总碳和有机碳， 但有机 碳含量往往较低 1 以下 ， 而且土壤类型较为单 一， 代表性不强。因此， 土壤碳形态标准物质， 尤其 是不同地域、 不同土壤类型、 不同浓度梯度的标准物 质研制十分必要。 4参考文献 ［ 1］Mohamed A， Mohamed E， Abd － ElAziz B． Effect of land － use changes and site variables on surface soil organic carbon pool at Mediterranean region［J］ ． Journal of African Earth Sciences， 2016， 114 78 －84． ［ 2］Marty C， Houle D， Gagnon C． Variation in stocks and distribution of organic C in soils across 21 Eastern Canadian temperateandborealforests ［J］ ． Forest Ecology ＆ Management， 2015， 345 29 －38． ［ 3］Baldock J A． Composition and Cycling of Organic Carbon in Soil［ M］/ /Nutrient Cycling in Terrestrial Ecosystems． Springer Berlin Heidelberg， 2007 826 －844． ［ 4］Adenuga O S， Ajiboye G A， Shade J， et al． Siol Carbon ［M］ ． SpringerInternationalPublishingSwizerland， 2014 27 －28． ［ 5］Wang X J， Xu M G， Wang J P， et al． Fertilization enhan － cingcarbonsequestrationascarbonateinarid cropland Assessments of long － term experiments in 932 第 2 期陈宗定， 等 土壤碳赋存形态及分析方法研究进展第 38 卷 ChaoXing Northern China［ J］ ． Plant and