基于热分析技术的土壤有机质含量和稳定性分析
赵龙华1，刘小粉2，王雅婧1，任图生1
（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京100193；2. 河北工程大学农学院，邯郸056021）
摘要：土壤有机质（soil organic matter，SOM）含量及其稳定性是评价土壤质量的重要指标。传统的化学氧化技术测定SOM时可能氧化不完全，费时费力，容易污染实验室环境；干烧法（例如，元素分析法）分析成本高，而且化学氧化法和干烧法都难以提供SOM 稳定性的信息。该文探讨应用热分析技术测定SOM 含量及热稳定性的可行性。土壤样品采自位于湖南省宁乡县的稻田施肥长期定位试验，采用湿筛法将耕层土壤样品分为＞2、＞0.25～2、＞0.05～0.25 以及≤0.05 mm 4 个粒级团聚体，利用热重分析（thermogravimetry，TG）和差示扫描量热分析（differential scanningcalorimetry，DSC）技术测定土体及团聚体中SOM 含量和稳定性。结果表明：1）土壤中存在2 类热稳定性不同的SOM：一类为热易分解型，分解温度为200～350 ℃；另一类为热稳定性型，分解温度为350～550 ℃；2）热分析技术测定的土体和团聚体中SOM 质量分数范围为4%～8%，而元素分析仪得到的SOM 质量分数范围约为3%～6%，热分析法结果比元素分析法的结果平均高估2.10 百分点，但二者存在显著线性相关（r=0.88，P=0）。因此，可以利用该系数（2.10%）将热分析技术测定的SOM 含量校正为元素分析法测定的结果；3）SOM 的热稳定性可以用热易分解SOM 占总SOM 的比（Exo1/Exot）和SOM 分解一半时的温度（TG-T50）来表征，Exo1/Exot 和TGT50呈良好的负相关（r=-0.95，P=0），但Exo1/Exot 对SOM 的热稳定性更加敏感，因此用Exo1/Exot 表征SOM 的热稳定性可能更为合理；4）Exo1/Exot 与碳水化合物、烷烃类、芳香族的傅立叶转换红外线光谱吸光度以及土壤基础呼吸和微生物代谢熵qCO2呈显著正相关，说明SOM 的热稳定性与化学稳定性、生物稳定性存在良好的一致性；5）长期有机肥和化肥配施显著提高了土体及各粒级团聚体的SOM 含量秸秆还田也具有较好的效果，但单施化肥无明显效果；＞0.25～2 mm 粒级的团聚体是贮藏SOM 的优势粒级，其次为>2 和≤0.05 mm 的团聚体；6）对于同一粒级团聚体或土体，与单施化肥和不施肥相比，有机肥配施化肥和秸秆还田下的SOM热稳定性有降低趋势；尽管SOM 热稳定性在各粒级团聚体和土体中存在一定差异，但是各施肥处理中没有一致规律。利用热分析技术测定SOM 含量和热稳定性具有可行性，可以应用于研究农田管理措施对SOM 含量和稳定性的影响和综合评价土壤质量。
关键词：土壤；热分析技术；团聚体;有机质；含量；热稳定性
0 引言
土壤有机质（soil organic matter， SOM）是指在微生物作用下，进入土壤的各种有机物质形成的有机化合物的总称[1]。SOM 含量及其稳定性是评价土壤质量的重要指标[2-3]。快速、准确地获取土体中SOM 含量和稳定性的信息是研究SOM 在土壤中贮藏和转化过程的基础。根据原理，目前测定SOM 含量的方法分为化学氧化法、干烧法、灼烧法和光谱法等[4]。常用的化学氧化法（如重铬酸钾容量法）是在过量的硫酸环境下，用重铬酸钾氧化SOM，过量的重铬酸钾用标准硫酸亚铁溶液回滴，通过消耗的氧化剂量来计算所氧化的土壤有机碳量。该技术原理简单，可以较为准确地测定SOM 含量，成本较低，但操作复杂，费时费力（测定一批样品需要2～3 h），仪器清洗难度大，同时存在对SOM 氧化可能不彻底的问题和试剂挥发导致的实验室污染问题[5]，而且难以同时得到SOM 稳定性的信息。干烧法（如CNS 元素分析仪）将样品置于无CO2的惰性气体或氧气中燃烧，再通过各种检测方式测定燃烧过程所产生的CO2量。CNS 元素分析仪等干烧法仪器由计算机控制，可以实现无人连续操作，减少操作工作量，并且分析样品快速（分析1 个样品需要几到几十分钟），但这类设备仪器比较昂贵[4]，分析成本高，也难以测定SOM 的稳定性。灼烧法指在350～1 000 ℃灼烧已经除去吸湿水的土样，利用灼烧前后的质量差来测定SOM 含量。传统的灼烧法测定简便，不需要对样品进行前处理，也不使用化学试剂，消除了由化学试剂引起的SOM 变异和污染问题，适合大量样品测定，但测定时间较长（几小时），也难以测定SOM 的稳定性[5]。
近年来，有些学者将热重分析（thermogravimetry，TG）和差示扫描量热分析技术（differential scanning calorimetry，DSC）应用于SOM 含量及其稳定性的研究[6-8]。TG 分析是在程序控制温度的条件下，测量物质质量与温度关系的一种技术。在升温过程中，样品发生热变化，其质量同时降低。TG 记录在程序升温过程中的温度和对应的样品质量[9]，本质上属于灼烧法。DSC 分析是在程序控制温度的条件下，测量样品与参比物的功率差与温度关系的一种技术[9]。在加热过程中，样品发生物理或化学变化，同时伴随热量释放或吸收，DSC 曲线通过反映吸（放）热峰出现的温度段、峰高和峰面积等定量表征热焓的动态变化及相关特征。因此，DSC 反映样品在热反应过程中的能量变化，TG 则表征了在热反应中样品的质量变化，可以定量计算物质的成分。热分析技术具有简单、快捷、信息量大和结果重现性好等优点[9]，所用的坩埚可以重复利用，单个样品的测定成本较低，在关于SOM 的研究中具有很大潜力[10]。有研究指出，相对于简单的SOM 含量指标，DSC 分析结果对农田管理措施更加敏感[11]。
SOM 的热稳定性指SOM 分子抵抗热分解的能力，与其化学组成和结构有关[12]。研究表明，不同种类的SOM 具有不同的热稳定性[6]，而且SOM 的热稳定性和生物活性间存在很强的相关性[13]。Leinweber 和Schulten[14]对团聚体中SOM 热特性的研究指出，与大团聚体相比，小团聚体的放热峰温度更高。热分析也被用于探讨不同土地利用方式对土壤有机无机复合体热特性的影响[7]。
本文探讨利用热分析技术分析水稻土土体和团聚体中SOM 含量及稳定性的可行性。通过与元素分析仪测得的SOM 含量的比较，明确热分析技术测定结果的误差；同时，通过与SOM 的化学稳定性和生物稳定性的比较，确定表征SOM 热稳定性的合理指标，为利用热分析技术研究SOM 提供理论依据和参考。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
供试土壤样品采自位于湖南省宁乡县（28°07′N、112°18′E）的稻麦三熟覆盖施肥长期定位试验。土壤为第四纪红壤上发育的水稻土（属潴育性亚类，沙河泥土属，沙河泥土种），成土母质为河流冲积物，高岭石为主要黏土矿物。土壤质地为粉黏壤，pH 值为6.6，阳离子交换量为12.57 cmol/kg，有机碳质量分数为1.937%。
1.2 试验设计
长期定位试验开始于1986 年，种植制度为早稻—晚稻—紫云英一年三熟，1993 年后改为早稻—晚稻—大麦。试验共设5 个处理：1）无肥（CK），即不施用任何肥料；2）单施化肥（CF），每年N、P、K 肥施用量分别为460、44 和160 kg/hm2；3） 秸秆还田+ 化肥（RCF），每年施用3.18 ×104 kg/hm2 风干稻草（N、P、K 质量分数分别为0.91%、0.13%和1.89%），每年N 肥和P 肥施用量分别为379 和36 kg/hm2， 不施用K 肥；4）30% 有机肥+ 化肥（LMCF），3.18×104 kg/hm2 湿猪粪（N、P、K 质量分数分别为0.461%、0.175%和0.332%），每年N、P 和K 肥施用量分别为314、30 和62 kg/hm2；5）60%有机肥+化肥（hMCF），6.36×104 kg/hm2 湿猪粪，N 肥和P 肥施用量分别为163和36 kg/hm2，不施用K 肥。其中，N 肥为碳铵+尿素，P肥为普通过磷酸钙，K 肥为氯化钾。除CK 外，各处理的纯N 施用总量一致。作物插秧或播种之前施肥，猪粪和化肥撒施，人工翻入土壤后平整土地，然后播种或插秧。秸秆在作物插秧时撒在水面。小区面积为66.7 m2，设3 个重复。
1.3 采样方法及样品处理
2009 年5 月大麦收获后从0～10 cm 土层采集土壤样品。样品风干后，用湿筛法分离不同粒级土壤团聚体[15]。具体步骤是：将土壤样品置于自上而下分别为2、0.25 和0.05 mm 的套筛顶端，用去离子水快速湿润土样，保持湿润5 min，然后垂直上下振荡10 min，约25 次/min，上下移动垂直距离约5 cm，将各级筛上保留的团聚体分别转移到铝盒中，在60 ℃下烘干至恒质量。
1.4 热分析方法
1.4.1 热重分析法
TG 分析利用NETSCH 209-F3 TG 分析仪（德国耐驰仪器制造有限公司）完成。该设备升温范围为室温～1 000 ℃，配备气密性热重微量电子天平，最大称量为2 g。土体和团聚体样品的用量约为20～30 mg。测定条件如下：Al2O3坩埚，温度范围为室温~700 ℃，升温速率为5 ℃/min（完成单个样品大约需要135 min），保护气为70 mL/min N2，吹扫
气为20 mL/min N2。
1.4.2 差视扫描量热法
DSC 分析利用NETSCH 200-F3 DSC 分析仪（德国耐驰仪器制造有限公司）完成。该设备控制温度范围为-170～600 ℃。土体和团聚体样品的用量约为20～30 mg。测定条件如下：Al 坩埚，温度范围为室温~500 ℃，升温速率为5 ℃/min（完成单个样品大约需要95 min），保护气为70 mL/min N2，吹扫气为20 mL/min N2。
1.5 热分析数据处理
根据DSC 曲线判断样品在加热过程中发生一定热变化所对应的温度范围。同时将TG曲线上各点对加热时间进行一次微分，得到热重微分曲线（derivatives of thermogravimetry，DTG），即dm/dt 曲线（m 为质量，t 为时间），反映样品在加热过程中质量损失速率的动态变化。根据微分曲线的定义，DTG 的极值点即为TG 曲线的拐点，即DTG 曲线的峰（谷）对应土样质量损失速率最快（慢）的温度点，一般与DSC 曲线中能量变化的峰（谷）相对应。将DSC 曲线和DTG 曲线相结合，可以进一步确定不同热变化所对应的温度段，并根据TG 曲线得到在确定温度段内土壤质量的变化。利用热分析技术测定SOM 含量时，结合DTG、DSC曲线特征和文献中SOM 分解温度的报道[16]，确定SOM 分解的温度段，并将此温度段的TG 质量损失量作为SOM含量。
依据DTG 和DSC 曲线中吸放热峰的位置，本研究将TG 曲线按照温度范围分为3 段[16]，即室温~200、＞200～350
和＞350～550 ℃。其中，＞200～350 ℃温度段的质量损失量（Exo1）和＞350～550 ℃温度段的质量损失（Exo2），分别代表热稳定性不同的2 类SOM（即热易分解SOM 和热难分解SOM）的含量。Exot 为Exo1 和Exo2 之和，是热分析方法测定的SOM 含量。采用热易分解SOM 含量与总SOM 含量的比值（Exo1/Exot）和SOM 分解一半时的温度（TG-T50）来表征SOM 的热稳定性[7， 13， 16]。
为衡量热分析技术的可行性，利用元素分析仪（VarioMax CNS，Elementar，Hanau，Germany）同时测定样品有机碳含量，并将测定值乘以校正系数1.724 得到SOM 含量[17-18]。
方差分析和相关性分析用SPSS16.0 完成。不同处理和不同粒级之间DTG 峰值、SOM 含量和稳定性的显著性分析在P＜0.1 水平，平均值比较采用Duncan 法。根据热分析和元素分析仪测定的SOM 含量间的线性关系，对热分析测定的SOM 含量进行校正，并用均方根误差（rootmean square error，RMSE）评价校正效果。
2 结果与分析
2.1 热分析曲线基本特征
图1 为各施肥处理下土体和4 个粒级团聚体在40～500 ℃内的DSC 曲线。所有样品的能量释放量均为负值，说明在加热过程中样品以吸热反应为主。这是因为本研究以N2作为吹扫气，SOM 在惰性气氛中加热，缺少氧化剂氧化，表现为吸热分解反应。另外，不同粒级团聚体在加热过程中表现出相同的能量变化趋势、近似的极值点温度和拐点温度；随着度升高，样品吸收的能量呈现先逐渐增加、然后逐渐降低、然后再升高、再降低的趋势，大约在60 ℃时达到第1 个峰值，约为0.09～0.14 mW/mg，280 ℃左右达到最低值，约为0.06～0.10 mW/mg，至450 ℃时达到第2 个最高值，约为0.12～0.17 mW/mg，表明所有样品的DSC 曲线具有良好的一致性。
图2 为各施肥处理下土体和4 个粒级团聚体在40～700 ℃内的TG 曲线。所有样品的TG 曲线具有相同的变化趋势，即随着温度升高，样品质量呈逐渐降低的趋势，在40～700 ℃范围内的质量损失率大约为5%～11%。
图3 为各施肥处理下土体和4 个粒级团聚体在40～700 ℃内的DTG 曲线。所有样品的质量损失速率在加热过程中表现出相同的变化趋势、近似的极值点温度和拐点温度；随着温度升高，样品失质量速率出现先增加后降低的3 次起伏，失质量速率的3 个峰值变化在0.06%/min～0.18%/min，分别出现在60、280 和450 ℃，2 个最小值约为0.01%/min～0.12%/min，分别出现在200 和380 ℃。另外，DSC 曲线的峰与DTG 曲线的谷呈现很好的对应关系，表明土壤样品的热反应强度与TG 质量损失速率存在高度一致性。
在DTG 曲线上，样品在加热过程中出现的3 个较明显的吸热峰与吸附水的挥发和SOM 的分解有关。其中，0～200 ℃范围内的吸热峰是由与矿物和SOM 所结合的吸附水挥发而产生[19]。当加热温度超过200 ℃后，样品中的水分全部挥发，SOM 开始分解。在200～350 和350～550 ℃的2 个吸热锋（峰值分别为280 和450 ℃）对应TG 曲线上2个明显的质量损失区域，主要是由样品中2 类热稳定性不同的SOM 受热分解所引起。一类为热易分解的SOM，在较低温度下吸热分解；一类为腐殖化程度较高、热稳定性较强的SOM，在较高温度下分解。
在本研究中，DTG 曲线上SOM 吸热反应的特征温度与前人关于土体SOM 分解温度的结论基本一致。有研究指出，在200～500 ℃ SOM 有2 个放热峰，分别反映腐殖化程度较低的糖、脂类等碳水化合物和腐殖化程度较高的芳香族类化合物的分解和燃烧所引起的变化[20-22]。大量研究表明，SOM 中化合键的类型是决定其受热分解温度的关键因素：具有芳香结构的物质（如木质素和多元酚）有较高的分解温度，大约在400～450℃；而具有糖类和酯类结构的有机物分解温度较低，大约在300～350℃[23-25]。Provenzano和Senesi[26]结合DSC 和红外光谱学技术也揭示了腐殖质在加热过程中的化学变化，即250 ℃左右对应脱羧基反应，500 ℃左右对应去芳香环的化学变化。
图4 为各施肥处理下土体和4 个粒级团聚体中热易分解SOM 和热难分解SOM 的DTG 曲线峰值。热易分解SOM和热难分解SOM 质量损失速率的峰值变化范围分别为0.06%/min～0.16%/min 和0.10%/min～0.18%/min。总的来看，热难分解SOM 的峰值高于对应热易分解SOM 的峰值，但各施肥处理和团聚体粒级间的变化趋势一致：除＞0.05～0.25 mm 粒级团聚体外，有机肥和化肥配施处理的DTG 峰值均高于不施肥和单施化肥处理，而高有机肥配施化肥和低有机肥配施化肥处理间、不施肥与单施化肥处理间的差异不明显。＞0.05～0.25mm 粒级团聚体的情况比较复杂：与不施肥和化肥处理比较，高有机肥配施化肥和秸秆还田提高了热易分解SOM 的DTG 峰值，但对热难分解SOM 的影响不显著。
2.2 热分析技术测定SOM 含量
2.2.1 热分析技术和元素分析法比较
研究表明，在200～550 ℃范围内，TG 质量损失主要由SOM 的受热分解引起[10， 22]。因此，本研究选取此温度范围内TG 的质量损失量作为样品SOM 含量。总的来看，热分析法得到的土体和团聚体中SOM 质量分数范围为4%～8%，而元素分析仪得到的SOM 质量分数范围约为3%～6%，二者平均相差约2.10 百分点。进一步对2 种方法测得的结果进行相关分析指出，二者存在极显著线性相关（P=0）（图5），相关系数r 为0.88，线性方程的斜率为1，截距为2.10。有研究表明，热重法测定的SOM 浓度与Walkley-Black 法测得SOM 浓度呈显著线性回归[27]。
由热分析法和元素分析仪测定的SOM 含量间的系统性差异可能与2 种技术的原理和试验条件的不同有关。首先，由于土壤组成和结构的复杂性，热分析技术在加热过程中存在多种复杂的热效应，对SOM 含量的测定可能产生干扰。例如，在200～350 ℃范围内，可能存在一些紧结合水挥发引起的质量损失；除SOM 外，一些土壤矿物在加热过程中也可能产生分解，导致结果高估[28]，如三水铝矿在250 ℃分解，高岭石在400～600 ℃分解产生水。其次，土壤有机碳和SOM 间的换算系数也可能会造成SOM 含量的低估。一般认为，SOM 中的碳元素质量分数平均约为58%，因此使用1.724 将有机碳含量换算为SOM 含量。但也有研究指出，此换算系数对于许多土壤可能偏低，选择1.9~2.0 和2.5 分别作为表层土壤和底层土壤的换算系数效果更好[29]。另外，无机碳在干旱半干旱土壤中广泛分布[30]，若供试样品为碱性土壤，热分析技术测定SOM 含量应当进一步排除土壤无机碳的干扰。因此，需要进一步开展相关研究，明确2 种方法的误差来源并定量化。
由于热分析技术和元素分析仪所测得SOM 含量的线性方程的斜率约为1.0，截距为2.10，因此在实际应用中，可以用热分析测得的SOM 质量百分数值减去2.10%的方法，对热分析结果进行校正。在本研究中，利用该参数（2.10%）对周天真[31]测定的SOM 含量数据进行校正表明，校正前RMSE 高达1.92，而校正后RMSE 降低为0.32（样本量为24）。显然，校正后的热分析数据提供了较为准确的SOM 含量。
与传统的化学氧化法和元素分析法相比较，热分析方法简单快速，不需要进行样品前处理。因此，在大规模测定SOM 含量方面具有很大潜力。
2.2.2 热分析技术分析SOM 含量
对于同一施肥处理，TG 测得的各粒级团聚体SOM 含量间存在显著差异（图6，用不同大写字母表示）。其中，＞2、＞0.25～2 和≤0.05 mm 团聚体SOM 含量显著高于＞0.05～0.25 mm 团聚体和土体。由于＞0.25～2 mm 团聚体SOM 含量高，而且是优势粒级（＞0.25～2 mm 团聚体占土壤总质量的43%～70%），可以认为在供试土壤中该粒级团聚体是容纳和保护SOM 的最主要空间。Zhou 等对红壤性水稻土有机碳固持特征的研究表明，与不施肥比较，有机肥混施化肥处理下水稻土有机碳的累积仅与Fe/Al-OC 含量呈比例增加[32]。他们指出，对于较大粒级团聚体（＞0.2～2 mm），有机碳通过与Fe/Al 氢氧化物黏结形成Fe/Al-OC，增加了有机碳的化学稳定性，是水稻土有机碳固持的主要机制。
对于同一粒级团聚体和土体，TG 测得的SOM 含量对长期施肥处理存在显著差异（图6，用不同小写字母表示） 。对于相同粒级的团聚体，处理间SOM 含量表现出hMCF≥LMCF≥RCF≥CF≥CK 的规律（除＞0.05～0.25 mm粒级团聚体外）。与不施肥处理，有机肥配施化肥处理和秸秆配施化肥处理显著提高了土体和团聚体中的SOM 含量。但高有机肥配施化肥和低有机肥配施化肥之间差异不显著。另外，单施化肥与不施肥处理间的差异亦不显著。因此，有机肥配施化肥是提高土体和团聚体中SOM 含量的有效措施，秸秆还田配施化肥处理也具有一定的效果，单施化肥的效果则不太明显。这些结果与前人利用传统分析方法得到的关于有机肥和化肥混施促进土壤和团聚体中SOM 积累，单施化肥在提高SOM 方面效果有限的结论一致[33-34]。
2.3 利用热分析技术分析样品中SOM 热稳定性
SOM 的热稳定性指土壤在受热条件下，SOM 抵抗分解的能力[13]。SOM 的热稳定性不仅决定于SOM 的类型和结构，而且与SOM 和矿物间的结合程度有关[25]。本研究中，用热易分解SOM 占总SOM 比例（Exo1/Exot）和SOM分解一半时的温度（TG-T50） 来反映SOM 的热稳定性。Exo1/Exot 比值越大，SOM 的热稳定性越低；TG-T50越高，SOM 的热稳定性也越高[7， 13， 16]。图7 为各施肥处理下土体和团聚体的Exo1/Exot 和TG-T50。
对于同一粒级团聚体或土体，Exo1/Exot 和TG-T50在施肥处理间存在显著差异（图7，用不同小写字母表示）。除＞2 mm 团聚体外，各粒级团聚体和土体中CK 和CF 处理的TG-T50高于hMCF、LMCF 以及RCF 处理，而Exo1/Exot 则表现出CK 和CF 处理略低于hMCF、LMCF 以及RCF 处理的趋势。这些结果表明，CK 和CF 处理的SOM热稳定性高于hMCF、LMCF 及RCF 处理，与Leifeld 等[10] 的研究结果一致，即农田SOM 的消耗有助于提高SOM 的稳定性。这是因为秸秆还田和有机肥处理添加的主要是热稳定性较低的新鲜SOM，这些SOM 结构简单、腐殖化程度较低；而无肥和单施化肥的处理由于缺少新鲜SOM 投入，SOM 腐殖化程度较高，相应的SOM热稳定性也较高。
分析Exo1/Exot 和TG-T50 结果，尽管各粒级团聚体和土体存在一定差异，但各施肥处理没有一致的规律（图7，用不同大写字母表示）。Gao 等[35]观测到在保护性耕作体系中，随着团聚体粒级增大，SOM 热稳定性降低。他们认为，根据团聚体形成模型[36]，大团聚体由微团聚体结合新鲜SOM 形成，具有较快的周转周期，表现出较低的热稳定性；而更小的团聚体周转周期较慢，SOM 与矿物质结合较为紧密，结构更加稳定，表现出更高的热稳定性。本研究结果并未显示上述规律，可能与土壤类型和性质有关。本研究采用的是湖南水稻土，在酸性土壤中SOM 的固定与有机质的投入量、土壤Fe/Al 等多种因素有关[32]，因此，酸性土壤SOM 热稳定性的机理较碱性土可能更为复杂。
Exo1/Exot 的变化趋势与TG-T50正好相反，二者呈极显著负相关，相关系数r 为-0.95（图8），表明Exo1/Exot 和TG-T50所表征的SOM 热稳定性具有高度的一致性。
进一步对Exo1/Exot 和TG-T50在各施肥处理和团聚体中SOM 热稳定性差异显著性比较指出，各施肥处理的TG-T50在＞2 mm 粒级团聚体中差异不显著，而Exo1/Exot则在全部粒级团聚体及土体中均存在显著差异；不同粒级团聚体的TG-T50在CK 和CF 2 个处理中不存在显著差异，而不同粒级团聚体的Exo1/Exot 仅在CK 处理中不存在显著差异。这些结果表明，与TG-T50相比，Exo1/Exot 对SOM 热稳定性更为敏感，用该指标评价SOM 的热稳定性可能更为合理。不少研究证实，SOM 的热稳定性和化学稳定性、生物稳定性之间存在一定关系。Peltre 等[37]证实土壤呼吸速率与Exo345-460和TG-T50呈显著相关；Plante 等[3]指出，热水溶性SOM、土壤呼吸速率和SOM 的热稳定性呈显著相关，即SOM 的热稳定性和其化学稳定性、生物稳定性具有一致性。基于本研究所在田间试验的土壤，罗璐[38]采用傅立叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR） 分析了不同施肥处理下表层土壤碳水化合物、烷烃类以及芳香类SOM 的吸光度，郝晓晖[39]分析了胡富比和土壤呼吸等指标。他们的结果指出，土壤中脂肪族、芳香族、碳水化合物的含量呈现LMCF≥hMCF≥RCF>CF≥CK 的趋势，土壤基础呼吸和微生物代谢熵qCO2的变化趋势为：LMCF≥hMCF>RCF≥CF≥CK，即有机肥和秸秆还田使SOM 的化学稳定性和生物稳定性降低。显然，这些研究中的SOM 化学稳定性和生物稳定性与本研究中的SOM 热稳定性在处理间的变化趋势具有良好的一致性。表1 是本研究中的SOM 热稳定性指标（Exo1/Exot 和TG-T50
） 与这些文献中报道的SOM 化学稳定性指标和生物稳定性指标的相关分析结果。可以看出，Exo1/Exot 与碳水化合物、烷烃类、芳香族的FTIR 吸光度，以及土壤基础呼吸和微生物代谢熵qCO2具有显著的正相关（表1），TG-T50与上述指标存在负相关关系，但相关性未达到显著水平。考虑到SOM 的化学稳定性指标（碳水化合物、烷烃及芳香类有机物的含量）和生物稳定性指标（土壤呼吸速率和微生物代谢熵qCO2）等指标测定复杂，费时费力，而热分析方法测定Exo1/Exot 的过程简单、快捷且信息量大，热分析方法可以在一定程度上替代化学和生物学方法来探讨SOM 的稳定性及机理。
3 结论
本研究对红壤上发育的水稻土进行了热分析研究，结果表明：
1）该土壤中存在2 类热稳定性不同的SOM，分别在200～350 和350～550 ℃的温度范围内吸热分解；
2）热分析技术测定的SOM 含量与元素分析法的结果存在显著的线性相关，线性方程的斜率为1，截距为2.10。将热分析方法测定的SOM 质量分数减去2.10%，即可得到与元素分析法的结果一致的SOM 质量分数；
3）Exo1/Exot 和TG-T50都能够表征SOM 的热稳定性，且具有高度的一致性，但Exo1/Exot 对SOM 的热稳定性更加敏感；
4）SOM 热稳定性与化学稳定性、生物稳定性存在良好的一致性；
5）长期有机肥和化肥配施显著提高了土体及各粒级团聚体的SOM 含量，秸秆还田也具有较好的效果，但单施化肥无明显效果；＞0.25～2 mm 粒级的团聚体是贮藏SOM的优势粒级，其次为＞2 和≤0.05 mm 的团聚体；
6）对于同一粒级团聚体，单施化肥和不施肥下土体及团聚体中SOM 的热稳定性较高，高有机肥和化肥配施以及秸秆还田下SOM 的热稳定性则较低；与＞0.05～0.25 mm和≤0.05 mm 的团聚体比较，大团聚体（＞2 mm 和＞0.25-2mm）中新鲜SOM 较高，因而热稳定性较低。
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