1、Comment l1: 基金项目一般不超过三个，请适当删减作者：已删减基金土壤学报植物残体向土壤有机质转化过程及其稳定机制的研究进展 汪景宽 徐徐徐 丁 凡 高晓丹 李双异 孙良杰 安婷婷 裴久渤 李 明 王 阳 张维俊 葛 壮(沈阳农业大学土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110866)摘 要 土壤有机质的数量和质量不仅是衡量土壤肥力状况的核心要素，其形成、转化及稳定过程还与全球气候变化密切相关。植物残体是土壤有机质的初始来源，但由于其腐解过程的复杂、多变性以及土壤有机质、微生物的高度异质性，植物残体向土壤有机质的转化和稳定机理尚不十分明确。本文介绍并讨论了近年来关于植物
2、残体向土壤有机质转化相关研究的新发现，探讨了微生物源和植物源有机质对土壤有机质的贡献，概述了土壤有机质形成的微生物驱动机制，并综述了植物残体输入后土壤有机质稳定性的相关研究，最后对该研究领域未来的发展进行展望，以期能够为科学地提高土壤的固碳能力提供参考。关键词 土壤有机质；腐殖质；碳循环；微生物；稳定性中图分类号 S154.1 文献标识码 A土壤有机质是土壤最为关键的属性，是土壤质量的核心，维系着土壤肥力、粮食安全、气候变化等关乎地球和人类生存发展的诸多要素。在全球尺度范围内，土壤生态系统有机质总含碳量高于大气和植被含碳量的总和 1。土壤有机质 对全球气候变化和区域环境变化十分敏感，这个巨大碳
3、库输入和输出之间的平衡发生微小的波动都会对大气碳库产生显著的源汇效应影响 2。增加土壤有机质的含量和稳定性成为国际社会广泛认可的缓解全球气候变化压力、保证农业可持续发展的重要途径 3，当前亟待解决的核心科学问题是正确认识并理解土壤有机质的形成、周转和稳定等关键过程及其影响机制。植物残体是土壤有机质的主要初始来源，在土壤微生物的介导下，经由复杂的腐解过程转化为土壤有机质而稳定存在 在土壤中经由复杂的微生物和物理化学转化过程转化为土壤有机质而稳定存在4-64 -5。植物残体向土壤有机质的转化过程是由微生物介导 4。长期以来，土壤有机质和碳循环领域的学者已做了大量工作，并取得了诸多成果，但限于土壤体
4、系的复杂性及研究手段的制约，目前对于土壤有机质的形成过程、赋存形态和稳定机理等问题仍然认知不足并存在分歧，例如经典的有机质的形成理论 腐殖化过程便受到了一些新研究结果的质疑 76。土壤有机质和微生物的时空分布均具有非常强的异质性，且并受很多环境因素和人为因素的影响 87。传统研究的精度不够，很难去定量检测碳在植物 土壤微生物之间和土壤不同有机组分之间的流动；土壤这种“黑箱”特质使大多数研究只能关注最终的结果而忽略 国家重点研发计划项目（2016YFD0200304，2017YFD0200604）和国家自然科学基金项目（41671293，41601307，41807086，41771328）资助
5、 Supported by the National Key Research and Development Program of China (Nos. 2016YFD0200304，2017YFD0200604) and the National Natural Science Foundation of China (Nos. 41671293，41601307，41807086，41771328) 作者简介：汪景宽(1963- ),男, 辽宁凤城人，博士，教授，主要从事土壤肥力研究。E-mail:j-收稿日期： 年-月-日；收到修改稿日期： 土壤学报了实际的有机质变化过程，尤其是微生
6、物在其中的枢纽作用。此外，微生物在土壤有机质周转方面存在两方面的作用：通过分解代谢促进土壤有机质的降解，同时也能通过合成代谢将土壤中可利用碳源转化为更稳定的有机质 3。但到目前为止，大量研究都集中在微生物分解代谢作用对有机质矿化的影响，而较少的关注到微生物代谢过程在土壤有机质形成过程中的作用 98-109。近年来，随着各种先进研究手段的出现，尤其是 同位素示踪、分子生物学和先进的成像观测技术在土壤学领域的快速发展，使探明植物残体在土壤中转化的生物地球化学过程，全面认识植物土壤微生物之间的相互作用关系成为可能，这对于建立科学的农田管理制度、增加陆地生态系统碳截获潜力， 、实现土壤的可持续利用意义
7、重大。基于此，本文对近年来植物残体向土壤有机质转化这一关键生物地球化学过程的研究进行了综述：总结了传统土壤有机质腐殖化理论面临的新挑战，分析了植物残体向土壤有机质转化的微生物机制及其贡献，剖析了土壤有机质的几种稳定机制假说，最后对相关研究领域的发展进行了展望。1 经典腐殖化理论的局限与新进展在陆地生态系统中，土壤有机质的形成过程具有高度复杂性，因而对该过程的认知还存在很大的分歧。最初，Kononova 110利用酸、碱浸提的方法提取出了土壤腐殖物质，并阐述土壤腐殖物质主要由一系列颜色较深褐色或暗褐色、含有具有不同分子量和大量含氧官能团、结构复杂且性质较稳定的高分子胶体物质组成，包含富里酸、胡敏
8、酸和胡敏素。此后，在土壤学界逐渐形成了土壤有机质形成的经典腐殖化理论 110，也就是植物残体完成向土壤有机质的转化必须要经过腐殖化过程 微生物合成的多酚、含氮物质、糖类物质和来自植物的木质素聚合转变成结构更复杂的高分子多聚物。长期以来，腐殖质的概念及腐殖化理论一直被广大土壤科学工作者广泛接受并沿用至今。然而，经典理论所定义的腐殖质具有非常强的复杂性和高度模糊性，传统的研究手段尚不足以对其建立较明确的“白箱”模型。纵观腐殖质相关研究的历史，其局限性和争议主要表现为以下几个方面 76, 121-143：（1）提取方法还存在争议：在腐殖质的提取过程中，加入的 NaOH 溶液会改变土壤的电离环境，致使
9、有机质易被氧气氧化，使提取出的“腐殖质”结构与化学组成发生变化 154，可能已不能客观代表土壤中真实存在的有机质腐殖物质；。 （2）提取不充分：土壤有机组分因与矿物质胶结在一起，单独分离土壤有机质的过程非常困难 76。因此，目前利用能提取出的这部分腐殖质研究所得出的结果代表整体难免会降低其可信度 143, 165-17；。 （3）腐殖质真实分子结构的困扰：明晰腐殖质的化学结构历来都是腐殖质相关研究的难点。近年来，一些先进技术手段（如核磁共振）的引入在一定程度上推动了该方面的研究，但还具有很大的局限性，不能得出较为详细的腐殖质分子结构信息；。 （4）腐殖质的形成过程不完全明确：首先腐殖质的来源不
10、明确，很多研究认为能在微生物作用下转化为酚类物质的任何碳源（如木质素、纤维素、糖类等）都会成为形成腐殖质过程中的一环 18。反之，也有研究认为土壤中的糖类、淀粉和纤维素虽在不同微生物间反复被利用，但不会参与到腐殖质的形成过程，而那些不被微生物利用的微生物死亡残体则会进入腐殖质 19；其次，微生物在腐殖化过程中的作用尚未形成统一观点，目前关于腐殖质形成虽存在多种理论假设（如有微生物合成学说、微生物多酚学说、厌氧发酵学说等多种理论假设） ，但在土壤中究竟何种有机化合物通过怎样的途径逐步转化为腐殖质还尚无定论，目前还存在分歧。一直以来，这些质疑并没有得到完美的解释，并且没有任何独立的实验能直接证明腐
11、Comment l2: 此列中的内容请加英译 作者：已添加英译土壤学报殖质是土壤中单独存在的有机组分 76。近年来，逐渐应用到土壤学领域的原位分析手段（例如 X-射线光谱显微镜等）可以对土壤进行直接观测，识别出土壤中有机物形态特征及空间变异性 176, 20。该方法为研究土壤不受扰动状态下有机质的演变提供了可能。Lehmann等 176基于同步加速近角 X-射线衍射光谱技术观测土壤微团聚体表面，并未发现与化学浸提出的腐殖物质类似的富含芳香/羧酸盐化合物的特征，而识别出的土壤有机组分多是植物或微生物体碎片。此外，Myneni 等 201也利用光谱证据证明了碱性提取物中的有机物质是以较小化合物的组
12、合形式存在。Kelleher 等 121则通过核磁共振分析得到分子混合模型，发现传统意义的土壤腐殖质在很大程度上其实是微生物、植物分子聚合物以及它们的降解产物所组成的复杂混合物。通过这些研究可以初步推断，土壤有机质实际上可能是生物小分子相互作用而形成的分子缔合物或不同大小有机碎片组成的混合物 76, 212。Lehmann 和Kleber76总结了最近的研究发现与传统土壤“腐殖质”理化特性的对比（表 1） 。表 1 土壤腐殖质理化特性的历史观点与新发现 76Table 1 Historical views and newemerging findings about the physicoch
13、emical properties of soil humus理化特性Physicochemical property历史观点Historical views新的发现Emerging findings颜色Color化学方法浸提出的腐殖质因复杂的结构组成而呈现出较深的颜色提取过程中天然色素的降解或在小分子化合物随机组成混合物的过程中导致含有共轭键分子的积累分子量 Molecular weight结构复杂，分子量很大 由小化合物组合而成 17, 201存在于土壤的时间Duration of persistence in the soil腐殖质在土壤中很稳定，因其所含的碳具有很长的同位素年龄 223
14、同位素年龄不是有机质在土壤中持久存在的有效标准，只能作为光合碳进入土壤时间节点的一种指示 234芳香性Aromaticity因腐殖质含有很多芳香环结构而具有很强的芳香性在提取物中观察到的芳环结构通常由植物和微生物产生，并包括黑色素、 ，单宁和抗生素（聚酮化合物）等 25-247在腐殖质是否真实的存在于土壤中受到广泛争论的同时，形成腐殖质的腐殖化理论自然也受到了质疑。综合目前已发表的文献来看，土壤矿物质和酶促进土壤中小分子化合物再次形成大分子的腐殖质这一过程并未在自然土壤系统中并未被证实 76；且一些关于腐殖质分解过程的研究 258-269表明，过去认为较稳定的土壤腐殖物质可以快速 的被分解。那
15、么，输入土壤中的外源有物料到底是以何种途径转化为土壤有机质？又是以何种形态存在于土壤中呢？近来，综合植物残体在土壤中腐解过程中的物理、化学保护和微生物调控作用，Lehmann等 76提出了土壤有机质连续体模型（Soil Continuum Model）的概念，即植物残体向土壤有机质的转化是从大的植物生物聚合物到小分子化合物的微生物逐级分解过程，因而土壤有机质的存在形式是从大的植物碎片到逐渐分解成的小分子化合物的连续体（图 1） 。在该模型中，外源有机物料在被微生物利用的过程中体积不断减小，热动力学梯度逐渐下降，从能量较高的化合物逐渐转化为能量较低的化合物，同时极性组分、可溶性组分和离子化组分相
16、应增加。并且，随着分子复杂程度的逐渐下降，有机化合物更易于与矿物表面结合或进入团聚体内部而增加其稳定性。当前，同样有研究者强调了腐殖化过程的存在，虽然土壤微生物可将腐殖质完全或部分分解，而与此同时也会产生新的腐殖质使有机质得以更新 18。总的来看总体而言，传统的腐殖化理论和有机质连续体模型均都认为动、植物碎片在输入土壤后，会先经过物理化学作用而破碎，进而通过胞外酶等降解成相对更小的组分，这样就利于被微生物利用而存在于土壤中。但在后续的过程中，有机质连续体模型Comment l3: 微生物生物量？作者：已修正土壤学报更多的是基于原位光谱显微技术 121, 176, 30所得到的证据进行考量，因此
17、提出了与腐殖化过程不同的理论模型。综上所述，腐殖质在传统的认识中是土壤有机碳的主要承载者，大量的研究都把腐殖质和腐殖化过程放在了很重要的地位。当前，经典的腐殖化理论已经在各种文献和教科书中广泛存在。虽然化学提取法存在很多不足，但该方法在很多学科领域中（例如农业、环境）已被广泛的采用，且通过该方法提取的腐殖质，在大量研究中均被认为是土壤有机质的实验代用品。因此，在没有足够且确凿的证据下，还不能明确地说明土壤中不存在腐殖质及腐殖化过程。在今后的研究中，一方面应继续探索腐殖质的形成机理及组成特征，并尽可能的排除人为的干扰，获得土壤真实状态下的“腐殖质” ，或者通过室内培养微生物和添加碳源的方法获取更
18、接近于土壤腐殖质的微生物产物 18；另一方面，还需利用先进的现代研究手段进一步探寻有关土壤有机质组成的实验证据，以揭示化学提取的有机物质仅仅是“碱性提取物” ，还是真实存在的“腐殖质” （图 2） 。图 1 腐殖化过程与土壤有机质连续体模型对比 76Fig. 1 Comparison between humification process and soil organic matter continuous model2 植物源和微生物源有机质对土壤有机质的贡献植物残体外源有机质输入土壤后的固定、迁移和周转和的及易变性和复杂性加剧了研究的不确定性，因此对于不同来源有机质对土壤有机质的贡献研究
19、的不确定性尚不能定论。长期以来，植物源有机质被认为是土壤有机质的主要贡献者。：植物通过光合作用将大气中的碳合成为自身有机组分，部分光合产物以凋落物、根茬等形式进入土壤分解，进而通过腐殖化作用和土壤胶体的吸附作用使这些植物源有机质贡献于土壤有机质 2731。通过碱液提取出的腐殖质含有大量芳香环，这与源自植物的木质素酚类结构相似，这也是土壤有机质的赋存以植物来源为主的早期理论的依据。此外，活体微生物生物量的库容较小（占土壤有机质的比例5%） 、周转速率较快，因此微生物源有机质对在土壤有机质库的贡献常被认为是微不足道的 109。近年来，越来越多的研究发现，微生物死亡残体在土壤中具有更长的周转时间，对
20、有Comment l4: 古菌？作者：已修正土壤学报机质长期的固持和积累意义重大 2832-348；传统认为的活体微生物 生物量并不能代表通过微生物周转而在土壤中积累的有机质总量 359。 13C核磁共振技术 被日益广泛的地被应用到对土壤不同有机组分分子组成的分析中 3640。该方法可直接测定有机质中的官能团组成，测定结果更接近土壤有机质的真实存在状态，避免了化学试剂分析所带来的有机质结构改变的干扰 36-3740。例如，Simpson 等 304通过核磁共振分析了黑钙土及相应植被的化学结构，发现土壤有机质中微生物来源的化学基团（protein/peptide）的贡献达到了 50%以上 34。
21、在此基础上，该研究还分别对土壤有机质、植物、土壤中的浸提微生物和培养微生物所含化学基团作核磁共振分析，得到土壤有机质含有更多与微生物相似的化学基团的结论。该研究虽然没有全面地分析出所有基团，也不能精确区分植物和微生物所共有的类似基团，但还是能初步证明微生物来源组分对土壤有机质的贡献量在以往的认知中是被低估的。此外，Liang等 3841利用吸收马尔科夫链（Absorbing Markov Chain）首次模拟并估算出微生物源有机质贡献的相对比例。结果显示，土壤中微生物死亡残体有机碳量是活体有机碳量的四十倍 41。此后，Miltner 等 326通过 13C示踪技术进行细菌细胞培养试验，发现添加
22、的细菌细胞中有 50%被矿化，而另外 50%则仍以活体或死亡残体的形式赋存在土壤中；同时，该研究还利用扫描电镜技术发现土壤矿物表面多是 200500 nm的有机拼接碎片（破碎的细胞壁） ，这为微生物以残体形式在土壤矿物表面固持并贡献于土壤有机质这一假设提供了直接证据 36。以上研究表明微生物在的代谢过程使得微生物细胞、细胞碎片、胞外多糖等产物在土壤矿物表面直接沉积 76。因此，微生物来源的这部分有机质在土壤中逐渐累积的作用效果对土壤有机质的贡献不容忽视。随着研究的逐渐深入，许多试验还利用微生物标识物这一新的研究手段探讨微生物残留物在土壤中的累积情况 3942（图 2） 。其中，氨基糖和膜脂质是
23、目前应用较为广泛的两种标识物。氨基糖是微生物细胞壁的关键组分，通过分析不同种类氨基糖的比例可以表明细菌与真菌对土壤有机质的相对贡献 403；而古细菌的膜脂质与真菌和细菌有所差异，因此，古细菌膜脂质也可以作为土壤及沉积物中的微生物标识物 414。目前，也有越来越多的证据表明古细菌残体在土壤中大量存在 425-46，但其具体占比目前还没有被准确评估 3640。综合众多研究来看，相对于微生物生物量，微生物残体是表征微生物源有机质对土壤有机质贡献更好的指标 326-348, 3841, 437。此外，一些报道同样证明微生物代谢产物（胞外聚合物，如酶、胞外多糖、脂类、糖蛋白）也是土壤有机质的重要来源 4
24、48-49。深层土壤有机质对全球土壤碳储量贡献超过一半 4550，但不同来源有机质的相对重要性还不清楚 51。有研究基于 13C同位素组成和各有机组分随剖面深度变化的趋势，发现在深层土壤中，微生物产物同样对土壤有机质库的贡献更大 4652。因此，关于深层土壤不同来源有机质的相对比例的研究同样应受到重视。当前，越来越多的研究趋向于一致的观点：微生物胞外聚合物以及微生物各组分共同支配着土壤稳定有机质库 2832-304，但是这些微生物代谢产物和残体的组成和降解过程还需要更深入的研究 4753。虽然目前我们尚未揭开微生物介导的固碳过程的真实面纱，但采用更高分辨率的测定方法准确的测定土壤有机质不同来源
25、的构成，并且更详细的表征微生物在土壤有机质积累及稳定过程中的作用可以显著提升我们对土壤碳循环的预测能力（图 2） 。3 植物残体向土壤有机质转化的微生物驱动机制3.1 微生物驱动机制研究手段微生物是主导、驱动外源有机物料向土壤有机质转化的引擎 4854-55；土壤微生物群落土壤学报及生活策略的差异明显影响外源有机质的存留及向土壤有机质的转化过程（输入、分配、稳定等） 。虽然到目前已针对土壤微生物做了大量研究，但每克土壤包含的数以亿万计的微生物中，尚有 99%还处于未知状态，这也成为研究其物种、功能以及土壤有机质形成关系的屏障。土壤有机质与微生物随时空变化的高度异质性和可变性使得将二者建立起联系
26、还存在一定困难 87：输入土壤碳源的组成及数量均会促使土壤微生物的活性及群落组成发生变化，而微生物的改变反过来又影响了植物残体的分解特征 132。这也就意味着土壤有机质与微生物一直处于不断相互作用与动态变化之中，使研究者很难抓住微生物的整个参与过程；同时，相同残体在具有不同土壤微生物背景的不同地点，其对微生物代谢的响应的影响也有明显差异。在传统的研究中，均一化、均质化的研究没有全面的考虑到土壤有机质碳和微生物这种微观的高度异质性。此外，受研究手段的限制，大部分传统研究并没有把研究尺度放在土壤微生物生长、代谢的微米或毫米等微环境中，往往只关注了宏观的结果而忽略了微观尺度实际的动态作用过程。近些年
27、来，稳定同位素示踪与分子生物学技术（如 DNA/RNA/PLFA-SIP、高通量测序等）被逐步引入到土壤学研究领域，其耦联分析方法为深入探究微生物在土壤有机质更新、稳定中的作用提供了重要的技术手段 4956。其中，稳定同位素探针（SIP ）为研究微生物的功能和对底物的利用提供了强有力的手段，经过 C、N 同位素标记的 PLFA、氨基糖、DNA、 RNA 等化合物为研究这个微生物代谢 “黑箱”提供了一条有效的途径 507-519。 13C可以追踪植物微生物土壤系统中的碳流并识别该过程中的关键微生物功能群。目前，急需在微生物种群结构和功能层次上对外源有机物料向土壤有机质转化的微生物作用机理开展深入
28、研究，为提高土壤有机质的形成与积累过程提供支持（图 2） 。在微观研究尺度（纳米、微米等）方面，超高分辨率显微镜成像技术与同位素示踪技术相结合的纳米二次离子质谱技术（NanoSIMS）的出现，为更精确的地明晰有机碳在土壤和微生物中的流动与分配提供了崭新的机遇 5260-5362。该技术代表着离子探针成像技术的最高水平，其空间分辨率能达到几十纳米以下，且灵敏度、离子传输效率均非常高；弥补了传统研究手段不能分析土壤基质与微生物接触的物理生物界面过程的缺陷。在具体应用过程中，需要利用稳定或放射性同位素对目标微生物进行标记，并与透射电镜（TEM） 、扫描电镜（SEM ） 、荧光原位杂交（FISH） 、
29、催化报告沉积荧光原位杂交（CARD-FISH） 、卤素原位杂交（HISH） 、X 射线能谱仪（ EDS X-ray）等耦联使用以确定参与碳循环过程的微生物种类和功能 54-5563。NanoSIMS 既能提供土壤微生物的生理、生态特性信息，也可以识别具有复杂组成的土壤样品中代谢活跃的微生物细胞及系统分类信息，从而实现有机质碳转化过程中微生物过程的原位观测和可视化，这对于从微观尺度上理解微生物对植物残体碳的转化和土壤有机质的形成这些等生物地球化学过程具有重要意义 5362-5463。3.2 微生物作用过程土壤微生物对植物残体的利用、转化过程均与自身的群落特征、活性和生理特性等过程均与其对植物残体
30、的利用、转化过程密切相关 6。土壤微生物对植物残体的利用和固持过程一般分为两个阶段：首先，微生物分解所能接触到的植物残体，并同化分解过程中所产生的部分低分子量化合物（如碳水化合物、蛋白质等） ，以满足自身的生长，在这个过程中将植物残体转化为土壤微生物生物量碳；其次，通过自身的进一步代谢将微生物生物量碳转变为微生物来源的有机质 5664。微生物在这样反复的生长 代谢过程中以代谢产物（如胞外酶、胞外多聚物、渗透物质、协同蛋白等）或残留物（如几丁质、肽聚糖等）的形式将植物残体彻底转化为土壤有机质 3, 5765。不同微生物种群的代谢产物和残留物的释放模式、种类及数量都均有所区别。而这些微生物释放出的
31、化合物也会反过来从不同的方面作用于残体碳的固持过程，例如胞外酶具有保证养分供应的作用，能破碎植物残体和微生物大分子碎屑，产物可被微生物再次利用 5866；而胞外多聚物能够起到连接微生物和底物土壤学报的作用，可促进或抑制碳的释放 5967。除微生物自身生理功能外，微生物对植物残体碳的利用及转化还受土壤环境的影响。土壤不同颗粒组成、结构等会影响微生物对植物残体底物的可接触性和可利用性 6068。被团聚体包被的有机质必须先经过团聚体破碎过程才能被微生物腐解。同样，土壤有机质与矿物质结合后，土壤中由于其化学保护作用较强，也会降低微生物接触的机会 6068-619。土壤水分含量同样会对微生物同化碳的对碳
32、的固持过程产生很大影响，水分的流动性和异质性，以及干湿交替均可以造成微生物呼吸和生物量的变化，也会影响微生物对底物的同化能力，从而引起土壤各形态含碳化合物的再分配 6270。此外，在受到外界的胁迫下，土壤微生物会同化更多的底物以满足自身生理功能的需要；同时，在不同类型的胁迫条件下，会使微生物会释放出不同的物质（如渗透物质、低温保护剂等）以提高自身的适应性，在满足自身压力耐受性的同时，也调节了对残体碳的利用及转化速率 6371。当前，在全球气候变暖的大背景下，也在一定程度上促进了微生物的活性和群落演化，并增加植物残体的输入量，从而加速有机质周转，形成全球升温的正反馈。最近，Liang 等 3,
33、109提出土壤微生物对土壤有机质形成和转化的作用包含体外修饰（ex vivo Modifcation）和体内周转（in vivo Turnover）两个方面。其中体外修饰作用指植物残体输入土壤后，不易被微生物利用的组分会经过胞外酶的分解转化过程，而最终还不能被微生物利用的植物源碳则在土壤中沉积（即植物源有机质贡献于土壤有机质的途径）3；同时，易于被微生物利用的有机组分会进入由不同种类微生物组成的“微生物碳泵”（Microbial Carbon Pump） ，并通过细胞摄取生物合成 细胞生长细胞死亡的途径转化为微生物源有机质（即微生物源有机质贡献于土壤有机质的途径） 3。由于土壤微生物周转速率快
34、、生长周期短，经过周而复始的世代繁衍和同化过程导致不同活性和数量的微生物残留物在土壤中迭代持续累积（即续埋效应，Entombing Effect） 3841。因此，体内周转过程成为植物残体向土壤有机质转化、累积和稳定的重要途径。该碳泵的概念同时强调了植物源有机质和微生物源有机质在土壤中的形成和累积过程 98, 3841，对深入了解植物残体在土壤中的转化及不同来源有机质对土壤有机质的相对贡献提供了新的思路技术支撑。在此基础上，我们还需要详细地确定微生物碳的利用效率（微生物将可利用的基质碳转化为微生物合成产物的效率） 72，并将该方面的研究更多地纳入建模工作 6473，以期更全面地了解各来源有机质
35、的形成过程及贡献。土壤学报图 2 土壤有机质形成及来源的研究模式Fig. 2 Research methodes of soil organic matter formation process4 土壤有机质（碳）的稳定性外源有机质和土壤有机质在土壤中受到微生物的驱动转化的同时，也保持了自身存在的相对稳定性，使土壤保持了一定的有机质存量。一般来说而言，土壤有机质的稳定性指的是指有机质在当前条件下抵抗干扰以及恢复到原有水平的能力。土壤有机质是有机碳的赋存场所，而土壤有机碳是有机质的化学量度和核心组成元素，二者关系密切、不可分割；土壤有机质的稳定性在很多方面也是通过有机碳的稳定性来表征，因此本文将
36、二者进行统一，综合考量。长期以来，学者们对于外源有机质输入土壤后土壤有机质（碳）的稳定性研究一方面通过探讨腐殖质的组成来反映新、老有机质的转化和稳定，另一方面通过“新碳”与“老碳”自身化学组成及不同结合、保护状态来研究土壤有机质（碳）的稳定性。由于土壤有机质（碳）的稳定性取决于众多因素的相互作用并随不同时空尺度而异，其真实的稳定机制还不能完全明晰。但毫无疑问，增加土壤有机质（碳）的稳定性无疑对增加土壤肥力、提高土壤碳截获潜力以及应对全球气候变暖意义重大。4.1 有机质（碳）化学组成及分子结构能否解释有机质（碳）长期稳定性？一直以来，输入土壤植物残体的化学组成和土壤有机碳的分子结构对酶和微生物的
37、抗性，即有机碳的抗降解性，被认为是决定其在土壤中固存时间的重要因素。通常，植物残体中的碳水化合物和蛋白质类物质被认为在土壤中最先分解，而一些难分解组分（例如木质素、具有烷基结构的碳等）则在土壤中富集并在微生物的作用下转化缩合成难分解的腐殖质而长期存在 6574。因此，木质素、烷基碳或芳香碳等有机组分或分子结构的多寡被用来表征土壤有机质（碳）的稳定性 132, 6675。然而，近些年随着碳稳定同位素示踪技术的发展，一些新的研究得出很多冲击以往“固有思维”的结果 132, 212, 6776-6878。Xu 等 6979和Wang 等 7080等均研究表明，输入土壤的不同品质植物残体只在分解初期才
38、具有不同的降解速率，而在后期则无明显差异，这暗示着植物残体自身的抗降解机制可能只在有机质分解初期起作用 6979, 81，但其在土壤中固定的长期稳定性似乎并非受自身分子结构影响。也有研究认为在有机质分解后期和下层土壤中，主要是粘黏粒粒的吸附和团聚体的闭蓄作用主导有机质的稳定 165。随着研究的深入，一些学者部分报道指出木质素、黑炭和腐殖质等结构稳定的有机质一些被普遍认为分子结构稳定的有机质（碳） （例如木质素、黑炭、腐殖质等）在土壤中也能拥有较快的周转速率 82-7183，冲击了传统认知。有研究显示 木质素这种苯基丙烷类高聚物在土壤中更易分解 82, 7284，而一些活性有机碳（糖类、蛋白质等
39、）反而可能在土壤中固存数十年之久 143, 2832。Klotzbcher 等 6777通过探究输入土壤植物残体中木质素的分解与CO2 的释放关系后表明，一旦条件适宜，木质素便会被快速降解，这可能是细菌和真菌在初级代谢和次级代谢等不同阶段相互配合的结果。黑炭因具有高度浓缩的稠环芳香结构而被视为最难降解的有机质。然而，近期研究表明新鲜有机质的添加会加速黑炭的分解 212。此外，有报道检测到河流溶解碳中存在较高的黑炭来源的有机碳含量，印证了黑炭在一定程度上是容易被氧化降解的 7183。而对于腐殖质，疏水性和氢键被认为是其稳定性的主要机制 6878， 。但其稳定性是相对的；：环境条件的改变、简单有机
40、分子在腐殖质结构中的穿插等均有可能破坏其稳定结构 132, 212。再加之目前关于腐殖质分子结构及其形成过程的多种猜想和不确定性，也直接导致其稳定机制的真实性受到了很大质疑。土壤学报以上表明综上，土壤中任何形态的有机质（碳）均有可能被分解，而土壤有机质（碳）的稳定性可能更大程度上是受其它其他因素的调控（例如与矿物质的结合、团聚体的保护、微生物利用等） 。但到目前为止，关于有机质（碳）的分子结构稳定性的研究仍然不足，且对于不同有机组分（例如木质素、黑炭、腐殖质等）具体的降解条件及机制还不清楚。4.2 物理、化学保护与微生物代谢的共同作用前文提及许多研究认为传统理论中的一些稳定土壤有机组分均有可能
41、较快的分解，换言之，土壤中的所有有机质均能被微生物利用，只是看这些有机质能否顺利的接触到微生物（即空间不可接近性）以及周围的环境条件是否适宜于微生物的分解。近些年，对于土壤有机质在团聚体尺度的物理、化学和生物学的研究，中逐步认识到土壤有机质（碳）库的保护与稳定机制的多样性及差异性。土壤对有机质（碳）的化学保护作用主要指土壤无机分子与有机分子之间的相互作用而使有机质（碳）难以被微生物利用。其中，粘黏土矿物和金属氧化物是有机质（碳）结合的主要载体 619。有机质（碳）以多种物理、化学形式（例如配位交换、氢键、阳离子键桥、络合、范德华力等）与土壤矿物的结合被视为土壤有机质（碳）最重要的稳定机制 61
42、9, 7385。土壤矿物的化学保护作用因矿物类型、理化性质和有机质（碳）性质的不同而异。通常，粘黏土矿物比表面积和带电量越大，对土壤有机质（碳）的吸附强度也更强。但比表面积不能绝对解释粘黏土矿物固持有机质（碳）的能力，还要考虑其它他它多价阳离子、铁铝氧化物的协同作用。铁铝氧化物是土壤中含量较高且氧化还原性质活跃的物质，具有巨大的表面积和大量的表面电荷，主要通过配位体交换和静电作用吸附有机质（碳） 7486。有报道指出，水合金属氧化物可以同时和粘黏土矿物、有机质结合，形成粘黏土 金属氧化物有机质复合体 7587，因而在考虑化学保护机制时应充分考虑粘黏土矿物和金属氧化物的相互作用以及土壤环境中的金
43、属阳离子的影响。从有机质（碳）种类看，来源于植物及衍生的芳香碳主要富集在土壤的粗粒级组分 2832，而主要 通过微生物产生的烷基碳与羰氧烷基碳则主要分布在黏、粉粒组分 7688。这表明植物来源碳和微生物来源碳与土壤矿物结合的机制存在差异，而积累在更细粒级部分的微生物代谢产物可能具有更长的驻留时间。此外，矿物表面的“吸附位点”也是有限的，吸附态的有机质（碳）一般呈层状结构，与矿物表面距离越近的也就越稳定，而已被吸附的有机质（碳）会影响矿物的吸附能力。土壤粘黏土矿物和铁铝氧化物含量越高，土壤对有机质（碳）的饱和吸附量也就越高 7789。土壤团聚体是土壤有机质（碳）主要的赋存场所，可以通过自身的物理
44、保护作用将有机质（碳）包被起来，从而免受微生物的分解，增加土壤有机质（碳）的稳定性 7890，因而团聚体保护能力和容量是土壤固碳潜力的物理基础。不同粒级团聚体保护有机质（碳）的机制和效果均不同：大团聚体虽然能包裹更多的有机质（碳） ，但微团聚体中有机质（碳）结构不易遭到破坏且周转周期更长 212。目前普遍认为新输入的有机质促进大团聚体形成，而微生物和植物的碎屑形成微团聚体的核，降解程度更高、体积更小的“老”有机质（碳）则封存于黏、粉粒中 7991。该理论符合 Lehmann 和 Kleber 等 76的有机质连续体模型 6。团聚体对有机质（碳）的物理保护与团聚体的形成发育过程密切相关 8092
45、，研究土壤团聚体的形成机理对了解其物理保护作用至关重要。植物残体输入后为土壤团聚体的形成提供了胶结物质，大幅提高了微生物活性，在促进土壤颗粒团聚化过程中也提高了自身稳定性。因此，土壤表层的有机质（碳）稳定性可能更依附于团聚体的物理保护。但团聚体对有机质（碳）的物理保护存在饱和点，因此掌握有机质输入输出平衡十分必要。总之，团聚体对有机碳的保护既包含对颗粒有机碳的包被（即隔离作用） ，也包含团聚体中有机无机复合体的结合（即吸附作用） ，这因不同级别（或尺度）团聚体而异，因此土壤团聚体的物理保护和土壤矿物的化学保护是相辅相成的，还受制于微生物的接触与分解，这也增加了团聚体物理保护机制研究的复杂性。土
46、壤学报微生物对有机质（碳）稳定性的影响是多方面的：既能通过分解作用将土壤中稳定有机质矿化，也能通过同化作用将土壤中的可利用碳源以代谢产物的形式贡献于土壤有机质，还能通过影响团聚体的周转、土壤黏粘粒矿物形成而间接作用于土壤有机质（碳）稳定性。由于土壤微生物存在“多重身份” ，以往研究较少从微生物自身角度探讨有机质（碳）稳定机制。土壤微生物在长期的繁衍、进化过程中已经具有了分解各类型有机组分的能力，只不过在分解过程中会优先选择更易分解的物质，但这并不代表其它其他抗分解能力更强的有机质不能被微生物矿化 165。因此，微生物的降解能力是影响土壤有机质（碳）稳定存在的重要因素，不仅决定着植物残体在土壤中
47、的分解与残留，也会改变土壤原有机质的分解速率（例如激发效应，priming effect） 8193。有研究发现，植物残体添加后产生的这种激发效应所损失的土壤“老碳”数量可能还会超过形成的“新碳” 8294-95，最终导致土壤有机碳的净损失。土壤微生物对有机质的利用因不同生活史策略而异，K 策略微生物（例如真菌）主要分解较难降解的有机质，r 策略微生物（例如细菌）则偏好利用一些活性有机质8396。K 策略微生物虽然对有机质的利用速度缓慢但利用效率较高。此外，微生物在土壤中的分布因土壤结构及微环境的制约而具有较高的空间异质性；这种空间异质性一方面导致了微生物的多样性，另一方面使微生物与有机质（碳
48、）的可接触性因空间而异 132。而这些均显著影响着有机质（碳）的生物稳定性。另一方面，微生物也是某些稳定有机质形成的驱动者，换言之，微生物的同化是外源有机质在土壤中稳定固存的关键。如前所述，土壤微生物的死亡残体、代谢残留物、分泌的多聚化合物等都均属于较难分解的有机质 165。不同土壤生物群落对土壤稳定有机质（碳）库的贡献有所差异，K 策略微生物生物体更难分解，对土壤稳定有机质库的贡献值也更高 403。鉴于微生物在分解和合成有机质这两方面的作用，有必要评估并权衡土壤有机质积累和生物分解过程之间的平衡，以达到植物残体归还的最大固碳效益。综上，土壤有机质（碳）的稳定机制是团聚体的物理保护土壤矿物的结合微生物代谢过程相互作用、相互依存的结果。除这些“内在机制”外，土壤有机质（碳）的稳定性还依赖于诸多环境因子的作用，如冻融作用、干湿交替、火烧和人为的耕作和施肥等 132。这些环境因素与土壤自身的性质相辅相成，共同作用于土壤有机质（碳）的稳定性，从而也大大增加了对其研究的难度和复杂程度。5 总结和展望植物残体在土壤中的腐解过程调控着土壤有机质（碳）的化学组成和空间分布。了解并定量土壤有机质的化学起源和赋存状态有助于明晰土壤碳汇潜力。近年来，以同位素示踪、分子生物学和高分辨率成像等为代表的一批新的研究手段被应用到土壤学领域，突破
