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土壤有机质形成及转化

土壤有机质主要源于动植物及微生物残体，经由复杂的微生物和土壤物理化学转化过程，以不均匀混合物状态稳定存在于土壤中。有机质分子组成主要受物质输入和分解过程共同影响，包含不同分解程度的有机碎片和微生物产物。土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，是植物营养的主要来源之一，能促进植物的生长发育，改善土壤的物理性质，促进微生物和土壤生物的活动，促进土壤中营养元素的分解，提高土壤的保肥性和缓冲性的作用。它与土壤的结构性、通气性、渗透性和吸附性、缓冲性有密切的关系，通常在其他条件相同或相近的情况下，在一定含量范围内，有机质的含量与土壤肥力水平呈正相关。

一、土壤有机质的形成

土壤有机质形成过程十分复杂。首先，土壤中植物和动物碎片在输入后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，这样就适于被微生物分解利用而存在于土壤中。

1、腐殖化

早期理论认为，有机质在土壤中会经过矿化和腐殖化两种作用，最后以腐殖质的形式存在。Kononova利用酸碱浸提的方法提取出了腐殖物质，因此将土壤有机质分为胡敏酸、富里酸和胡敏素等，而后逐渐形成了土壤学经典腐殖化理论，即土壤有机质形成要经过土壤腐殖化过程，土壤有机质主要由结构上复杂而稳定的、具有特殊化学性质的物质组成。

近年来伴随观测技术的革新，研究者基于同步加速近角X-射线衍射光谱通过高分辨率显微技术观察土壤微团聚体表面，试图在土壤原位环境内找出腐殖质成分以揭示其在自然状态下的分子结构特征。研究结果发现显微镜无法观察到这类暗黑色大分子物质，取而代之的则是由可辨认的植物或微生物的微小碎屑混合形成的团块物质。说明原位土壤中的有机质主要是以小的、简单的物质存在于土壤中，土壤中的分解者将有机碎片持续分解为尺度更小的组分，最后以C02形式释放到大气中。

2、选择性保存

长期以来，植物残体一直被认为是土壤有机质形成的初始底物来源。研究者结合植物残体的相关实验开始思考其在土壤有机质形成过程中的作用，通过观察植物凋落物分解袋试验的残余成分，研究者认为分解缓慢的难分解碎屑物是促成土壤有机质形成的主要原因，这可能是选择性保存学说诞生的起因。该学说认为植物残体由易分解成分和相对顽固性成分组成，土壤内的分解者会在易分解成分利用完后才开始分解顽固性成分，残留的相对顽固性成分便堆积依次形成土壤有机质。木质素由酚类聚合物组成，是植物细胞壁的主要成分，具有相对稳定的化学特征。土壤表面的植物残体中高木质素含量通常代表分解速率下降，其残留物的保存时间和数量由此提升，进而形成更多的土壤有机质，这在分解实验中不同凋落物质量损失值的差异上得到了支持。自此，选择性保存学说将土壤有机质形成转化过程与植物残体的分解过程进行有机结合，使得土壤有机质形成转化研究开始与植物组织分解特性建立起紧密联系。然而，有研究发现木质素相较其他有机质成分并不具有显著的抵抗分解作用，同时长期分解实验中还发现土壤微生物能快速分解木质素成分，木质素分解现象实际存在于植物残体分解的全过程，根据这些结果，研究者开始认为通过木质素成分比例来评估植物残体向土壤有机质转换形成的能力，无法在实验应用中得到满意的结果。

3、微生物转化

通过对植物进行碳同位素标记，研究者发现植物残体分解的前期阶段有数量惊人的同位素碳被固定在土壤表层矿物之中，这反映了早期分解过程中植物易分解组分对土壤有机质形成有着重要作用，由此，研究人员重新审视植物残体的分解过，认为仅关注分解后期植物残留物质并不能代表植物残体参与土壤有机质形成转化的全部过程，植物残体在分解初始阶段流失的物质可能更易于形成稳定的土壤有机质。依据上述观点，微生物效率-基质稳定框架假设土壤微生物如同一个“过滤器”控制着植物残体分解转化过程，其分解程度越强，对土壤有机质形成的作用就越大，由此研究者用微生物利用效率来代表微生物对植物基质分解转化能力的高低。在该理论框架下，植物基质质量则是决定微生物利用效率的关键因素，氮成分比例大的高质量植物残体更容易受到微生物分解转化作用，进而形成更多稳定的土壤有机质。然而，也有研究者通过对土壤有机质储量的长期研究观察表明，添加高质量的凋落物对土壤稳定碳库的形成没有显著影响，进一步实验发现，高质量的凋落物甚至会提高团聚体内稳定土壤有机质的周转速率，加快土壤有机质的流失。

4、土壤结构

土壤矿物颗粒与有机成分的纠缠增强了土壤的凝聚力。研究者通过微光谱结构检验技术发现，自然环境下土壤有机质以类似补丁的形态吸附在矿物表面，其成分来源复杂，多为糖类、脂质和酚醛类等有机小分子结构。微观层面上的土壤有机质实际是由微生物生物量、植物聚合大分子及其分解产物相互繁杂混合而成，由此，土壤连续体模型提出土壤有机质的形成转化过程是在土壤物理环境和分解者共同作用下，植物残体形成连续消解的