以腐殖质为主要成分的土壤有机质占土壤固相组成的2%~8%,是土壤中养分元素的承载者、微生物活动的驱动者以及矿质转化的调节者,对于土壤功能的发挥起着关键作用。在19世纪初,德国土壤学者Döbereiner和Sprengel就提出“humicacids”概念。有学者利用碱提取和酸沉淀的方法将土壤有机质分成富里酸、胡敏酸以及高度缩合、惰性的胡敏素等不同组分。随后,基于不同类型植物残体的培养研究,发现木质素分解与腐殖酸积累显著相关,由此提出了腐殖质的木质素形成理论,认为土壤有机质主要来自于植物残体。1994年,Stevenson总结了腐殖质的定义,指出腐殖质是未指明、转化的、深色、不均匀、无定形的高分子物质,成为几十年来土壤学及相关学科对腐殖质分子结构认识的主流观点。腐殖质形成过程和木质素来源理论,近年来得到了13C核磁共振和高分辨质谱证据的支持。现代分析技术的进步有力推动了土壤有机质的研究。21世纪初,Lehmann等人和Myneni等人利用扫描透射X射线显微技术对土壤有机质原位分析,发现土壤有机质分子组成复杂,在纳米尺度上存在异质性,暗示土壤中可能并不存在所谓的“腐殖质”大分子。此外,扫描电子显微镜在土壤颗粒表面观察到大量微生物残体,1H核磁共振也指出腐殖质主要由微生物来源的生物分子组成。基于这些实验证据,Lehmann和Kleber提出了土壤有机质连续体的概念模型.他们认为土壤有机质只存在连续分解的过程,有机质的稳定不受分子结构控制,而受矿物吸附、团聚作用的影响。这一学说向传统腐殖质理论发起了挑战,认为碱提取的土壤芳香化合物可能是人为操作产物。这一观点的提出促使人们重新审视土壤有机质的来源和结构,对土壤有机质本质的认识也逐渐从笼统的腐殖质大分子向明确的植物、微生物残体过渡。

土壤有机质来源的争议

长期以来,土壤学家认为,土壤有机质是由植物残体在土壤微生物的分解、合成作用下形成,微生物推动着植物来源的有机质在土壤中的循环和转化。基于土壤微生物生物量碳仅占土壤总有机碳的5%以下,过去主流的观点普遍认为,植物来源的有机质主导了土壤碳库的组成。但是,土壤有机质的来源一直存在很大的不确定性。在1925年,Waksman指出了土壤腐殖质的微生物来源本质。近年来,越来越多的研究显示,微生物对土壤有机质积累的作用和贡献被极大地低估。吸收马尔科夫链计算表明,土壤微生物残体的有机碳储量可高达活体有机碳的40倍。利用氨基糖生物标志物计算发现,温带地区草地、农田和林地土壤微生物源碳占土壤总有机碳的比例分别为62%、56%和33%。最近,对60多个土壤总氨基糖的数据总结发现,微生物源碳在大团聚体中较多,占总有机碳的47.2%,而在粉黏粒中为38.6%。Miltner等人利用扫描电子显微镜,在土壤颗粒表面原位观察到大量微生物残体碳的存在。这些研究明确了土壤有机质的微生物来源,认为微生物残体是土壤有机质积累的主要驱动因素。此外,从分子结构的角度,NMR实验证据支持了土壤有机质大部分直接来源于微生物残体的观点。早在1981年,基于固相13C-NMR分析土壤有机碳的结果显示,土壤有机质分子以烷基碳为主,而传统认为含量丰富的芳香碳仅占土壤总有机碳的15%~37%,对传统腐殖质芳香结构的认识提出了挑战。随后,利用1H-NMR的研究发现,土壤可提取腐殖质中微生物来源组分的贡献可达50%以上,同时土壤中高于80%的氮来源于微生物。综合多相NMR(CMP-NMR)对原位状态下土壤固液界面有机质分布的分析发现,土壤有机质主要由降解的生物大分子组成,脂和糖类的极性端暴露在土水界面,而木质素和微生物残体位于有机质层的内部。此外,越来越多研究证明,土壤腐殖质并不是稳定不变的,而是受到土壤生物等因素的调控。

总结与展望

当前土壤有机质的来源、结构和稳定性等重大科学问题仍未得到充分解决。土壤有机质, 尤其是难以提取部分有机质的分子量大小仍不清楚; 植物、微生物等不同来源有机质在土壤中的相对比例有待量化; 土壤生物、非生物过程对有机质形成和稳定的贡献还不明确; 原位条件下有机质的时空分布特征及其稳定性还缺乏实验证据。未来应加强以下几个方面的研究。

(2)多方法联合解析土壤有机质分子量及聚合方式。

(3)量化植物、微生物残体等对土壤有机质积累的贡献。目前土壤有机质来源的定量分析主要根据土壤氨基糖和木质素酚含量,结合植物、细菌和真菌体内相应物质的比例,按照简单的换算系数获得。标志物的提取效率、不同类型生物分子周转时间的差异,以及土壤微生物群落组成均会影响结果的准确性。未来,一方面需要加强现有生物标志物方法的研究,通过提高标志物的提取效率、明确不同类型生物分子的周转速率,以获取准确的转化系数,提高方法的可靠性。另一方面,需要通过氨基糖、木质素酚、脂类、蛋白、DNA和中性糖等多种标志物同步分析,生物标志物-质谱技术联合表征,在尽可能查清不同类型有机分子来源的条件下,综合研判、准确评估土壤有机质微生物、植物等不同来源的相对贡献。同时,在不同生态系统和尺度下,利用生物标志物、宏基因组等研究手段,量化不同类型土壤生物,如微生物、病毒、土壤动物及其互作网络在有机质转化、积累中的作用和贡献。最终破解土壤有机质植物与微生物起源之争。

(4)发展高空间及化学分辨原位表征技术。近年来对土壤有机质的新认知很大一部分来源于空间分辨50nm左右的扫描透射X射线显微及近边结构技术。这一技术可以获得土壤颗粒中植物、微生物残体、黑炭等不同类型有机质的斑块状分布特征,但是仍不能回答单分子尺度下矿物表面有机质吸附的结构,以及有机-有机分子之间的聚合机制。原子力-红外、冷冻电子显微镜-电子能量损失谱技术可在亚纳米、纳米空间分辨下同时采集形貌和矿物-有机质组成的化学信息。目前这些原位分析方法的应用还较少,尤其缺乏原位条件下土壤矿物表面有机碳结构及分布的实验研究。这些原位显微技术的应用有望进一步揭示土壤有机质的空间分布及化学结构。

(5)加强土壤组分互作耦合界面有机质动态过程研究。土壤有机质的积累是在植物、微生物、矿物多种因素共同作用下完成的。尤其是氧化还原界面上,活性铁、锰氧化铁的催化作用,自由基对有机质的分解和聚合有着不可忽视的影响。仅通过对土壤有机质及有机-矿物复合体的表征,并不能很好地回答有机质形成过程及不同因子对有机碳积累的贡献。未来应重点考察活性矿物-微生物多组分界面互作对有机碳合成、分解以及生物-非生物聚合等过程的影响。发展多组分互作界面实时观测技术,如微流控和土壤芯片技术,揭示土壤活性矿物-有机质-微生物耦合界面有机质的分解及固定机制。

(6)持续推进土壤有机质模型与模拟研究。

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