土壤微生物量碳测定方法

1 土壤微生物量碳测定方法及应用 土壤微生物量碳 Soil microbial biomass 不仅对土壤有机质和养分的循环起着主要 作用 同时是一个重要活性养分库 直接调控着土壤养分 如氮 磷和硫等 的保持和释放 及其植物有效性 近 40 年来 土壤微生物生物量的研究已成为土壤学研究热点之一 由于 土壤微生物的碳含量通常是恒定的 因此采用土壤微生物碳 Microbial biomass carbon Bc 来表示土壤微生物生物量的大小 测定土壤微生物碳的主要方法为熏蒸培养法 Fumigation incubation FI 和熏蒸提取法 Fumigation extraction FE 熏蒸提取法 FE 法 由于熏蒸培养法测定土壤微生物量碳不仅需要较长的时间而且不适合于强酸性土壤 加 入新鲜有机底物的土壤以及水田土壤 Voroney 1983 发现熏蒸土壤用 0 5mol L 1K2SO4提 取液提取的碳量与生物微生物量有很好的相关性 Vance 等 1987 建立了熏蒸提取法测定土 壤微生物碳的基本方法 该方法用 0 5mol L 1K2SO4提取剂 水土比 1 4 直接提取熏蒸和 不熏蒸土壤 提取液中有机碳含量用重铬酸钾氧化法测定 以熏蒸与不熏蒸土壤提取的有机 碳增加量除以转换系数 KEC 取值 0 38 来计算土壤微生物碳 Wu 等 1990 通过采用熏蒸培养法和熏蒸提取法比较研究 建立了熏蒸提取 碳自 动一起法测定土壤微生物碳 该方法大幅度提高提取液中有机碳的测定速度和测定结果的准 确度 林启美等 1999 对熏蒸提取 重铬酸钾氧化法中提取液的水土比以及氧化剂进行了改 进 以提高该方法的测定结果的重复性和准确性 对于熏蒸提取法测定土壤微生物生物碳的转换系数 KEC的取值 有很多研究进行了大量 的研究 测定 KEC值的实验方法有 直接法 加入培养微生物 用 14C 底物标记土壤微生物 和间接法 与熏蒸培养法 显微镜观测法 ATP 法及底物诱导呼吸法比较 提取液中有机 碳的测定方法不同 如氧化法和仪器法 那么转换系数 KEC取值也不同 如采用氧化法和一 起法 KEC值分别为 0 38 Vance 等 1987 和 0 45 Wu 等 1990 不同类型土壤 表层 的 KEC值有较大不同 其值变化为 0 20 0 50 Sparling 等 1988 1990 Bremer 等 1990 Dictor 等 1998 研究表明同一土壤剖面中不同浓度土层土壤的转换系数 KEC有较 大的差异 从表层 0 20cm 土壤的 KEC为 0 41 逐步降低到 180 220cm 土壤的 KEC为 0 31 一 基本原理 熏蒸提取法测定微生物碳的基本原理是 氯仿熏蒸土壤时由于微生物的细胞膜被氯仿破 坏而杀死 微生物中部分组分成分特别是细胞质在酶的作用下自溶和转化为 K2SO4溶液可提 取成分 Joergensen 1996 采用重铬酸钾氧化法或碳 自动分析仪器法测定提取液中的碳 含量 以熏蒸与不熏蒸土壤中提取碳增量除以转换系数 KEC来估计土壤微生物碳 二 试剂配制 1 硫酸钾提取剂 0 5mol L 1 取 871 25g 分析纯硫酸钾溶解于蒸馏水中 定溶至 10L 由于硫酸钾较难溶解 配制时可用 20L 塑料桶密闭后置于苗床上 60 100rev min 1 12 小时即可完全溶解 2 0 2 mol L 1 1 6K 2Cr2O7 标准溶液 称取 130 烘 2 3 小时的 K2Cr2O7 分析纯 9 806g 于 1L 大烧杯中 加去离子水使其溶解 定溶至 1L K 2Cr2O7较难溶解 可加 热加快其溶解 3 0 1000 mol L 1 1 6K 2Cr2O7 标准溶液 取经 130 烘 2 3 小时的分析纯重铬酸钾 4 903g 用蒸馏水溶解并定溶至 1L 2 4 邻啡罗啉指示剂 取邻啡罗啉指 1 490g 溶于含有 0 700g 分析纯硫酸亚铁 FeSO 4 7H2O 的 100ml 蒸馏水中 此溶液易变质 应密闭保存于棕色瓶中 5 硫酸亚铁标准溶液 0 05 mol L 1 称取 13 9g 分析纯硫酸亚铁 FeSO 4 7H2O 溶于 800ml 蒸馏水中 慢慢加浓硫酸 5ml 防止水解 定溶至 1L 保存于棕色瓶中 此溶液易被空气氧化 每次使用时必须标定其准确浓度 硫酸亚铁溶液标定方法 吸取 0 1000 mol L 1 1 6K 2Cr2O7 标准溶液 5 0ml 浓度为 0 05 mol L 1 1 6K 2Cr2O7 放入 150ml 的三角瓶中 加浓硫酸 5ml 和邻啡罗啉指示剂 2 滴 用硫酸亚铁溶液滴定 滴至溶液由蓝绿色变为棕红色即为终点 根据滴到终点消耗的硫 酸亚铁溶液量计算其准确浓度 即 C2 C1 V1 V2 式中 C1 重铬酸钾标准溶液浓度 0 1000 mol L 1 C2 硫酸亚铁标准溶液浓度 mol L 1 V1 吸取的重铬酸钾标准溶液体积 5ml V2 滴到终点时消耗硫酸亚铁溶液体积 ml 6 去乙醇氯仿制备 在通风橱中 将分析纯氯仿与蒸馏水按 1 2 V V 加入分液漏斗 中 充分摇动 1 分钟 慢慢放出底层氯仿于烧杯中 如此洗 3 次 得到的纯氯仿用无水氯化 钙出去氯仿中的水分 于试剂瓶中在低温 4 黑暗状态可保存几周 Williamss 等 1995 三 仪器设备 Phoenix8000 碳 自动分析仪 50ml 可调移液器 往复式振荡器 300 rev min 1 50ml 烧杯 50ml 聚乙烯瓶 125 ml 聚乙烯瓶 150ml 消化管 24 295mm 250ml 三角瓶 50ml 酸式滴定管 土壤筛 孔径 2mm 22cm 真空干燥器 水泵抽真空装置 pH 自动滴定 仪 四 操作方法 1 土样前处理 新鲜土壤应立即处理或保存于 4 冰箱中 测定前仔细除去土样中可见植物残体 如根 茎和叶 及土壤动物 蚯蚓等 过筛 孔径 2mm 彻底混匀 处理过程应尽量避免破坏土 壤结构 土壤含水量过高应在室内适当风干 以手感湿润疏松但不结块为宜 约为饱和持水 量的 40 土壤湿度不够可以用蒸馏水调节至饱和持水量的 40 次样品即可用于土壤实时 测定 开展其他研究 如培养试验 可将土壤置于密闭的大塑料桶内培养 7 15 天 桶内应 有适量水以保持湿度 内放一小杯 1 mol L 1NaOH 溶液吸收土壤呼吸产生的 CO2 培养温度 为 25 经过前培养的土壤应立即分析 如果需要保留 应放置于 4 的冷藏箱中 下次使 用前需要在上述条件下至少培养 24 小时 这些过程为消除土壤水分限制对微生物的影响 及植物残体组织对测定的干扰 土壤饱和持水量测定可按 Shaw 1958 的方法 在圆形漏斗茎上装一带夹子的橡皮管 漏斗内塞上玻璃纤维塞 取 50g 土壤于漏斗中 夹紧橡皮塞 加入 50ml 水保持 30 分钟 然 后打开夹子并测定 30 分钟内滴下的水的体积 加入的水量减以滴下的水量再加原来土壤中 含的水量即为该土壤的饱和含水量 2 土壤熏蒸 称取经前处理的新鲜土壤 含水量为饱和持水量的 40 3 份 25 0g 烘干基重 土样 于 50ml 烧杯中 用去乙醇氯仿熏蒸 方法是将其置于底部有少量水 约 200ml 和去乙醇 氯仿 40ml 的真空干燥器中 氯仿加入烧杯中 并在其中放入经浓硫酸处理的碎瓷片 0 5cm 大小 防爆 在 0 07MPa 真空度下使氯仿剧烈沸腾 3 5 分钟后 关闭真空干燥器 阀门 移置在 25 黑暗条件下熏蒸土壤 24 小时 然后将土壤转入另一干净真空干燥器中 反复抽真空 0 07MPa 6 次 每次 3 分钟 彻底出去土壤中氯仿 残留在土壤中的氯仿对 提取碳的测定有较大的影响 在熏蒸同时 另取 3 份 25 O 烘干基重 土壤于 125ml 提取瓶中 为不熏蒸对照 由于 3 熏蒸过程需要 24 小时 因此通常在熏蒸时 将不熏蒸土壤可置于 4 条件下保存 3 土壤提取 将除去氯仿后的熏蒸土壤转移到 125ml 提取瓶中 与不熏蒸土壤同时采用 50ml 可调加液器 加入 100ml0 5mol L 1K2SO4提取液 水土比为 1 4 并设 3 个试剂空白 如果采用重铬酸 钾氧化法测定提取液中有机碳 也可采用 2 1 的水土比 即加入 50ml0 5mol L 1K2SO4 提取液 在往复式振荡器中振荡 300 rev min 1 提取 30 分钟 再用定量中速滤纸过滤 于 50ml 塑料瓶中 贮藏于 18 冷冻柜中 待测 经贮藏的土壤提取液解冻后会有一些白色 沉淀 据推测为 CaSO4和 4K2SO4 对提取液中有机碳的测定没有影响 可以不必除去这些白 色沉淀 Brookes 等 1985 4 提取液中有机碳含量测定和土壤微生物碳计算 方法 重铬酸钾氧化法 林启美等 1999 Vance 等 1987 吸取 10ml 上述土壤提取液于经过仔细检查的 150ml 消化管 24 295mm 中 加入 5 0ml0 2 mol L 1 K2Cr2O7 5 0ml 浓 H2SO4溶液 再加入少量经浓硫酸处理的碎瓷片 3mm 大小 防爆 混匀 置于 175 1 磷酸浴中煮沸 10 分钟 应注意消煮的时间应保证准确 一致 冷却后将溶液转移到 150ml 三角瓶中 使总体积约为 80ml 加入 1 滴邻啡罗啉指示 剂 用 0 05 mol L 1硫酸亚铁标准溶液滴定消煮液中剩余的重铬酸钾 滴定过程为先由橙 黄色变为蓝绿色 再变为棕红色 即到达终点 结果计算 提取的土壤有机碳 mgCkg 1土 0 012 4 10 6 M V0 V f W 式中 M 为 FeSO4溶液浓度 mol L 1 V0 V 分别为滴定空白和样品消耗的 FeSO4溶液体积 ml f 为稀释倍数 W 为烘干土重 g 0 012 为碳毫摩尔质量 g 106 为换算系数 土壤微生物碳 Bc Ec Kc 式中 Bc 代表土壤微生物碳 mgCkg 1 Ec 熏蒸土壤提取的有机碳 不熏蒸土壤提取的有机碳 单位 mgCkg 1 Kc 为转换系数 采用重铬酸钾氧化法取值 0 38 Vance 等 1987 方法 碳 自动分析仪器法 Wu 等 1990 取 10ml 土壤提取液于 40ml 样品瓶中 加入 10ml 5 六偏磷酸钠溶液 pH2 0 使提 取液中的沉淀 CaSO 4和 4K2SO4 全部溶解 再用直径为 2mm 的细管向样液中通过高纯度氮 气 5 10 分钟 以除去溶解在样液中的 CO2 然后用 Phoenix8000 碳 自动分析仪测定 待 测提取液中的有机碳在硫酸钾溶液作用下于紫外氧化室中氧化为 CO2 该仪器可自动测定有 机碳氧化放出的 CO2量 通过工作曲线即可计算出提取液中的碳含量 工作曲线制备 分别 吸取 0 0 5 1 2 3 4ml 浓度为 1000mgCL 1邻苯二甲酸钾标准溶液溶于 50ml 容量瓶中 用高纯度去离子水定容 即为 0 10 20 40 60 80 mgCL 1系列标准碳溶液 分别取不同 浓度的标准溶液 10ml 于样品瓶中 加入 10ml 5 的六偏磷酸钠溶液 pH2 0 测定方法同 土壤提取液样品 结果计算 提取液有机碳含量 mgCkg 1 测定液的碳含量 mgCL 1 稀释倍数 烘干土重 g 土壤微生物碳 Bc Ec Kc 式中 Bc 代表土壤微生物碳 mgCkg 1 Ec 熏蒸土壤提取的有机碳 不熏蒸土壤提取的有机碳 单位 mgCkg 1 Kc 为转换系数 采用碳 自动分析仪器法取值 0 45 Wu 等 1990