土壤有机质及其环境意义

土壤有机质－－土壤中除碳酸盐和二氧化碳以外的各种含碳化合物的总称。由未分解和半分解的生物残体和腐殖质构成。

地表各类土壤有机质含量变化幅度很大 ，从低于0.1％至几乎100％，但多数在5％以下。某些沼泽土、泥炭土或高山土壤，其表层有机质含量在20％以上或更高，称有机质土壤。土壤中有机质的存在，有助于提高土温、增强保水保肥性和缓冲性，为植物提供大量有效养分；还可与进入土壤中的化学农药结合，影响农药的生物活性、持续性和淋溶状况等。

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由于土壤有机质是影响土壤可持续利用Z重要的物质基础，碳、氮循环和截获的研究已经成为相关领域的前沿研究课题。在农田生态系统中，作物通过光合作用固定CO 2并转化出相当数量的植物残体和分泌物（包括动物残体及排泄物）；后者进入土壤，在土壤动物和微生物的作用下完成分解、转化、合成等一系列过程。植物残体（包括动物残体）以及土壤自身的有机质在土壤中的分解是一个生物化学过程，通过这个过程，碳以CO 2的形式归还到大气中；而氮、磷、硫和微量元素以无机的形态释放到土壤中，供高等植物利用；部分养分被土壤微生物同化为微生物生物量，参与土壤微生物的快速周转过程。在植物残体微生物分解过程中，虽然大部分的碳以CO 2形式释放到空气中，但是 14 C标记的研究表明，植物残体进入土壤一年后，约有三分之一的碳被土壤截获，在土壤中构成复杂的土壤有机碳库。这种截获过程与有机质的腐殖化过程密切相关，而腐殖化过程形成土壤有机质，腐殖化系数决定土壤碳截获的效率。有机碳的截获和矿化（以CO 2的形式排放到大气，或以可溶性形态从土壤淋失）是两个相反的过程，两者都受到土壤内有机质转化循环过程的制约。土壤有机质的矿化和腐殖化过程对于土壤碳循环同样重要：没有矿化过程，土壤有机质中的养分不能释放并被植物利用；若没有腐殖化过程，有机质不能在土壤中截获积累。缺少其中任何一个过程，土壤碳循环都不能实现，两个过程的相对速率对于土壤有机质的动态变化至关重要。可见，处理好土壤有机质积累和消耗的关系，是农业土壤碳循环研究中的重要任务。

农田生态系统氮循环在某些环节上与碳循环相伴存在并具有相似之处，碳氮循环相互影响、相互促进。土壤氮的循环过程是氮素不断进行生物、生物化学、化学、物理、物理化学变化的过程，也是不断进行氮素形态变化的过程，这些过程主要有生物固氮过程、化学固氮过程、矿化－生物固持过程、硝化过程、反硝化过程、挥发与淋失过程、共侵蚀和径流损失过程等。但是氮循环的重要环节在于氮素养分的固定、有效化和损失过程，特点是微生物作用下的生物化学过程。虽然磷和硫也是土壤有机质的组成成分，也参与土壤碳氮循环的生物化学过程，但是磷和硫的纯化学转化循环占有更重要的地位，磷和硫在农田系统中的循环是生物地球化学循环的一部分。与农田生态系统中碳氮及其它养分循环同等重要。水循环影响作物的生长、养分转化循环、有效性及损失，在干旱和半干旱地区，农田生态系统的水循环往往成为整个系统物质循环的制约因素。气候，特别是温度，是影响土壤物质转化循环的外因，对土壤物质平衡起重要作用。农业管理是影响土壤物质转化循环的另一个重要因素，它可以改变土壤物质循环过程和强度，Z终影响养分循环效率以及平衡水平，决定农田生态系统的可持续利用能力。

土壤有机质是土壤系统的基础物质，影响土壤的物理、化学性质，并通过所提供的C、N源控制微生物活性，从而在土壤肥力中发挥着重要的作用，良好的土壤的物理、化学和生物学性质以及土壤的生产力都与土壤有机质的含量和特性密切相关。农田土壤中有机碳的储量和特性影响系统的质量和功能。从农田土壤可持续利用的角度出发，如何提高农田土壤有机碳的截获具有理论和实践的双重意义。土壤有机质库的形态和特性不仅与土壤碳氮的转化和循环过程密切相关，同时也和其它养分的转化循环以及水分的循环密不可分。土壤有机碳库的化学稳定机制，以及相对应的化学或形态分级成为重要的研究课题。因为不同的有机碳库组成不同，性质不同，分解和转化的时间不同，有机质的稳定性和质量也不同。从土壤养分循环、有机质的积累和作物残留物管理对环境质量和土壤生产力的影响的角度出发，我们更关心土壤有机质的转化过程以及有机碳库在土壤中的周转速率和滞留时间。土壤有机碳各组分的转化过程和存留时间有较大差异，所以根据土壤有机碳稳定性和转化时间的差异，可把土壤有机质分为活性的(易变的)和稳定的组分。一般认为，活性的组分包括植物残留物、轻组分、微生物生物量、动物生物量及其排泄物、其它非腐殖物质等，其分解速度快，转化周期通常为几周到几个月的时间。稳定组分是指矿化速率很低的土壤腐殖质部分，在土壤中能保存几年、几十年，或更长时间。因此，土壤有机质可分为5个库：易分解植物残体、难分解植物残体、土壤生物量、物理稳定有机质、化学稳定有机质。这些有机碳库的半分解时间分别为0 17年、2 3年、1 7年、50年和2000年。土壤有机氮的转化过程和稳定机制与有机碳相似，可分为四个库：微生物生物量、活性非微生物生物量、稳定有机N和"老化"有机氮；半分解时间分别为0.5年、1.5年、27年和600年。在CENTURY模型中，根据木质素和氮的比例，植物残体被划分为植物残体代谢碳和结构碳，土壤有机质划分为活性碳、“慢分解”土壤碳和非活性碳共5个库，相应的平均滞留时间为0.1～1年、1～5年、1～5年、20～40年和200～1500年。

土壤有机质本身的化学组成和结构是导致土壤有机碳库组分稳定性不同的原因之一。结构复杂、性质稳定的某些有机质如土壤腐殖质，抵抗土壤微生物分解的能力显著高于其它结构简单、活性较强的有机质，因而具有更高的稳定性。但大量研究表明，土壤有机碳的稳定性并不单一地取决于土壤有机质的化学组成的差异，其它方面的许多因素都能影响土壤有机碳的稳定性。如在物理稳定机制中，土壤有机质的存在状态(是游离态或结合态)、在土壤中的分布物理位置(大团聚体、微团聚体内或外)和颗粒大小等；与土壤有机质相关的很多土壤物理、化学、生物化学过程，如团聚体形成与分解过程(aggregation formation/degradation)、土壤有机质的吸附与解吸过程(adsorption/desorption)、土壤有机质的聚合与复合过程(condensation/complexation)等也都能影响土壤有机碳的稳定性。目前一般认为，土壤有机质的稳定性机制主要有三种，即化学稳定性(chemical stabilization)、物理稳定性(physical stabilization)和生物化学稳定性(biochemical stabilization)机制(图1)。虽然这些有机碳库的划分理论上看似合理，但它们的存在至今还不能很好地被实验证明。因为有关土壤有机碳、氮转化过程和去向信息至今仍知之甚少，主要是缺少合适有效的实验分析方法来鉴定土壤内在有机碳、氮的起源和滞留时间。

因此，深入研究土壤有机质的转化过程将有助于掌握土壤物质循环的本质。有机碳、氮的转化、循环和截获是由一系列复杂生物和生物化学过程决定的，生物是这些过程的主导因素。如果能够揭示土壤有机质生物化学转化过程及其机制，就可以定向调控这些生态过程，进而达到优化土壤功能的目的。虽然土壤中一切生物和生物化学过程都是在微生物的参与下完成的，不过由于微生物类群的复杂性、数量的易变性和测定结果的不稳定性，采用微生物本身作为土壤生态过程的指示物质具有不确定性。然而，可以选择具有一定稳定性的微生物来源物质来表征土壤微生物的作用，从而探讨土壤有机物质的动态变化机制。这些对土壤生物和生物化学过程具有指示作用的微生物来源物质被称为微生物标识物（Microbial Biomarker）。目前探索研究的标识物有氨基糖、氨基酸手性异构体、类脂等。分析评价这些微生物标识物已经成为土壤生物化学过程研究中一种很有效的工具。这种分析和评价能够使我们确认在某些条件下，土壤"固有或内在"有机碳的转化过程是有助于土壤碳氮的积累，还是促进土壤碳氮的消耗。只有掌握影响土壤有机质转化的因素和条件，我们才有可能调控土壤有机质的微生物转化过程，进而调控有机碳的截获，优化土壤的功能

氮素在土壤中的转化过程决定氮素的吸收利用，因此研究氮素GX利用的理论基础是氮素在土壤中转化过程及其调控原理。目前氮素在土壤中的转化和去向已成为研究的焦点之一。研究表明，无机氮在土壤中可迅速转化，转化途径是多方面的。以NH + 4－N为例，转化过程包括硝化、反硝化和微生物固定。硝化和反硝化作用可导致氮素的损失；而微生物固定是一个更重要的同化过程，可降低氮素的损失。微生物固定的氮存在于活性的有机库中，活性库中的有机氮具有易变特性，因而比非活性库中的有机氮更容易分解矿化；活性库中的氮化合物参与土壤氮快速循环。因此，活性有机氮库处在不断转化更新中，而这种转化更新过程影响土壤氮素的供应。我们用稳定同位素示踪研究发现，虽然土壤中无机氮的转化途径是多方面的，施到土壤中的无机氮素可快速转化成某种形态有机氮，新形成的这种有机氮包被在土壤矿物-有机复合体或团聚体的表面，具有较高的活性和循环速率，所以在特定条件下，这种有机态氮又会矿化释放出无机态氮，因而这种有机态氮处于不断转化循环之中，这种特殊的有机态氮就构成土壤有效氮的暂存“过渡库”（图2）。过渡库对土壤有效氮的循环和供应具有调节作用，因而影响土壤无机氮素或肥料氮的利用率。土壤有效氮过渡库的概念给我们一个重要的启示，氮肥利用率的高低与土壤功能密切相关，而土壤功能影响土壤对氮素的调控能力。土壤中无机氮素的微生物同化固定受土壤有效碳源的控制，提高土壤有效碳源的含量可促进土壤氮素的同化作用。对比研究不同农业生态系统发现，输入高量有机物料的土壤系统中，活性碳库明显大于单施化肥的土壤系统。高输入有机物料的土壤系统由于微生物活性的增强，氮素供应能力随之增强。但是，土壤有效碳源如何控制土壤氮素的转化过程，以及不同特性的碳源对土壤氮素过渡库的影响，还有待进一步研究。