土壤微生物生物量的测定底物诱导呼吸法编制说明全国土壤质量.docx

1、土壤微生物生物量的测定底物诱导呼吸法编制说明全国土壤质量土壤微生物生物量的测定-熏蒸提取法Determination of soil microbial biomass Fumigation-extraction method国家标准（征求意见稿）编制说明土壤微生物生物量的测定-熏蒸提取法编制组二0一七年四月 项目名称：土壤微生物生物量的测定-熏蒸提取法计划编号：20153803-T-326项目负责单位：中国科学院亚热带农业生态研究所项目负责人：吴金水技术委员会：全国土壤质量标准化技术委员会（SAC/TC 404）目 录1、立项背景 11.1 土壤微生物生物量的研究意义重大 11.2 土壤质量

2、标准化与土壤科研工作的需要 12、任务来源 33、标准制定的原则和依据 33.1 原则 33.2确定依据 44、标准制定的主要技术内容及方法应用评价 44.1 适用范围 44.2 总体框架和主要内容 44.3熏蒸和提取 54.4 提取物中碳的测定 64.5 方法的评价 84.6方法的应用 95、与现行法律、法规、标准的协调性 116、对标准贯彻的建议 117、参考文献 111、立项背景1.1 土壤微生物生物量的研究意义重大土壤微生物生物量（soil microbial biomass）是指体积小于5103m3活体微生物总量，但不包括活的植物体，如植物根系等（吴金水等，2006；李振高等，200

3、8）。土壤微生物生物量虽然只占土壤有机质的3%左右，但在有机物质、氮、磷、硫等转化和循环过程中起着关键的作用，不仅是土壤有机质中最活跃的组分，而且可作为土壤养分的储存库，是植物生长吸收利用养分的重要来源，与单个微生物个体数量指标相比，更能反映微生物在土壤中的实际数量与作用潜力。据估计植物吸收N、P、S 的60%，47%和28%分别来自微生物生物量N、P和S。微生物是土壤中最为活跃的生命体之一，土壤微生物是土壤有机质和土壤养分( C, N, P, S 等) 循环转化的驱动力，参与有机质的分解、腐殖质的形成、养分的转化与循环等各个生物化学过程（林先贵，2010）。而且，微生物对土壤各种环境因子的变

4、化极为敏感，因而土壤微生物量的变化常被作为土壤肥力、土壤环境污染等其他各种扰动对土壤健康质量影响的灵敏性指标。因此，土壤微生物生物量的研究为从整体上了解土壤微生物的演变与功能提供了一个有效的途径，其对于更好地把握与理解土壤健康的主要影响因素有极其重要的作用，对制定良好措施来提高土壤质量也有重要意义。1.2 土壤质量标准化与土壤科研工作的需要土壤微生物生物量是植物有效养分的储备库和来源，其对土壤碳、氮、磷和硫的植物有效性及在陆地生态系统中的循环具有重要的影响。土壤微生物生物量库的长期或是季节性变化，不仅可指示土壤质量的变化，而且对于了解土壤养分的动态变化也具有重要的作用，同时也可快速地监控并反映

5、土壤管理的改变和污染的影响。土壤微生物生物量的定量分析是了解微生物对土壤有机质与养分循环和转化作用的重要方法。土壤微生物生物量的测定方法有很多，既有传统方法，也有现代方法。20世纪初发展起来的传统的微生物计数方法至今仍在应用。直到1976年Jenkinson提出了测定土壤微生物生物量的熏蒸-培养法（FI），土壤微生物生物量库在生态学和微生物学上才得到重视。该方法是基于氯仿熏蒸将土样中微生物细胞杀死和溶解，再用土壤接种，测定培养10天内土样的呼吸，与未熏蒸对照土样比较，由于熏蒸土样微生物被杀死和微生物生物碳的分解，从而使释放的CO2增加。但该方法误差大，耗时长，仅适用pH 58的旱土。与此同时还

6、提出采用FI法测定土壤微生物生物量氮。Anderson等在1978年提出了测定微生物生物量的另一生理学方法，即所谓的底物诱导呼吸法（Substrate-induced respiration，SIR），基本原理是根据添加的易分解基质后，培养初期CO2呼吸速率来估计土壤微生物生物量。SIR方法操作简单，快速，费用低，重现性好，是土壤微生物生物量分析中的经典方法，业已形成国际标准（ISO 14240-1:1997: E）。同时，本单位牵头于2013年开始制定土壤微生物生物量测定的国家标准，于2017年3月颁布了土壤微生物生物量的测定底物诱导呼吸法的国家标准，等同于国际标准（ISO 14240-1:

7、1997: E）。但是，FI和SIR法都有其不足之处。FI法需较长时间（10天），且不适合酸性土壤。SIR法是采用FI法校准，不同的校正系数使采用SIR测定的数据计算得到的微生物生物量碳常常会产生争议，此外SIR法不适合添加了新鲜有机底物的土壤。Brooks等在1982和1985年分别提出了更直接的估算土壤微生物生物量磷和氮的方法。经氯仿熏蒸的土样直接提取（即熏蒸提取法，Fumigation-extration，FE）后测定土壤微生物生物量磷和氮。Wu等（1990）将熏蒸-提取法中碳分析改进为仪器自动分析，重新确定了转换常数，创建了快速、精确、适合各种条件的土壤微生物生物量碳（MBC）测定新方

8、法。以该方法与14C标记技术结合，创建了土壤MBC周转速率、有机底物转化动力学参数、土壤释放CO2-C的微生物与非微生物来源比例测定等3个方法（Brookes et al, 1991; Wu et al, 1993; 2005），并解决了土壤MBC周转速率、有机底物的“激发效应”机理、矿化碳构成等以往长期未明的土壤科学重大学术问题（Wu et al, 1993; 2005；Kouno et al, 2002）。FE法已成为测定土壤微生物生物量最常用的方法，是土壤微生物生物量分析中的经典方法，业已形成国际标准。为了准确地测定土壤微生物生物量，加强科学交流，增进数据共享，促进土壤学科发展，制定土壤

9、微生物生物量-熏蒸提取法的国家标准十分必要。1.3 国家及土壤质量主管部门的要求标准是经济活动和社会发展的技术支撑，是国家治理体系和治理能力现代化的基础性制度。但是，与经济社会发展需求相比，我国标准化工作还存在较大差距。目前，我国越来越重视标准化工作，相继颁布了中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议和国务院关于印发深化标准化工作改革方案的通知（国发201513号），以及国家标准化体系建设发展规划（2016-2020年）文件。为贯彻落实文件，推动实施标准化战略，加快完善标准化体系，提升我国标准化水平，要求形成具有我国自有知识产权国家标准。借此机遇，我国成立了“全国土壤质量标准化

10、技术委员会”，以期大力发展土壤质量标准化工作，制定适合我国土壤质量监测与分析的相关标准，逐渐构建我国土壤质量标准化体系。2015年，国家标准化管理委员会审核通过并立项了“土壤微生物生物量-熏蒸提取法”（20153803-T-326）国家标准的制定。根据国家标准制定工作的任务及土壤质量国家标准制定的需要，完成该标准的制/修订，对于指导我国土壤质量监测与监管有重要意义。2、任务来源根据国家质量监督检验检疫总局国家标准化管理委员会文件国标委综合【2015】73号关于下达2015年第三批国家标准制修订计划的通知，土壤微生物生物量的测定-熏蒸提取法顺利立项。本标准由中国科学院亚热带农业生态研究所承担，归

11、口全国土壤质量标准化技术委员会，计划编号20153803-T-326。3、标准制定的原则和依据3.1 原则（1）本标准的编写依据GB/T 1.1-2009标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写（2）本标准的制定与国际标准Soil quality-determination of soil microbial biomass-Part 2 Fumigation-extraction method（ISO 14240-2:1997: E）的一致性为等同的原则3.2确定依据（1）转化ISO 14240-2:1997方法，形成标准文本（2）通过实验和验证，确定方法的可行性和适用性（3）本标准方法准

12、确可靠，能满足土壤科学研究与土壤质量监测分析测试的要求（4）本标准方法具有普遍适用性广，操作简单，耗费低，易于推广应用。4、标准制定的主要技术内容及方法应用评价4.1 适用范围本标准详细描述一种通过提取经熏蒸杀死的新鲜土壤微生物中总的有机生物量物质，估算土壤微生物生物量的方法。本方法适用于估算土壤微生物生物量氮及微生物茚三酮反映的氮，但本标准仅仅描述了测定可提取的有机碳的方法。熏蒸提取法（FE）适用土壤pH值范围广泛的好氧和厌氧（淹水，稻田）土壤。本标准适用于包含易分解有机底物和硫酸钾溶液过饱和土壤生物量的测定。4.2 总体框架和主要内容本标准在满足GB/T 1.1-2009规定的前提下，总体

13、框架仿照ISO 14240-2:1997方法编排。首先是共性内容，如前言、范围、规范性引用文件、术语和定义，接着是具体的实验方法，如原理、试剂与材料、仪器等，以及最后附录内容。根据以上框架原则，本标准涉及的内容主要有：（1）范围；（2）规则型引用文件；（3）术语和定义；（4）原理；（5）试剂与材料；（6）仪器；（7）熏蒸和提取；（8）提取物中碳的测定；（9）精度；（10）规范性（A）和资料性附录（B、C）；（11）参考文献。4.3熏蒸和提取熏蒸干燥器底部平铺湿润滤纸，将进行土样的熏蒸。称取经前处理（5.1）相当于2550.0g烘干基的新鲜土样3份，置于玻璃烧杯（6.4）或有盖培养皿（6.5）中

14、。将烧杯或培养皿放入真空干燥器中，并放置盛有25 ml去乙醇氯仿（5.2.2）的烧杯1只，烧杯内放入少量防瀑沸的颗粒（6.10），同时放入一小烧杯碱石灰溶液。抽真空使氯仿剧烈沸腾约2 min。关闭干燥器抽真空阀门，将其在252暗室孕育2224h。如果没有足够的土壤，使用较小的样品规模提供土壤与提取剂的比例保持不变（土水比为1 : 4；w : v）。为获得最大的提取物质，土壤有机质含量超过20时（有机质含量的测定参照ISO10694）增加土壤与提取液的比例（当土壤有机质含量超过95时，最大比例是1：30，例如土壤Llayer）。记录使用土壤的质量。熏蒸结束后，从干燥器中取出含氯仿的烧杯和滤纸。干

15、燥器反复抽真空（6次，每次2min）直到土壤无氯仿味为止。熏蒸好的土壤以备提取用。另称取不熏蒸土样（50.0g烘干基的新鲜）3份，置于塑料瓶作为对照土样。参照7.2方法，立即用200 ml的K2SO4（5.2.3）进行提取。提取为提取有机碳,将熏蒸土样无损地转移到聚乙烯塑料瓶（6.6）中，加入200ml K2SO4（5.2.3），用水平振荡器（6.8）振荡30min（200r min-1），或用立式振荡器振荡45min（60 r min-1），提取液用滤纸(6.3)过滤到塑料瓶中。未熏蒸的对照土壤用同样的方法提取和过滤。若未即时分析，将熏蒸和未熏蒸的土样在15到-20的冰箱中保存。取样分析前在

16、室温下解冻并充分摇匀。4.4 提取物中碳的测定土样中微生物有机碳含量可被分析测定，也可以进行土壤样本之间的比较。微生物生物量的确定需要乘以转换系数，此系数是通过添加已知碳含量的微生物细胞后进行熏蒸提取分析，然后换算而得。所有的转换系数都与这个初使数值相关。碳含量的测定使用重铬酸钾氧化容量法或仪器分析法重铬酸钾法（1）原理：强酸条件下，有机质被氧化同时Cr5+被还原为Cr3+，剩余的重铬酸钾用来滴定，从所消耗的重铬酸钾量，计算碳的含量。（2）程序：吸收8 ml的过虑提取液于圆底烧瓶中，用吸管加入2ml 的重铬酸钾和15ml的酸混合液。通过冷凝器轻轻地回流混合液30分钟，用20到25ml水冲洗来使

17、其冷却和稀释。用同样的方法消化含8ml的硫酸钾溶液的重复空白样。加入几滴邻啡罗啉硫酸混合液作为指示剂，用硫酸亚铁铵溶液回滴过剩的重铬酸钾来测定。（3）结果计算有机碳含量的计算按照公式（1）和（2） (1)式中：VS样品消耗的滴定体积，单位ml;VH 回流空白消耗的滴定体积，单位ml;VC未回流空白消耗的滴定体积，单位ml; M 重铬酸钾的浓度，单位mol/LPD添加的重铬酸钾溶液的体积，单位ml;PS添加的样本的体积，单位ml；E 有机碳转换为CO2的转换系数，取值3； (2)式中：PK提取物的质量，单位g；DW样本烘干重（按照ISO11465的标准测定），单位g；SW土壤水（水重（g）/烘干

18、土重（g）（按照ISO11465的标准测定）；微生物生物量碳BC的计算按照公式（3）： (3)式中：EC=熏蒸土样提取有机碳的质量不熏蒸土样提取有机质的质量；kEC=0.38。碳光谱分析法（1）原理：提取的土壤有机碳在过硫酸钾（K2S2O8）溶液中能够氧化为二氧化碳，二氧化碳可以通过红外(IR)或紫外(UV)光谱分析测定。（2）程序：对于自动化的紫外过硫酸氧化方法，需取5ml硫酸钾土壤提取液与5ml聚合偏磷酸钠溶液混合。这个过程可以将土壤提取液中CaSO4沉淀溶解。过硫酸钾试剂被自动送入紫外氧化室，在这里由紫外光激活使有机碳氧化为CO2，通过红外线吸收光谱或紫外光谱测定CO2的含量。（3）结果

19、计算计算提取土壤有机碳含量使用公式（4） (4)式中：V样本C浓度，单位g / ml；DV磷酸钠稀释样本的体积，单位ml；B 空白C浓度，单位g / ml；DB磷酸钠稀释空白的体积，单位ml；PK见公式2；DW见公式2；SW见公式2。计算生物量BC使用公式（5） (5)式中：EC=熏蒸土样提取的有机碳的质量不熏蒸土样提取的有机质的质量；kEC=0.454.5 方法的评价氯仿上广泛应用的熏蒸处理方法，不少研究证实氯仿熏蒸对提取土壤非生命有机碳无显著影响。对于可提取有机碳和微生物生物量碳含量很低的土壤，可将提取的土水比由1 : 4（w : v）降为1 : 2，以提高重铬酸钾容量分析法的测定精确度（

20、林启美等，1999；Manjaiah等，2000）。目前采用的转换系数kEC值，是根据EC与FI法测定的土壤微生物生物量碳的统计学回归关系间接获得的（Vance等，1987；Wu等，1990）。Wu等（1990）提出的kEC值（0.45） 高于Vance等（1987）提出的数值（0.38）的原因，是由于仪器分析法测定的结果比容量分析法高18%。其它研究者也提出了不同的kEC值（Sparling等，1988，1990；Bremer等，1990；Dictor等，1998），如Sparling等（1993）比较了熏蒸培养法、底物诱导法和熏蒸提取容量分析法，发现澳大利亚21个土壤的kEC值平均为0.3

21、00.18，低于Vance等（1987）的推荐值。一些研究者将14C标记的微生物加入土壤测定kEC值，如Tate等（1988）发现kEC值与菌龄、生长和收获状态等有关，Eberhardt等（1996）报道细菌的kEC值为0.110.39，放线菌和真菌为0.440.68，若按土壤细菌和真菌生物量的比例30%和70%推算，其kEC值与Wu等（1990）的推荐值几乎相同。Joergenson（1996）对仪器分析法的kEC值进行了专门研究，结果也与Wu等（1990）的推荐值一致。FE法比以往的土壤微生物生物量碳测定方法更为快速而简便，适合大量样品分析。但是对于微生物生物量碳含量较低的土壤，熏蒸提取容

22、量分析法的精度较低，熏蒸提取仪器分析法是目前测定土壤微生物生物量碳最为快速和精确的方法，并且适用于各种类型的土壤（Vance等，1987；Ocio等，1990；Inubushi等，1989）。4.6方法的应用土壤微生物生物量是土壤N、P、S养分库，在有机物质、N、P、S等循环转化过程中起关键作用。传统的微生物学研究方法是在单个或种群层面上研究其数量与功能，对于土壤微生物生物量缺乏定量地了解。土壤微生物生物量碳不仅是土壤微生物群体大小的指标，而且为从整体上了解土壤微生物的演变与功能提供了一个有效的途径，已广泛应用于土壤生物学、土壤生态学、环境生态学等研究领域。耕地表层（023cm）土壤微生物生物

23、量碳一般为11003000 kg hm-2，而草地表层土壤高达16007500 kg hm-2，我国耕地和草地表层土壤中土壤微生物生物量碳分别为5001400 kg hm-2和7503500 kg hm-2（吴金水，1999；刘守龙等，2003）。尽管土壤微生物生物量碳只是土壤有机碳很少的一部分，一般占土壤有机碳1%5%（Jenkinson等，1981），但是土壤有机碳最活跃的部分，直接调控土壤有机质的转化过程。已有的研究结果表明，土壤微生物生物量与土壤有机质含量呈线性关系（Jenkinson等，1981；Manjaiah等，2000），并且当土地利用和耕作管理方式等发生变化时，土壤微生物生物

24、量碳的变化更加迅速，短期内（35年）就可以检测到，510年即可达到新的平衡状态；而土壤有机质的变化需要较长的时期（510年）才能检测出来，经过几十年甚至上百年才能达到稳定和新的平衡状态（吴金水，1991）。由于土壤微生物生物量碳与土壤有机质总量的变化有相同的趋势，因此，土壤微生物生物量碳可作为土壤有机质含量变化的早期指示（Powlson等，1987；Insam等，1989；Brookes，1995；Manjaiah等，2000）。土壤微生物生物量碳主要受气候和环境条件、土壤肥力、施肥和作物种植方式等因素的影响，由于土壤微生物生物量碳随土地利用及管理方式的变化比土壤有机质更为敏感，所以在初期土壤

25、微生物生物量碳与土壤有机碳的比值（BC : OC）必然发生变化。在相同的成土母质和环境条件下，BC : OC比值与土壤管理方式特别是施肥条件有着密切的关系。Wu（1991）根据英国洛桑试验站长期试验地土壤的测定结果，总结出不同处理的BC : OC比值依次为：休闲0.5%1.4%，不施肥1.6%2.0%，施NPK化肥2.0%2.5%。以该试验地土壤为例，不施有机肥的土壤（有机碳 1%）BC : OC比值为2.0%2.5%，低于这一比例范围时，土壤有机质含量趋于下降，反之趋于升高。Powlson（1994）也提出BC : OC比值可作为土壤质量提高或降低的早期警示指标。应当指出的是，在不同的环境条

26、件下土壤微生物生物量碳高低，并不指示土壤有机质含量多寡。在缺少长期实验数据时，不能单独应用土壤微生物生物量碳来反映土壤有机质含量的变化趋势（吴金水等，1999）。土壤微生物生物量碳的周转时间（Turn-over time），是指土壤中微生物生物量碳组分的流通量达到其总量时所需的理论时间，即土壤微生物生物量碳总量与其代谢速率之比（Wu，1991），反映了土壤微生物生物量的活性及其对土壤有机质的转化能力。据估计，在温带地区土壤微生物生物量碳的周转时间为1.52.0年，约为土壤有机碳周转时间的1/15，而在热带和亚热带地区为1年以上。土壤微生物生物量碳周转速率的快慢与土壤有机质变化有密切的关系，土壤

27、微生物生物量碳周转越快，土壤有机质的分解和消耗越快，不利于其积累（吴金水等，2004）。进入土壤的植物和动物残体以及施入的有机肥料中的碳素，首先经过土壤微生物的矿化作用，转化为微生物生物量碳、腐殖质或腐殖化有机碳、CO2C及其他有机物质或称为微生物代谢产物碳。形成的腐殖化有机碳、微生物代谢产物碳，再在微生物的作用下继续分解转化，土壤微生物生物量碳自身也在不断地循环，这些过程构成了土壤碳素循环。土壤微生物生物量碳不仅是土壤碳素循环中的重要环节，同时也是土壤碳素循环的驱动力。Wu（1991）将14C标记的葡萄糖添加到7个英国土壤中，25下培养30 d后，发现14C标记的葡萄糖碳的矿化率（即释放为C

28、O214C的比率）、转化为微生物生物量14C和代谢产物14C（包括腐殖质）的比例分别为48%69%、11%26%和20%30%，葡萄糖的矿化率与土壤粘粒含量成反比，而与微生物生物量和代谢产物（包括腐殖质）的形成比例则相反。Wu等（1993）另外一个试验结果表明，将14C标记的葡萄糖和黑麦草分别加入到英国草地土壤（加入量均为5 mg C g-1土）培养2040 d后，14C标记的葡萄糖的处理，尽管土壤微生物生物量碳增加了33%，而非标记的微生物生物量碳却降低了45%，说明土壤中原有的微生物生物量碳被14C标记的微生物生物量碳取代。加入14C标记的黑麦草处理，在培养期间土壤中原有的微生物生物量碳相

29、对稳定，14C标记的微生物生物量碳增加了60%，表明不同有机碳在土壤中的转化途径存在差异。培养到100 d时，添加葡萄糖和黑麦草的土壤，其土壤微生物生物量碳增加很少，这可能是由于土壤中基础微生物生物量很难改变，因为其生存依赖于相对稳定的土壤腐殖化有机碳库。然而，黄敏等（2004）的试验结果表明对于我国红壤水旱轮作地土壤添加葡萄糖和稻草处理，培养至60 d时土壤微生物生物量碳含量亦显著高于对照处理。5、与现行法律、法规、标准的协调性本标准等同转化ISO 14240-2:1997规定的土壤微生物生物量-熏蒸提取法，是对已于2017年3月颁布的国家标准土壤微生物生物量-底物诱导呼吸法（GB/T 32

30、7232016/ISO 142401：1997）是有益补充，更具有实用性和操作性。本标准的制定主要是规范我国土壤微生物生物量的测定方法，扩大其应用范围，为推荐性标准，与现行的法律、法规无冲突。6、对标准贯彻的建议土壤微生物生物量测定-熏蒸提取法标准操作简单，耗费低，适用土壤pH值范围广泛的好氧和厌氧（淹水，稻田）土壤，能够适用我国土壤肥力监测的要求。本标准完成后，将在增强学科交流和数据共享、促进土壤学科发展方面具有重要的意义。建议中国科学院亚热带农业生态研究所，联合相关的标准化研究机构、检测公司和企业统一组织标准宣传，并提供技术咨询。7、参考文献Anderson J P E, Domsch K

31、 H. A physiological method for thequantitative measurement of microbial biomass in soils. Soil Biology and Biochemistry, 1978, 10: 215-221.Bremer E & Van Kessel C. Extractability of microbial 14C and 15N following addition of variable rates of labelled glucose and (NH4)2SO4 to soil. Soil Biology and Biochemistry, 1990, 22: 703713.Brookes P C. The use of microbial parameters in monitoring soil pollution by heavy metals. Biology and Fertility of Soils, 1995, 19: 269279.Brookes P C, Inubushi K, Wu J S, Patra D D. Properties of the soil microbial biomass. Jap