导 读

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。

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文/汪景宽 徐英德 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)

来源:土壤学报

土壤有机质是土壤质量的核心，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。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。增加土壤有机质的含量和稳定性已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，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。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，例如经典的有机质形成理论--腐殖化过程便受到了一些新研究结果的质疑。土壤有机质和微生物的时空分布均具有非常强的异质性，并受很多环境因素和人为因素的影响。传统研究的精度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结果而忽略实际的有机质变化过程，尤其是微生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。但到目前为止，大量研究都集中在微生物对有机质分解矿化的影响，而较少关注到微生物代谢过程在土壤有机质形成过程中的作用。近年来，随着同位素示踪、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。在Kononova利用酸、碱浸提的方法提取出土壤腐殖质后，腐殖质被看作是土壤有机碳的主要承载者，并且土壤学界逐渐形成了土壤有机质形成的经典腐殖化理论。

该理论认为植物残体完成向土壤有机质的转化必须经过腐殖化过程--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(腐殖质)。长期以来，腐殖质的概念及腐殖化理论已经在各种文献和教科书中广泛存在，被广大土壤科学工作者认可并沿用至今。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:(1)提取方法还存在争议:提取腐殖质过程中加入的碱液会改变土壤的电离环境，使有机质氧化而改变了自身结构与化学组成，可能已不能客观代表土壤中真实存在的有机质。(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。因此，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。(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是腐殖质相关研究的难点。近年来，核磁共振等技术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:不仅形成腐殖质的来源物质众说纷纭，而且微生物在腐殖化过程中的作用尚未形成统一观点，目前存在微生物合成学说、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尚无定论。