土壤有機碳不僅是土壤肥力的核心和可持續農業的基礎，而且是全球碳循環的重要組成部分。據估計，全球土壤表層總碳量為 2 100 Pg，其中有機碳庫儲量大約為 1 550 Pg，是大氣碳庫的 3 倍，陸地植被碳庫的 2 ～ 4 倍。土壤有機碳是動植物和微生物殘體在各個階段降解物質的混合體，并且不同組分的有機碳不僅儲存能力不同，而且生態服務功能亦有明顯差異，所以建立科學合理的土壤有機碳分組方法，對于有效地區分和深入認識異質性的有機碳組分具有重要意義。

土壤有機碳的早期研究主要采用化學分組方法，通?；谕寥烙袡C碳在各種提取劑中的溶解性、氧化性不同把有機碳分為活性和穩定性兩個組分。相比之下，物理分組方法由于破壞性小而成為近些年來研究土壤有機碳組分的主流。其中，Six 等提出的團聚體 － 密度聯合分組方法，因為較好地分離了游離活性有機碳、物理保護有機碳和礦物結合態有機碳組分，而被廣泛應用。然而，該方法分離的礦物結合態有機碳組分仍存在較高的異質性，其中隱含了化學保護和生物化學保護有機碳組分。鑒于此，Stewart 等對前人的研究方法進行了改進，提出了物理 － 化學聯合分組方法，該方法綜合了其他分組方法的優點，并且在原理上將土壤有機碳穩定機制聯系起來，進而成功地分離出物理、化學和生物化學保護等各種保護機制的有機碳組分。本文結合前期土壤有機碳分組方法的綜述，以及近期發展的物理 － 化學聯合分組方法，進一步系統論述土壤有機碳分組方法的研究進展和未來趨勢，供相關研究借鑒。

1 化學分組

20 世紀 60 年代以前，國內外學者對土壤有機碳的研究主要集中在腐殖質類物質上，根據腐殖質類物質在酸、堿溶液中的溶解度不同可劃分為 3 種不同的組分: 胡敏酸、胡敏素和富啡酸。其中胡敏酸是堿可溶、水和酸不溶; 富啡酸是水、酸、堿都可溶; 胡敏素則水、酸、堿都不溶。胡敏酸和富啡酸是腐殖質的主要組成部分。但是由于其腐殖化過程緩慢，短則幾十年，長則上千年，且在全球范圍內腐殖質的結構和功能沒有明顯差異，說明用土壤腐殖質的變化特征來反映一些農業措施具有一定的滯后性和無價值性，因此腐殖質分組方法在20 世紀80 年代后逐漸被淡出。目前土壤有機碳的化學分組主要根據化學溶劑的不同提取出溶解性有機碳、酸水解有機碳和易氧化有機碳等。1. 1 溶解性有機碳土壤溶解性有機碳是指能通過孔徑為 0. 45 μm的濾膜的大小和結構不同的有機分子。其主要由碳水化合物、蛋白質、長鏈脂肪族化合物和大分子的腐殖質組成。測定方法: 將一定新鮮土樣用鹽溶液或水提取 \\( 土液比一般為 1∶ 5\\) 后，用0. 45 μm 濾膜抽濾，然后濾液在碳氮分析儀上測定。通常采用的提取劑有水、CaCl2、KCl、K2SO4等。溶解性有機碳占土壤總有機碳的比例很小，一般不作為衡量有機碳質量的重要指標。但是它作為微生物生長的主要能源，在提供土壤養分方面具有重要作用。

1. 2 酸水解有機碳

酸水解作用主要是提取碳水化合物、糖、氨基酸和氨基糖等。其酸提取劑主要是硫酸和鹽酸，測定方法有 H2SO4水解法和 HCl 水解法。H2SO4水解法: 稱 1. 00 g 土樣于消煮管中，加 20 mL2. 5 mol / L H2SO4，蓋上小漏斗 105℃下油浴消煮 30min，轉移至離心管中，在 4 500 r / min 離心 20 min，倒出上清液，再加入 20 mL 蒸餾水繼續清洗離心，將兩次上清液一起過 0. 45 μm 濾膜，該水解產物為活性組分 I，離心管內的殘留物清洗離心數次后于60℃ 烘干，再加 2 mL 13 mol / L H2SO4轉移至三角瓶，室溫下震蕩10 h，然后將酸稀釋為1 mol/L 后，再在105℃下油浴3 h，再離心兩次，將兩次的上清液一起過 0. 45 μm 濾膜，此水解產物為活性組分Ⅱ; HCl 水解法: 稱取 2. 00 g 過 2 mm 篩的風干土樣于消煮管中，然后加入6 mol/L HCl 在115℃消煮 16 h，樣品冷卻后用蒸餾水洗至中性，烘干至恒重，測定碳含量，即為惰性有機碳，而酸解有機碳為總有機碳量減去惰性有機碳量。

酸水解有機碳分為活性有機碳庫和惰性有機碳庫，碳水化合物為活性有機碳，雖然其含量只占總有機碳的 10% ～20%，卻是微生物的主要能源和碳源，并參與土壤團聚體的形成，是土壤有機碳和土壤性質研究中的重要指標和對象。

1. 3 易氧化有機碳

易氧化有機碳是利用化學氧化方法測定的活性有機碳，是土壤有機碳中不穩定的部分，其周轉時間較短，是植物營養的主要來源，被稱為土壤活性有機碳。常用的氧化劑有 K2Cr2O7和 KMnO4，其測定方法分別是 K2Cr2O7外加熱法和 KMnO4氧化法。K2Cr2O7外加熱法: 稱取一定量的風干土樣于硬質試管中，加入 5 mL 0. 800 0 mol/L 的 K2Cr2O7溶液和 5 mL 濃硫酸，放上小漏斗后于 170 ～180℃油浴鍋中煮沸 5 min，取出后轉移到三角瓶中，體積約 60 ～70 mL 為佳，加入指示劑后用標準的 0. 2mol / L 硫酸亞鐵滴定。KMnO4氧化法根據 KMnO4不同濃度 \\( 33、167 和 333 mmol/L\\) 氧化成 3 類不同的組分，即低活性有機碳、中活性有機碳和高活性有機碳，由于高活性有機碳對農業措施感應靈敏，而被廣泛應用。其測定方法: 稱取一定量的土壤樣品于 30 mL 離心管中，加入 25 mL 333 mmol/LKMnO4溶液，震蕩 1 h，在 2 000 r/min 的離心機下離心 5 min，將上清液用去離子水以 1∶ 250 稀釋，然后在分光光度計 565 nm 下測定其吸光率，最后通過 KMnO4的濃度變化計算出易氧化有機碳的含量。

Lefroy 等和 Blair 等均把能被 333 mmol/L的 KMnO4氧化的有機碳稱為活性有機碳，并利用碳庫管理指數和活性指數計算出碳管理指數，具有突出的創新性。該氧化法簡單，適于大批量樣品的測定，但是儀器昂貴，對實驗器皿清潔度和操作技術要求較高。

2 物理分組

土壤有機碳的物理分組是按照土壤有機碳的密度或土壤顆粒大小進行的分類。因其在分組過程中始終保持原狀土狀態且破壞性小而成為近些年來研究土壤有機碳組分的主流，主要包括密度分組、粒徑分組、團聚體分組等方法。這些方法主要通過崩解、分散、密度離心和沉降可分離出不同活性的有機碳組分。

2. 1 密度分組

密度分組最早起始于20 世紀80 年代，是采用一定相對密度的溶液將土壤中相對密度較低的游離態有機物質和相對密度較高的有機無機復合體分離開來的過程，其中懸浮液為輕組有機碳 \\( LF\\) ，沉淀部分為重組有機碳 \\( HF\\)。其測定方法: 在離心管中加入一定量的重液，然后把待測樣品輕輕地傾倒入其中，平衡20 min 后，在4 000 r/min 轉速離心 20 min，溶液部分過 0. 45 μm 濾膜的布氏漏斗，把留在濾膜上的部分和離心管中的部分分別都轉移到鋁盒中，60℃烘干至恒重，再通過元素分析儀測定含碳量，其留在濾膜上的部分為 LF，而留在離心管中的部分為 HF。國際上采用的重液密度一般為 1. 6 ～2. 0 g/cm3，1. 7 g/cm3是目前比較通用的。

重液一般有鹵代烴、溴仿 － 乙醇混合液、碘化鈉、聚鎢酸鈉等，目前因碘化鈉及聚鎢酸鈉能夠避免樣品中殘留水的負效應以及表面活性劑和有機溶液在土壤組分上的吸附現象，且具有非常好的提取效果及較高的回收率而被廣泛采用。

LF 分解速度快，C / N 值高，是介于新鮮有機質和腐殖質之間的中間碳庫，包括微生物遺留殘骸、動植物殘體、菌絲體及孢子等。HF 主要成分是腐殖質，C/N 值低，分解及轉化速度較慢。LF 的含碳量是土壤有機碳總量的 15% ～32%，由于其對農業措施反應敏感，常作為衡量土壤有機碳變化的重要指標。

2. 2 粒徑分組

粒徑分組的基礎是土壤有機碳與不同土粒結合，導致有機碳的結構和功能不同。根據粒級大小不同將其分為 5 個組分: 砂粒 \\( 53 ～ 2 000μm\\) 、粗粉粒 \\( 5 ～ 53 μm\\) 、細粉粒 \\( 2 ～ 5 μm\\) 、粗黏粒 \\( 0. 2 ～ 2 μm\\) 和細黏粒 \\( ＜ 0. 2 μm\\) 。其分組方法是佟小剛等根據 Anderson 等和武天云等的方法改進的: 稱取10 g 過2 mm 篩的風干土樣于 250 mL 的燒杯中，加 100 mL 水，于超聲波發生器上超聲 30 min，過 53 μm 篩，在篩上得到的是 53 ～2 000 μm 的砂粒組分，然后根據 Stockes 定律計算每個粒級顆粒分離的時間進行分離，通過不同的離心時間和離心速度分離得到 5 ～53 μm 的粗粉粒、2 ～5 μm 的細粉粒、0. 2 ～2 μm 的粗黏粒和＜ 0. 2 μm 的細黏粒。其中細粉粒和細黏粒懸液采用 0. 2 mol/L CaCl2絮凝，再離心收集，各組分轉移至鋁盒在 60℃烘箱中烘干至恒重，測碳含量即可。

砂粒中有機碳主要是植物殘體，粉粒中主要是來自植物的芳香族物質為主，粘粒則主要是微生物產物。砂粒有機碳占總有機碳的 10%左右，分解程度快，C/N 值小，易轉化; 粘粒有機碳占總有機碳的 50% ～70%，不易礦化，是土壤中的穩定碳庫。

研究發現，砂粒組、粗粉砂粒組和細粘粒組中的有機碳是土壤有機碳的易分解碳庫，而細粉砂粒組和粗粘粒組中的有機碳是土壤的惰性碳庫。

2. 3 團聚體分組

自從 Tisdall 和 Oades提出土壤團聚化影響碳周轉的概念模型后，對團聚體中有機碳的研究得到了廣泛重視。土壤中的團聚體以 250 μm 為界分作大團聚體 \\( ＞ 250 μm\\) 和微團聚體 \\( ＜ 250 μm\\) ，進一步細分為 ＞ 2 000 μm、250 ～ 2 000 μm、53 ～250 μm 和 ＜ 53 μm 的 4 類團聚體。大團聚體是由多糖、作物根系和微生物菌絲體粘結了許多微團聚體后形成的集合體，而微團聚體主要由有機 － 礦質復合體組成。其測定方法: 稱取過 5 mm 篩的風干土樣，放在 2 mm 篩上，再放入 30 個直徑為4 mm的玻璃珠，其下是 0. 25 mm 篩、0. 053 mm 篩，置于團聚體分離器中，通過恒定的水流分離 20 min，把留在水中的 \\( ＜53 μm\\) 溶液離心，然后把留在篩上的土樣分別置于鋁盒中，于 60℃烘干至恒重，即得不同粒級的團聚體。

Six 等改進了原有的分離方法，把密度分組和團聚體分組結合起來，有效地分離出了留在團聚體間的游離態團聚體 \\( fPOM\\) 和留在團聚體內部的閉蓄態團聚體 \\( iPOM\\) 。其測定方法: 先經過原始的團聚體分組方法分出不同粒級的團聚體，然后經過密度分組法分出輕、重組分，把重組部分置于30 mL 5 g / mL 六偏磷酸鈉中分散，在 180 r / min的震蕩機上震蕩 18 h，過 53 μm 篩，留在篩上的即為閉蓄態團聚體。該方法由于真實地反映了一部分有機碳在土壤中的轉化過程和土壤質量的恢復過程而被廣泛應用。

3 生物學分組

生物學分組主要是通過一定生物方法測定對已經礦化的生物和被礦化的有機殘體的微生物生物量，或根據把有機碳作為一種底物的反應來推斷出土壤中生物可利用的有機碳量。生物學分組方法把土壤有機碳分為微生物生物量碳和可礦化碳。

3. 1 微生物生物量碳

土壤微生物生物量碳是指土壤活的細菌、真菌、藻類和土壤微動物體內所含的碳。目前有許多方法可用來測定土壤微生物生物量碳，包括直接鏡檢法、三磷酸腺苷分析法、熏蒸培養法、熏蒸提取法、底物誘導呼吸法和磷脂脂肪酸法等，但是最常用的是 Jenkison 等提出的氯仿熏蒸法，即土壤用氯仿熏蒸后，在好氧條件下培養一段時間后，測定培養期間 CO2的釋放量，根據熏蒸與未熏蒸土樣釋放 CO2量 的 差 值，計 算 土 壤 微 生 物 生 物 量 碳。

Brookes 等首次提出氯仿 － K2SO4浸提法，主要用于微生物量 N 和 P 的測定，后來 Vance 等把該方法用于測定微生物生物量碳，即土壤經過氯仿熏蒸后直接浸提碳含量，并測定生物量碳，測定后根據與熏蒸培養方法所測定的微生物量碳之間的關系，來計算土壤微生物生物量碳。與氯仿熏蒸培養法相比，氯仿熏蒸浸提法耗時短，方法成熟，簡單方便，適于大批量樣品的測定。

土壤微生物生物量碳在土壤中所占比例較小，一般只占土壤總有機碳的 0. 3% ～7%，但是微生物作為土壤代謝的直接參與者與分解者，是土壤中不可缺少的部分，土壤微生物生物量碳因對農業措施反映敏感而作為土壤活性有機碳。目前人們都把微生物生物量碳與土壤有機碳的比值用來監測有機碳的動態變化，并能指示土壤碳的平衡、積累或消耗。

3. 2 可礦化碳

有機碳的礦化過程實質上是有機質進入土壤后，在微生物和酶的作用下發生氧化反應，徹底分解而最終釋放出 CO2、水和能量的過程。通常采用土壤培養法進行測定: 取一定量的土壤樣品，放入密閉容器中，保持田間持水量，培養過程中微生物會釋放出 CO2，根據需求選擇培養時間，培養結束后，可以利用稀鹽酸滴定法或氣相色譜法測定微生物釋放的 CO2含量，即可計算可礦化碳量。在實驗過程中，一定要注意實驗儀器的密閉性、培養過程的溫度和濕度，這些因子是整個實驗成功與否的關鍵。

4 物理 － 化學聯合分組

Stewart 等在之前土壤有機碳物理分組方法基礎上，聯系土壤有機碳穩定機制，通過進一步引入化學分組，將濕篩、玻璃珠分散、重液浮選和酸解等技術手段有機結合起來，提出物理 － 化學聯合分組方法。該方法成功地分離出了游離活性有機碳 庫 \\( cPOM、 fPOM \\) 、 物 理 保 護 有 機 碳 庫\\( iPOM\\) 、化學保護 有 機 碳 庫 \\( H － dSilt、H －dClay、H － μSilt、H － μClay\\) 和生物化學保護有機碳 庫 \\( NH － dSilt、 NH － dClay、 NH － μSilt、NH － μClay\\) 。土壤有機碳的物理保護，也叫空間不可接近性，是指由于土壤團聚體的閉蓄包裹等導致的有機碳底物與分解者和酶的隔離; 化學保護，也叫分子交互作用，是指高價鐵鋁氧化物和粘土礦物通過配位體置換、高價陽離子鍵橋、范德華力和絡合作用等導致的有機碳的生物有效性下降;生物化學保護，也叫選擇性保存，是指有機碳自身化學組成的抗降解性。這種分組方法由于綜合考慮了土壤有機碳的各種穩定機制，所以已經引起人們的關注。

其操作程序可分為 3 步: 第一步，稱取 20 g 過2 mm 篩的風干土樣于微團聚體分離器套篩的頂部篩上 \\( 上層 250 μm 篩子，下層 53 μm 篩子\\) ，放入 30 個玻璃珠，然后上下擺動此裝置約 20 min，將留在 250 μm 和 53 ～250 μm 的組分轉移至鋁盒，而 ＜53 μm 的組分用離心法于不同轉速下分離出游離粉粒組分 \\( d － Silt\\) 和游離粘粒組分 \\( d －Clay\\) ，所有組分 60℃ 烘干至恒重，大于 250 μm 的組分即為粗顆粒有機碳 \\( cPOM\\) ; 第二步，在離心管中放入35 mL 1. 7 g/cm3的碘化鈉溶液，然后將第一步得到的微團聚體部分 \\( 53 ～ 250 μm 的組分\\)懸浮于離心管中，用手輕輕晃動，再用 10 mL 碘化鈉沖洗離心管，20 min 后，在 4 000 r/min 轉速離心 20 min，然后將液體部分過 0. 45 μm 濾膜，用0. 05 mol / L CaCl2和蒸餾水沖洗干凈，轉移到鋁盒中60℃下烘干48 h，于0. 45 μm 濾膜上的組分為細顆粒有機碳 \\( fPOM\\) 。留在離心管的沉淀部分同樣要沖洗干凈，然后在 60 mL 5 g/L 的六偏磷酸鈉溶液中 \\( 加 12 個玻璃珠\\) 震蕩 18 h \\( 180 r/min\\) ，過 53 μm 篩子，留在篩上的轉入鋁盒烘干，該部分為物理保護有機碳 \\( iPOM\\) 。溶液部分用離心法進行分離，方法與第一步相同，分離出閉蓄粉粒組分\\( μ － Silt\\) 和閉蓄粘粒組分 \\( μ － Clay\\) ; 第三步，將 ＜53 μm 的組分 \\( d － Silt、d － Clay、μ － Silt、μ－ Clay\\) 加入 25 mL 6 mol / L 的 HCL 中于 95℃ 下回流加熱 16 h，然后過濾，殘留物質為非酸解部分，60℃ 烘干至恒重，即可得到生物化學保護有機碳組分 \\( NH － dSilt、NH － dClay、NH － μSilt、NH －μClay\\) ，而酸解部分為全組分和非酸解組分之差，得到化學保護有機碳組分 \\( H － dSilt、H － dClay、H － μSilt、H － μClay\\) 。

在土壤有機碳庫中，游離活性有機碳庫和物理保護有機碳庫各組分有機碳由于分解速度快，周轉時間短，對施肥響應敏感，可作為土壤碳庫變化的早期指示指標; 而化學保護有機碳庫和生物化學保護有機碳庫各組分有機碳由于是惰性組分，對外界反應較遲鈍，因而一般可作為預測土壤碳飽和與否的指標。

5 展望

隨著國內外學者對土壤有機碳研究的不斷深入，其分組方法也在不斷的改進和完善。由于化學分組方法對土壤結構和形態的破壞性大，生物學分組方法所需培養時間長和限制因子要求高，物理分組方法存在較大的空間異質性，得到的組分之間有重疊等，所以導致研究結果無法進行比較和評估。

物理 － 化學聯合分組方法改善了這些弊端，該方法不僅消除了生物學分組過程中培養所需時間長的困擾，還打破了各單一分組方法過程中出現的異質性組分重疊的現象，相比之下是更好的有機碳分組方法。但是，在物理 － 化學聯合分組過程中，對樣品進行酸解時還是沿用的鹽酸溶液，具有一定的破壞性，而核磁共振技術通過固態13C 交叉極化魔角旋轉技術分析有機物的烷基碳、烷氧碳、芳香碳和羰基碳等化學結構組成，能夠實現有機物的原位不破壞分析和評價有機物的生物化學穩定性。所以，結合核磁共振分析的物理 － 化學聯合分組，有望成為土壤有機碳分組方法的一個未來趨勢。