膜下滴灌对棉田土壤有机碳组分特征影响.doc

分类号： 单位代码： 10758
密 级： 学 号： 20060151

硕士学位论文
膜下滴灌栽培模式对绿洲棉田土壤
有机碳组分特征影响
The Influence of Plant Mode of Film Drip Irrigation on the Organic Carbon fractions Characteristic in Oasis Cotton farmland

研究生：
指导教师：

申请学位门类级别： 农 学 硕 士
专业名称： 土 壤 学
研究方向： 土 壤 肥 力
所在学院： 草业与环境科学学院

新疆·乌鲁木齐
二○○九年六月

独 创 性 声 明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得新疆农业大学或其他教育单位的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名： 时间： 年 月 日

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研究生签名： 时间： 年 月 日

导师签名： 时间： 年 月 日

课题资助
本研究主要由以下基金资助:“十一五”国家科技支撑项目(2006BAD05B07)和国家重点基础研究发展计划前期专项(2006CB708402)的部分研究成果。
膜下滴灌栽培模式对绿洲棉田土壤有机碳组分特征影响
摘 要
水资源短缺一直以来就是新疆经济社会发展的主要限制因素，膜下滴灌是当今世界最先进的节水灌溉技术和覆膜栽培技术相结合的产物，也是新疆农业发展中的主流趋势。在覆膜和滴灌的综合效应下，土壤物理、化学、微生物环境等土壤水肥生态环境以及作物的生长都发生了变化。然而以往的研究主要集中在膜下滴灌条件土壤水盐运移规律、水分利用率、温度、增产机理以及经济社会效益方面，而对有机碳的研究也主要集中在腐殖质元素组成、功能团结构和性质方面，缺乏对有机碳活性组分及物理分组碳库之间的研究。为此，本文以棉田土壤为研究对象，利用有机碳的分组技术，开展膜下滴灌栽培模式对棉田土壤有机碳组分特征影响以及有机碳库碳库间与土壤肥力和产量之间相关关系的研究，探讨膜下滴灌条件土壤有机碳变化规律，得出以下主要结论：
(1) 与自然土壤相比，土壤有机碳在膜下滴灌和常规灌溉6-8a内呈现增加趋势，显著提高了67%～112%，6-8a后开始下降。土壤有机碳与不同有机碳组分、土壤理化性质和产量之间的相关分析说明，在低土壤有机碳的自然土壤开垦耕作后，灌溉6-8a，能够增加土壤有机碳的储量和提高耕地的生产力，将是比较合理的耕作灌溉时间，绿洲农田土壤可能成为潜在的碳汇。6-8a后，绿洲农田土壤有机碳呈现出下降的趋势，耕地地力又存在退化风险。
(2) 与自然土壤和常规灌溉相比，膜下滴灌栽培模式提高了土壤中易氧化活性有机碳、土壤微生物量碳含量以及碳库管理指数，分别平均提高了36.79%、1005.42%和31.76%，增强土壤有机碳的活性，缩短了有机碳的周转时间，有利于土壤养分有效性的提高和耕地地力的提升。
(3) 与自然土壤相比，灌溉6-8a土壤轻组有机碳和砂粒有机碳在膜下滴灌条件下平均提高了44.16%和51.71%，常规灌溉条件下提高了71.94%和260.10%，6-8a后开始下降；粉砂粒有机碳则随灌溉年限的延长而增加。与常规灌溉不同，重组有机碳和粘粒有机碳随滴灌时间的延长增加,年均增加在0.16g kg-1以上。粉砂粒和粘粒有机-无机复合体对有机碳的保护和控制作用加强，增强了土壤有机碳的抗氧化能力和难降解性，有利于土壤稳定态有机碳的积累和固定，可能促进生态环境向良性方向发展。
(4) 与自然土壤相比，膜下滴灌和常规灌提高了＞250μm的水稳性团聚和53～250μm微团聚体碳含量以及在有机碳中的分配比例，不同的是膜下灌溉4-7a后，＞250μm的水稳性团聚体碳表现出下降趋势；膜下滴灌和常规灌降低了＜53μm团聚体碳在总有机碳中的比例分配，＜53μm团聚体碳在膜下滴灌条件下表现出下降趋势，而在常规灌溉下呈现增加趋势。土壤物理结构可能趋于良性发展。
(5) 土壤有机碳库及其分库间与土壤pH、CEC、EC、全氮、速氮等理化指标和产量之间显著相关。自然土壤开垦耕作后，不同有机碳组分间相互作用，对作物产量产生直接或间接影响，而土壤易氧化活性有机碳、轻组有机碳、微生物量碳和砂粒有机碳对绿洲农田生产力和土壤质量的影响显著，可以作为评价土壤质量变化的敏感性指标。

关键词： 膜下滴灌；绿洲；棉田；有机碳组分

The Influence of Plant Mode of Film Drip Irrigation on the Organic Carbon fractions Characteristic in Oasis Cotton farmland
Abstract
Water shortage in Xinjiang has always been the major limiting factors of the economic and social development,    Drip irrigation under mulch is an advanced technique combined by the water-saving irrigation technique and the film mulching planting technique, which also the main trend in Xinjiang agricultural development. In the Comprehensive Effect of film mulching and drip irrigation, the water and fertilizer ecological environment of soil physics, chemistry, microbial environment etc.and the crop growth have changed. However,  Our previous studies mainly focuses on soil water and salt movement, water use efficiency, temperature, yield-increasing mechanism, as well as the economic and social benefits in the drip irrigation under mulch, and the study of organic carbon is also mainly focuses on humus element composition, functional groups structure and properties, but the study between organic carbon active fraction and physical fractionation carbon pool were lacked. In this paper, takes cotton soil as the research object, uses the organic carbon fraction technology, developing the influence of drip irrigation under mulch cultivation model on variation characteristics of organic carbon fraction in cotton soil, and studying on the correlation between the inter organic carbon pool with soil fertility and yield, to investigate the variation law of organic carbon in the drip irrigation under mulch, and conclusion that :
（1）Compared with natural soil, the soil organic carbon show increase trend by drip irrigation under mulch and conventional irrigation in 6-8a, significantly increased by 67%～112%,and decreased after 6-8a.The correlation analysis of soil organic carbon, different organic carbon fractions, soil physical and chemical properties and yield show that tillage at the natural soil with low organic carbon ,can increase the storage of soil organic and improve the productivity of the farmland by irrigation 6-8a which will be a suitable tillage and irrigation years, and the soil of oasis farmland may become potential carbon sink. After 6-8a, the soil organic carbon of oasis farmland showed decreased trend, and the cultivated land fertility existing degradation risk.
(2) Compared with natural soil and conventional irrigation, drip irrigation under mulch cultivation model improved the soil labile organic carbon (LOC), microbial biomass carbon and carbon management index(CMI), and respectively increases by an average of 36.79%,1005.42% and 31.76%,  enhanced the activity and shorten the turnover time of soil organic carbon, and it was beneficial to the improvement of soil nutrient effectiveness and cultivated land fertility.
（3）Irrigation 6-8a, as compared with that natural soil, soil light and sand organic carbon increased by average of 44.16% and 51.71% in the drip irrigation under mulch, and in the conventional irrigation increased by average of 71.94%and 260.10%, and then became decreased after 6-8a; but the silt organic carbon increased with the irrigation years. The heavy and clay organic carbon increased with the irrigation years is different from the conventional irrigation, and annual average increased more than 0.16g kg-1. Silt and clay organo-mineral colloidal complex for the protection and control effect of organic carbon became strengthened, enhanced
(4) Compared with natural soil, drip irrigation and conventional irrigation increased> 250μm of water-stable aggregates, 53~250μm micro-aggregates and carbon content and organic carbon in the soil and the distribution of the ratio of different membrane 4-7a under the post-irrigation, >50μm of water-stable aggregates and carbon content showed a downward trend, and 53~250μm micro-aggregates of the carbon content in the drip rate of increase is higher than the conventional irrigation; drip irrigation under plastic film and conventional irrigation reduces the <53μm aggregates the content and distribution in the soil the ratio of carbon aggregates in the ratio of total organic carbon distribution in the performance of the downward trend in aggregate difference is that under the conditions of the carbon in the drip irrigation under plastic film on a declining trend, and under conventional irrigation has been an upward trend. Soil physical structure may tend to sound development.
(5) Soil organic carbon pool and sub-base and with soil pH, CEC, EC, total nitrogen, active nitrogen physical and chemical index and significant correlation between the yield. Natural soil tillage cultivation, the different interactions between the organic carbon fractions of crop production have a direct or indirect effects, and the oxidation activity of soil organic carbon, light organic carbon, microbial biomass carbon and organic carbon in sand on the oasis farmland and soil productivity Quality of significant changes can be used as evaluation indicators of the sensitivity.

Keyword: Film Drip Irrigation; Oasis farmland; Cotton field; Organic Carbon fractions

目 录
第一章 前言 1
1.1 研究的意义 1
1.2 膜下滴灌技术的国内外研究进展 1
1.3 土壤有机碳分组技术的国内外研究现状 5
1.4农业管理措施对土壤有机碳组分的影响 11
1.5 本文研究目的和必要性 14
第二章 研究内容与目标 16
2.1 研究目标 16
2.2 研究内容 16
2.3 研究技术路线 16
第三章 材料与方法 18
3.1 样品采集与处理 18
3.2 测定方法 19
3.3 数据处理与统计分析 22
第四章 结果与分析 24
4.1 膜下滴灌条件下土壤总有机碳的变化 24
4.2 膜下滴灌条件下土壤易氧化活性有机碳含量及CMI 26
4.3 膜下滴灌条件下土壤微生物量碳的变化 29
4.4 膜下滴灌条件下土壤物理组分碳库的变化 30
4.5 讨论 50
4.6 小结 53
第五章 土壤有机碳库以及与土壤理化性质和产量间的关系 56
5.1 不同有机碳库与总有机碳之间的关系 56
5.2 不同分组有机碳库间相关性分析 57
5.3 不同有机碳库与土壤理化性质及产量相关性分析 58
5.3 小结 60
第六章 结论与展望 62
6.1 主要结论 62
6.2 本研究的特色与创新点 63
6.3 研究展望 64
参考文献 65
致谢 72
作者简介 73

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新疆农业大学硕士学位论文
第一章 前言
1.1 研究的意义
农田土壤是一种重要的土地利用类型，其面积达133 800万hm2，碳储量约为140～170Pg (1Pg= 1015g)，达到全球陆地碳贮量的10 %（杨景成等，2003）。农田土壤有机碳含量和组成不仅反映了土壤有机质水平，说明了营养元素N、P等的可利用状态，并影响着土壤的物理性状，而且还与农田质量的可持续能力密切相关(张国盛等,2005)，是农田系统稳定性与持续的重要指标。农田生态系统土壤碳库研究一直是农业、生态和环境领域的一个主要方向，土地利用、耕作、作物类型、种植密度、灌溉、施肥等管理措施以及其他人为活动都能快速影响农田有机碳库，其碳库可以在5～10a的尺度上快速调节。因此，研究干旱区灌溉条件下农田土壤有机碳及其变化趋势，对于正确评价该区农田土壤肥力及土壤质量演变规律，制订合理可行的保持农业持续发展的管理措施都具有重要的理论与实践意义。
膜下滴灌是当今先进的节水灌溉技术和覆膜栽培技术相结合的产物，同传统的灌水方式和栽培技术相比具有节水、高产、优质和高效的优点。在覆膜和滴灌的综合效应下，土壤水肥环境以及作物的生长与常规条件不同，土壤物理化学环境、土壤微生物环境都发生了变化。而新疆作为我国重要的优质棉花生产基地和对外出口地，棉花产业已经成为新疆经济发展中重要的支柱产业。棉花种植面积、种植年限以及种植模式在不断地变化，棉花连作和膜下滴灌成为新疆棉花种植的主要栽培模式。在这样的种植模式下，开展膜下滴灌土壤有机碳的变化研究，能够帮助我们进一步认识农业管理措施下棉田土壤有机碳的变化特征，为探索有效的农业管理措施提供依据。另一方面，西北干旱区农业属于绿洲灌溉农业，对土壤有机碳的研究主要集中在总有机碳水平上，缺乏对土壤有机碳组分变化特征的研究，因此开展干旱区绿洲棉田土壤有机碳组分的研究可以为新疆棉花产业的持续发展以及土壤的持续利用提供基础资料和科学依据。
1.2 膜下滴灌技术的国内外研究进展
棉花膜下滴灌（Cotton under-film Drip Irrigation）技术是新疆在节水灌溉实践中，将滴灌管带铺设于地膜下，使滴灌技术和地膜栽培技术相结合而形成的一种新型的田间灌溉方法，为内陆干旱区发展高效节水灌溉开辟了一个新途径，是我国农业灌溉节水技术的重大发展。
1.2.1 地膜覆盖技术的研究概况
地膜覆盖技术是20世纪中叶，随着塑料工业的兴起而发展起来的。1951年日本开始试验应用塑料薄膜代替油纸和玻璃, 此后在农业上的应用便得到迅速发展(张德奇等, 2005)。20世纪50年代初期美国在夏威夷首先应用地膜覆盖，1963年开始在亚利桑那州用覆膜机进行棉花黑膜地面覆盖栽培，覆膜机能连续进行铺膜和播种两项作业，提前两周播种，棉花增产显著(张国村,1984)。法国、意大利、英国、联邦德国、西班牙、韩国等国家在地膜覆盖栽培技术的研究、应用及覆盖材料的开发利用方面也取得重要进展。1978 年我国从日本引进该技术以来，地膜覆盖技术便得到了迅速的发展。截至到2006年地膜使用面积每年超过 6.67×106 hm2，使我国成为世界上最大的地膜生产国和使用国，其中新疆地膜覆盖面积为6.28×105 hm2，而棉田地膜覆盖率达到100%。
地膜覆盖不仅能够提高地温、保水、保土、保肥，提高肥效，而且还有灭草、防病虫、防旱抗涝、抑盐保苗、改进近地面光热条件。对刚出土的幼苗来说，具有保根促苗等作用。对于我国三北地区，低温、少雨、干旱贫瘠、无霜期短等限制农业发展的因素，具有很强的针对性和适用性。但生产实践和科学试验表明，地膜覆盖有时因作物生长前期土壤水分和养分耗竭严重，后期出现严重的脱水、脱肥现象，导致收获指数和产量下降；同时，地膜覆盖的增产作用在一定程度上是以耗竭土壤肥力，特别是有机物质为代价的。因此，只有科学合理地使用地膜覆盖技术，才能优化土壤生态条件，保持持续高产。
1.2.2 滴灌技术的研究概况
滴灌技术就是利用有压管道系统，使滴灌水成点滴后，缓慢、均匀而又定量地浸润作物根区，使作物主要根系活动区的土壤始终保持在最优含水状态(姚振宪等，1999)。1860年德国首次进行滴灌与管道排水相结合试验(付琳等，1988)，使作物产量成倍增长。1965年滴灌在澳大利亚首先试验成功(赵聚宝等，1995)，并发展成为一种新型的灌溉措施，当时被迅速应用于现代农业；1969 年美国开始试验滴灌技术，现已发展到539.73 万hm2，成为世界上发展滴灌最快的国家；1971 年在以色列特拉维夫、1974 年在美国圣地亚哥、1985 年在美国福兰斯诺、1988 年在匈牙利四次召开世界滴灌会议之后，滴灌技术在美国、澳大利亚以及英国、法国等国和地区逐步得到推广应用。90年代中期，据世界微灌工作委员会统计，微灌面积为291.3 万hm2。1974 年我国由墨西哥引进滴灌技术和设备(许越先等，1992)，从此开始了滴灌技术的研究和应用。1980年之前主要是小规模的试用，80年代以后才开始了理论与应用研究和大面积的推广应用。1996年以来，新疆滴灌面积发展迅速，2000年开始发展地埋滴灌推广面积达6.67×103 hm2，2004年全疆滴灌面积达13.33×104 hm2，取得了良好的经济效益。
1.2.3 膜下滴灌技术的研究概况
膜下滴灌是新疆生产建设兵团根据特有的气候条件，通过多年的节水灌溉实践研究，从1995年开始小区试验，并获得了初步成功，在边试验边示范的推广基础上，面积不断扩大。新疆天业集团开发研制出了与膜下滴灌技术相配套的节水器材，并实现了节水器材和设备的国产化，降低了滴灌系统的造价，把科学技术转化为生产力，实现了膜下滴灌技术的产业化开发。自此膜下滴灌在我国得到了快速发展。
膜下滴灌技术是地膜栽培技术与滴灌技术的有机结合，提高了水资源和土地资源的利用率，具有节约水资源、降低劳务支出和增加作物产量和收入的效果。据资料统计：膜下滴灌用水量是传统灌溉方式的12.5%，喷灌的50%，是裸地灌溉的60%；肥料利用率从30%～40%提高到50%～60%；土地利用率提高了5%～7%；节约劳力费50%～70%，机耕费20%～40%，每公顷少投入3750～4200元。这项技术在新疆得到了广泛的推广和应用，主要应用到棉花、加工番茄、甜菜、哈密瓜、草莓、蔬菜等经济作物上，到2002年膜下滴灌面积在新疆达11.34×104 hm2，其中棉花膜下滴灌种植面积为10.74×104 hm2。
膜下滴灌作为一门新兴的灌水和栽培技术，对它的研究在国内外才刚刚起步。赵淑银等(1989～1994)的实验表明，膜下滴灌技术有效地控制了保护地的空气湿度，从而对黄瓜喜湿性病害起到了良好的抑制作用，并且膜下滴灌的黄瓜长势很好，在一定程度也增加了植株对病虫害的抵抗能力。新疆天业集团在棉花和番茄运用膜下滴灌技术，初步试验结果表明，膜下滴灌棉花的灌水量可由常规灌水量525～600 mm降低到240～345 mm，棉花产量提高了30%～50%；番茄可增加收入2倍左右。马富裕和严以绥(1996～1997)在大田进行了两年的膜下滴灌棉花高产水分的试验研究，认为实行“小灌量，短周期”的灌溉制度，可确保棉花高产稳产，提高棉花水分利用效率。马富裕和严以绥(1999)对膜下滴灌的增产机理和主要配套技术进行了研究。结果表明，膜下滴灌棉花能保证棉花的生长始终处于一个良好的水分环境中，有利于棉花充分利用光热资源，棉花的叶面积指数高值持续期进入早，持续时间长，积累的光合产物多，膜下滴灌棉花能够增产20%～50%，节约用水20%～50%，水分生产率提高50%。李豫新和汤莉（2001）、汪希成等（2004）从技术经济的角度出发，对膜下滴灌的种植方式从经济、技术、生态、社会等方面进行了综合评价，认为膜下滴灌技术是新疆干旱地区农业可持续发展的重要途径。陈多方等（2000）利用蒸渗仪对膜下滴灌棉花的蒸发蒸腾规律进行了研究。结果表明，膜下滴灌棉花在整个生育期的蒸发蒸腾量为500 mm～600 mm，且膜下滴灌棉花的生长速度比普通灌溉快。周建伟等（2001）对膜下滴灌棉花的增产原因进行了分析，认为膜下滴灌的棉花能高产稳产原因：一是土壤水分变化小，灌水质量高；二是肥料利用率高，水肥同步，增铃、保铃效果好；三是土壤结构破坏小，根系生长发育好。郑重等（2001）对膜下滴灌棉花在不同水肥条件下的植株群体冠层结构、产量进行了测定和分析，表明，膜下滴灌棉花产量随灌水量和施肥量的增加而增加，但超过一定阈值产量有所下降。程冬玲和吴恩忍（2001）对膜下滴灌棉花的两种种植方式进行了试验研究。对比分析了两种种植方式的土壤湿润体剖面，简单分析了土壤质地、灌溉定额、滴孔流量、滴孔间距对土壤湿润锋的影响，并对比分析了两种种植方式的生长发育性状和产量以及每亩投资，为膜下滴灌在大田推广提供了一定的依据。邵光成等（2000）将膜下滴灌灌溉制度的研究与调亏灌溉相结合，对作物的一系列生长发育性状和产量等的影响进行了初步的试验研究。另外，盐碱地采用膜下滴灌后，不断滴入土壤的水分对土壤中的盐分有淋洗作用，加之覆膜后由于边界条件的改变，土壤的蒸发率大大减小，“盐随水来”，盐分上行受到抑制，土壤返盐率也随之大大降低（西安理工大学水资源研究所和新疆农八师）。李富先等（2002）对膜下滴灌田间小气候进行了试验研究和理论分析。结果证明，膜下滴灌的田间小气候优于沟灌，在水分、光热、温度、湿度等方面能够很好的配置和利用，这可能就是膜下滴灌的棉花能够增产的原因。范君华和刘明（2005）研究了膜下滴灌与沟灌海岛棉田土壤微生物特性的区别，结果表明膜下滴灌下棉田的微生物数量及根际、根外微生物数量多于沟灌；朱友娟等（2007）研究了新疆棉田膜下滴灌方式下土壤水分运移变化规律，指出土壤含水量在垂直方向随土层加深呈现增大趋势，水平方向在0～35cm各层变化明显。胡晓棠等（2002）等对比分析了膜下滴灌棉花和常规沟灌棉花的两种干旱诊断指标（作物适宜土壤含水率和作物缺水指标CWSI）。分析表明，两种灌水方式下的棉花生长对土壤水分环境的要求是一致的，两种指标所反映的规律也基本相同。但他们认为膜下滴灌的棉花根系浅，抗旱能力弱，受旱风险大，所以在生产实际中进行灌水决策时，其干旱诊断指标应该比常规灌溉大。由此可以看出，已往的研究主要集中在膜下滴灌条件下土壤水盐运移规律、水分利用率、温度、增产机理以及经济社会效益方面，缺乏对膜下滴灌下土壤有机碳的研究，因此，有必要进行土壤有机碳方面的研究。
1.3 土壤有机碳分组技术的国内外研究现状
土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM）由一系列存在于土壤中、组成和结构不均一、主要成分为C和N的有机化合物组成（Kononova，1964），土壤有机质的成分中既有化学结构单一、存在时间只有几分钟的单糖或多糖，也有结构复杂、存在时间可达几百到几千年的腐殖质类物质（Humic Substance），既包括主要成分为纤维素、半纤维素的正在腐解的植物残体，也包括与土壤矿质颗粒和团聚体结合的植物和动物残体降解产物、根系分泌物和菌丝体（Christensen，1992；武天云等，2004a）。土壤有机质中所含的C为土壤有机碳（Soil Organic Carbon，SOC）。
土壤有机质（有机碳）的研究可以追溯到200a前的18世纪80年代（Kononova，1964；Baldock and Nelson，1999）。土壤有机质虽然仅占矿质土壤总量的极小比例，但对土壤质量及功能的调节起着关键作用（刘满强等，2007）。一方面土壤有机碳为植物提高了所必需的各种营养元素，维持土壤良好的物理结构，并影响养分循环，改善土壤结构，影响土壤持水性能、缓冲性能、生物多样性以及植物营养的生物有效性，缓解或调节土壤退化及土壤生产力有关的一系列过程（赵鑫等，2006）；另一方面土壤有机碳（1600 Pg C）代表了表层陆地生态系统最大的碳库（2200 Pg C）（Post et al，1982），其微小变化将引起大气CO2浓度的较大波动，对陆地生态系统的分布、组成、结构和功能产生深刻影响。可见土壤有机碳的重要作用不只局限于对土壤肥力的影响，而且与大气圈、水圈、生物圈以及生态环境的可持续发展联系起来。
土壤有机碳是由具有不同物理、化学特性和微生物降解特性所组成的混合物（Li et al，2007a），依据土壤有机碳在土壤中的分解难易和转化时间，将土壤有机碳总体分为3个库（Trumbore，1997）：（1）不稳定土壤有机碳库，有机碳组成以微生物量碳、可矿化碳、DOM、碳水化合物为主，这部分有机碳活性强、分解速率快、转化周期短，且与养分供应密切相关；（2）稳定有机碳库（缓效性有机碳库），主要有颗粒有机物、碳水化合物、脂类等，周转和分解速率慢于前一种有机碳，被认为是土壤固定有机碳的主要碳库（Six et al，2000）；（3）极稳定有机碳库（惰性有机碳库），它们主要是木质素、腐殖质、多酚及被保护的多糖等，分解速率和转化周期相当长。用不同分组方法所得到的组分之间在组成上有重叠，根据对土壤有机碳分组技术所采用的原理和手段，一般分为化学、物理和生物分组技术（武天云等，2004a）。
1.3.1 土壤有机碳的化学分组
从18世纪80年代开始，对有机碳的研究主要集中在腐殖质元素组成、功能团结构和性质等方面。土壤腐殖质分为两类，一类是与已知的有机化合物具有相同结构的单一物质，被称作非腐殖质类物质，包括碳水化合物、碳氢化合物及含氮化合物，这一类物质可占腐殖质总量的5%～15%；另一类是腐殖质类物质，根据在酸碱中的溶解性分为胡敏素、胡敏酸和富啡酸，腐殖质类物质占腐殖质总量的85%～95%（Kononova，1964；Stevenson et al，1982）。
对腐殖质类物质还产生了更进一步的分级方法，如根据提取剂的不同将其分作松结态、稳结态和紧结态腐殖质类物质（何云峰等，1998；吴景贵等，1998）。根据褐色胡敏酸的光学性质将其分作A、B、Rp型胡敏酸（王旭东等，2000）。根据腐殖质酸与土壤颗粒结合的分层结构原理（Buyanovsky et al，1994），富啡酸和胡敏酸用超声波处理后又分作A、B组富啡酸和胡敏酸。
此外，依据土壤有机碳对高锰酸盐氧化作用的敏感性，Logninow等（1987）提出采用3种不同浓度过量的KMnO4（33、167、333 mmol L-1）测定土壤中易氧化有机碳，依次获得活性高、中、低三个级别的有机碳及不能被氧化的惰性有机碳。Lefroy等（1993）研究得出土壤有机碳中能被333 mmol L-1 KMnO4 氧化的有机碳在种植作物时变化最大，因此将这部分有机碳称作易氧化活性有机碳，不能被氧化的称为非活性有机碳，并首次提出土壤碳库管理指数（Carbon management index CMI），用来反映农作措施使土壤质量下降或更新的程度（Whitbread et al，1998）。CMI指标提供了一个监测土壤碳变化的系统的、敏感的监测方法，能够反映农业管理措施使土壤质量下降或更新的程度。还可进一步分析施肥、气候、土地利用方式及耕种年限等因素对CMI的影响（杨丽霞和潘剑君，2004）。CMI上升，表明施肥耕作对土壤有培肥作用，土壤性质向良性发展；CMI下降，则表明施肥耕作使土壤肥力下降，土壤性质向不良方向发展，其管理和施肥是不科学的。
1.3.2 土壤微生物量碳
由于微生物量碳对耕作、轮作、施肥等农业管理措施对土壤质量影响的反应非常敏感且综合性强（Anderson and Domsch，1990；Insam et al，1989），自20世纪70年代开始才受到重视（Jenkinson and Powlson，1976）。因此土壤微生物量碳所反映的土壤质量被称作土壤的生物学质量（Gregorich et al，1994），而土壤微生物量碳/土壤有机碳的比值也称为土壤微生物量熵，是衡量土壤有机碳累积或损失的重要指标（肖复明等，2008）。土壤微生物量碳含量较少，仅占土壤有机碳的1%～3 %（Anderson and Domsch，1990