土壤矿物对土壤有机质的吸附与固定机制及影响因素研究进展-土壤学报.DOC

土壤矿物对有机质的吸附与固定机制研究进展( 王 磊 应蓉蓉 石佳奇 龙 涛? 林玉锁 （1 环境保护部南京环境科学研究所，南京 210042） （2国家环境保护土壤环境管理与污染控制重点实验室，南京 210042） 摘 要 鉴于土壤有机质在生态系统及碳储存方面的重要性，关于土壤矿物对土壤有机质的吸附与固定机理方面的研究越来越受到了学术界的广泛关注。本文综述了近年来报道较多的土壤矿物对土壤有机质的吸附机制，以及主要影响因素。在众多矿物类型中，水合铁、铝氧化物及粘土矿物对有机质的吸附性较强，配体交换、络合、氢键、阳离子桥接、缩合及范德华力作用是土壤矿物与有机质之间的主要作用机制。土壤pH是影响矿物表面电荷及吸附位点的关键因素，进而影响矿物对有机质的吸附。土壤矿物表面的有机质含量对其继续吸附有机质具有一定的影响。吸附态有机质大多呈层状结构，越接近矿物表面的有机质与土壤矿物的结合越紧密。土壤有机质的稳定性受有机质与矿物间的作用力影响，一般来说，以化学键合吸附在矿物表面的有机质最稳定，其次为直接与矿物表面作用的电子“供体-受体”机制，范德华力和静电作用稳定性较差。近年来，随着分析设备和技术的进步，一些新的表征与探测方法（如热重分析、差示扫描量热法、傅里叶转换红外光谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜、扫描透射X射线显微镜、中子散射技术等）被用于“矿物-有机质”结合机制的研究中，这些新的手段毫无疑问会帮助更好的认识矿物与有机质间的作用机理。关于微生物在矿物吸附有机质、“矿物-有机质”复合体形成和演化过程中所起的作用，研究相对较少，但很明显，这种的作用是至关重要的。 关键词 土壤有机质；土壤矿物；吸附及固定；作用机制；“矿物-有机质”复合体 中图分类号 X53；X131.3 文献标识码 土壤有机质是陆地碳元素的主要存在形式，是陆地有机碳最大的汇，土壤有机质中的碳含量比全部空气和植物中碳元素含量的总和还要多，据报道，土壤中约储存了1.46×1016Kg的有机碳[1]。诚然，土壤有机质在生态系统，环境保护及全球碳储存与循环中重要性不言而喻。近年来，关于土壤矿物对土壤有机质的吸附与固定机理方面的研究受到了学术界的广泛关注[2-10]。矿物类型及矿物的物理化学性质均被证明会对矿物与有机质之间的作用机理造成不同程度影响[11-15]。 土壤有机质与土壤矿物是土壤的重要组成成分，也是土壤中化学性质最活跃的两种组分，二者密不可分。土壤矿物按成因可以分为原生矿物和次生矿物，但化学性质活泼且对土壤性质影响较大的主要为次生矿物[12,14]。相较于土壤矿物，土壤有机质来源更广，成分更加复杂。腐殖质是土壤有机质存在的主要形态类型，占土壤有机质总量的85%~90%，因此土壤有机质大多指土壤腐殖质。从溶解性上可以将腐殖质分为腐殖酸、富里酸及胡敏素，其中，腐殖酸及富里酸溶解性较好，是可溶性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）的主要成分，而胡敏素不可溶。由于腐殖酸和富里酸具有一定的溶解性，因此两者是土壤有机质在土壤及地下水中迁移的主要方式。 表层与深层土壤有机质的组成区别主要在于其来源。表层土壤有机质受季节、土地利用方式、植物演替和外来有机质输入影响较大，因此，这部分有机质的差异较大，化学结构较为无序，性质不稳定。虽然表层土壤（通常指有机残落物层和淋溶层土壤上部）的有机质含量明显高于下层，但是表层土壤中的有机质有相当一部分以其生物残体及初级降解产物的形式存在，缺少一定的保护，矿化速率一般高于下部淋溶层和风化层的有机质[10-11]。吸附在矿物表面或存在于土壤团聚体内部的土壤有机质结构和形态较为稳定[3]。因此，从有机质的储存角度来说，表层土壤有机质的稳定性不如深层土壤（淋溶层和风化层）有机质。土壤有机质自土壤表层向深层次迁移的主要方式是通过上层有机质的淋溶转移。下层土壤有机质含量通常较低，因此，下层土壤对有机质的固定通常是指土壤矿物对DOM的吸附[4]。 近年来，关于土壤矿物与有机质作用机制的研究主要集中于以下四个方面：1、土壤矿物对有机质的吸附与解吸；2、矿物性质（pH、有机质含量）对吸附有机质的影响；3、吸附态有机质的结构与稳定性；4、矿物-有机质作用机制的研究方法。本文主要从以上角度对近期的研究进展进行概括与总结。 1 土壤矿物对有机质的吸附与解吸 土壤矿物对有机质的固定主要是由于土壤矿物的吸附作用，土壤矿物对土壤有机质的吸附造成了矿物表面性质的改变[16-18]。有研究表明，土壤有机质在土壤矿物表面的吸附与解吸作用是控制土壤有机质流动及生物降解的主要因素[12]。一般来说，吸附于土壤矿物表面的有机质与吸附前的有机质在性质上有较显著的差异，例如：提高了有机质的热稳定性和化学稳定性，导致有机质微结构发生重排[19-20]等。与此