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利用连续熏蒸培养法测定土壤中的活性有机碳

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DOI：

10.3791/54614

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2016年10月29日

 , 
1Hill Farm Research Station, Louisiana State University Agricultural Center, 2School of Forestry and Natural Resources, University of Arkansas at Monticello

本文内容

摘要

不稳定的有机碳（LOC）和潜在碳周转速率是反映土壤养分循环过程变化的敏感指标。本文详细介绍了一种基于对土壤进行系列熏蒸-培养循环，并利用培养期间积累的CO2来估算这些参数的方法。

摘要

管理措施和环境变化可改变土壤养分和碳循环过程。土壤活性有机碳作为一种易于分解的碳库，对干扰高度敏感，同时也是土壤微生物的主要底物，对养分循环具有基础性作用。由于这些特性，活性有机碳（LOC）已被确定为土壤健康的指示参数。量化LOC的周转速率也有助于理解土壤养分循环过程的变化。目前已开发出一种连续熏蒸培养法，用于估算土壤LOC及其潜在碳周转速率。该方法需要对土壤样品进行多次熏蒸处理，并在10天的培养期内，测定一系列熏蒸-培养周期中释放的CO2-C。然后通过负指数模型，从累积的CO2量外推得出活性有机碳含量及潜在碳周转速率。本文详细描述了该方法的操作步骤。

引言

由于活性有机碳（LOC）在碳（C）和养分循环中的关键作用及其对土壤变化的敏感性，测定土壤LOC是评估土壤有机质质量的重要指标。森林和农业生态系统在很大程度上依赖于土壤有机质中养分的矿化作用作为养分来源。管理措施可改变土壤有机碳的储量及其周转速率，从而影响养分供应1。土壤有机碳主要由两种组分构成：一种是难降解碳，其周转速率长达数千年；另一种是活性有机碳（LOC），其周转速率从数周至数年不等2,3,4。土壤活性碳包括易于分解的底物，如微生物生物量碳、植物根际分泌物中的低分子量化合物（氨基酸、简单碳水化合物）以及植物残体分解产生的副产物和淋溶物1,4,5。由于土壤活性碳易于分解，因此对扰动或改变土壤的管理措施和自然现象高度敏感6。土壤活性碳是土壤微生物分解有机质过程中的主要能量来源7。因此，与稳定的土壤有机碳形态相比，LOC对养分循环的影响更为显著8。此外，在LOC引发的激发效应促进下，土壤微生物还主导了难降解土壤有机质分解过程中大部分的异养呼吸作用9,10,11。这种呼吸作用在全球碳循环中具有重要作用，因为土壤有机碳储量约为大气碳储量的两倍11。

由于土壤活性有机碳（LOC）在陆地生态系统中的重要性，已发展出多种方法用于估算土壤LOC。这些方法可大致分为三类：物理法、化学法和生物化学法。密度梯度分离法属于物....

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方案

1. 采集土壤以获取能代表实验区域及实验单元内条件的样品20

  1. 识别样地属性的任何差异，例如坡度和土壤属性（包括质地、容重、pH、有机层深度和/或养分浓度）。识别样方内植被类型的差异。利用已知或已发表的样地属性变异系数估算值，估计达到预设相对误差所需的样本数量。
  2. 根据样地和实验单元条件，使用土钻或其他采样设备按特定模式采集土壤样本。
    1. 对于均质条件，在每个实验单元内采用随机采样模式。
      1. 将采样点分配在实验单元内的完全随机位置，或呈之字形排列。
      2. 在每个随机点或之字形排列的点位采集土壤样本。使用土钻或其他采样设备挖掘土壤样本前，先将矿质土壤表面的有机物质刷开。
        注：SFI 方法的建立基于 Oa 层及更深层的土壤发生层13。若需使用 SFI 方法检测 Oa 层以上的发生层，尚需进一步测试验证。
      3. 将同一实验单元内采集的所有样本合并至一个容器中，并在容器内对各单个样本进行物理混合，为每个实验单元制备一个混合样本。
    2. 对于更为常见的异质性条件，在每个实验单元内采用系统采样模式。
      1. 沿每个实验单元中心的样线采集土壤样本，使样线内各采样点之间的距离小于表征实验单元内变异所需的间距。
      2. 在每个实验单元内沿多条样线采集土壤样本，对于相对较大的实验单元或具有....

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结果

SFI 方法已如本文所述，被用于在美国东南部开展的一系列实验中24,25,26,27。这些实验共同涵盖了多种植被类型，包括火炬松（Pinus taeda L.）、柳枝稷（Panicum virgatum L.）、美洲黑杨（Populus deltoides Bartram ex Marsh.）和大豆（Glycine max L. Merr.）。在所有研究中，该方法均能灵敏地检测出施肥处理和耕作方式在活性有机碳（LOC）和/或潜在碳周转速率上的差异。本系列研究中报告的 LOC 及潜在周转速率范围存在重叠（图 2）。这些研究中 LOC 范围的差异突显了 SFI 方法在检测活性碳及潜在碳周转差异方面的灵敏性。在所有植被类型中，火炬松与柳枝稷间作系统表现出最大的 LOC 范围；该植被类型的研究涵盖了相对于其他植被类型更为广泛的立地条件。研究样地在土壤类型以及火炬松上层林分年龄（从幼龄到轮伐期末期）方面存在差异。林分年龄的时间序列可能在此处所列植被类型中造.......

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讨论

SFI 方法是一种有效的检测手段，可用于评估不同管理措施（如施肥、耕作、植被控制和收获方式）及土壤条件下土壤活性有机碳（LOC）含量和潜在碳周转速率差异的实验方案。土壤活性有机碳含量和碳周转速率可用于理解养分循环的变化。SFI 方法还可通过首次熏蒸-培养过程测定微生物生物量碳。能够同时测定土壤活性有机碳、碳周转速率和微生物生物量碳，使 SFI 方法成为一种相对经济高效的分析方法。

在采用SFI方法的同时测定其他土壤参数，有助于更全面地理解土壤活性碳（LOC）及其相关变量变化对养分循环的影响。测定土壤总碳浓度可用于确定土壤活性碳库容相对于总碳的变化29。检测土壤酶活性有助于理解微生物对易利用碳底物的利用过程，从而揭示土壤养分形态和含量的变化机制。例如，脱氢酶在有机质降解过程中发挥关键作用，是反映整体微生物活性的有效指标30。脲酶和磷酸酶是与养分循环相关的酶类实例，因其分别与氮素和磷素的微生物转化过程密切相关31,32。

SFI 方法的操作步骤存在多种变异，熏蒸-培.......

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者们衷心感谢 Michelle Gonzales、Kenny Kidd、Brad Osbon 以及所有参与这些数据实验室操作的其他工作人员。作者们感谢 Andrew Scott 在开发用于模型拟合程序的软件代码方面提供的帮助。作者们还感谢美国农业部国家食品与农业研究所、可持续农业研究与教育项目、阳光资助计划南中部地区以及国家空气与水体改善委员会提供的资助，这些资助使得本文所展示的代表性结果的研究得以开展。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
土壤取样钻具套装JMCPN039市面上还可提供多家其他品牌的冲压式取土钻具
帕拉菲姆封口膜（Parafilm）CurwoodPM999
铝制称量舟Fisherbrand08-732-103
通用型干燥烘箱Fisher Scientific15-103-0511市面上还可提供多家其他品牌的通用型实验室烘箱
10.5 L 真空干燥器Corning3121-250
玻璃闪烁瓶Wheaton968560
带螺纹玻璃瓶，41 mlFisherbrand03-339-21N
氯仿（以戊烯稳定化）Sigma-Aldrich67-66-3
沸石Fisher ScientificS25201
玻璃棒FisherbrandS63449
10 号橡胶塞Fisherbrand14-130P橡胶塞可购买实心塞后在中心打孔以安装玻璃棒，也可直接购买带孔橡胶塞用于插入玻璃棒
广口聚丙烯共聚物（PPCO）瓶，0.5 LThermoScientific3121050016
氢氧化钠，试剂级Sigma-AldrichS5881
氯化钡Sigma-Aldrich202738
酚酞指示剂Fisher ScientificS25466
盐酸溶液，0.1 NFisher ScientificSA54-4

参考文献

  1. Blair, G., et al. Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems. Aust. J. Agric. Res. 46, 1459-1466 (1995).
  2. Schimel, D. S., et al.

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