【温故知新·土壤篇】土壤有机质的氧化

土壤有机质是土壤的有机部分,通常不包括土壤中植物的根、未腐烂的大型土壤动物和植物残体。土壤有机质为植物生长提供营养，提高阳离子交换能力从而维持土壤肥力，并能改善土壤结构。近来，为了解释土壤以有机质形式沉积碳的潜力，人们对土壤有机质进行了广泛的研究。

估算的全球土壤有机碳库的范围在700 Pg C（Bolin，1970）~3150 PgC（Sabine et al.,2003）。尽管文献中普遍接受的全球土壤有机碳库的值在1500 Pg C左右，但最近的一个对土壤有机碳库所作的修订提出土壤有机碳库的值为3150Pg C，其中包括永久冻土和深层土壤中的有机碳。这个值约为植物总碳库的5倍。在一个特定的生态系统中，土壤有机碳随几个因素改变。从更大的空间尺度来看，气候因素如温度和降雨量，在影响土壤有机碳中发挥重要作用，它们是通过调控活生物量的输入和返还到大气的呼吸作用来影响土壤有机碳的。

土壤有机质由腐殖化和非腐殖化的物质构成。非腐殖化物质是植物、动物及微生物的有机残留物，它们已经变得不能再识别出原来的样子。非腐殖化物质通常可占到土壤有机质的20%。其余80%或更多的土壤有机质是腐殖化物质（即腐殖质），是通过次生合成反应形成的。当凋落物发生生物化学变化时，微生物合成了另外的化合物，其中的一部分是通过化学反应或酶促反应进行聚合或缩合。腐殖质形成的一个关键机制可能是通过酶催化或自氧化聚合反应，反应过程中有酚类化合物参与。

腐殖质是复杂的混合物，构成该混合物的化学成分具有高度不规则的结构和丰富的芳香环。因此，土壤有机质一般具有网状的三维结构，外面覆被着矿物颗粒，并可以通过电化学反应与黏土及土壤中金属氧化物结合在一起。土壤有机质和黏土矿物可以进行非酶促反应生成更为复杂的化合物，这些复杂的化合物更难以分解。腐殖质的碳含量约为58%，氮含量从3%~6%，因而C:N为10~20。

根据形成年龄和化学组成，土壤有机质可分为几类。尽管大部分土壤有机质因受到物理、化学和/或生物化学的保护而比较稳定，不易被分解，但也有一部分是容易分解的（图1）（Jastrow & Miller，1997；Six et al.,2002）。物理保护是因为土壤团聚体减少了土壤有机质的化学成分与微生物、酶或氧气的接触。化学保护发生在有机物质通过阳离子键直接或间接地与矿物质发生联系的时候。生物化学保护是通过浓缩反应和聚合反应生成有机大分子而起到保护作用。因为有机体不能充分利用有机大分子或者缺乏降解有机大分子的酶，所以有机大分子很难被降解。因而，当胞外酶不能轻易降解腐殖质的不规律结构时，腐殖质往往会在土壤中积累（Oads，1989）。

图1 使用可测量的库表示土壤有机碳过程的概念模型

注：经Plant andSoil的允许重绘（Six et al.,2002）。

有机质的分解包括许多复杂的过程，如有机质化学成分变化、物理性破碎和矿质元素的释放。在理化变化的不同阶段有很多土壤生物，如微生物、蚯蚓、小型节肢动物、蚂蚁及甲壳虫，都参与了此过程。有机质的分解受到许多因素调控，包括土壤湿度、热量状况、土壤质地、基岩类型，营养状况（阳离子交换容量）、持水量、淀积作用、生物扰动速率、根系穿透阻力和能够用来支持微生物有氧呼吸的氧气的数量。这些变量往往是耦合在一起的，土壤质地能较好地代表大多数变量，土壤有机碳水平与土壤底物颗粒的大小成负相关。毁林、采伐、农业和放牧活动、生物量燃烧等干扰因素常常通过减少碳输入或增加碳释放而使土壤有机碳减少。例如，犁地常常破坏土壤结构，加速土壤有机质的分解。森林砍伐和生物量燃烧会减少土壤有机碳库的碳输入。土壤有机质由稳定的物质组成，这些物质的分解速率为每年5%或者更少，视气候情况而定。土壤温度的增加通常有利于腐殖质的分解，土壤的透气性增加有利于土壤有机质的氧化分解。充足的氮供应会增加土壤有机质的分解速率。耕作带来的机械干扰同样也会促进分解。在湿地、沼泽地或滩涂等厌氧环境中，凋落物的分解大大减弱，有机残留物得以积累，最终形成了一种有机土壤--有机土。有机土通常被称为泥炭，以表明植物凋落物的分解速率很低。当把水分排干时，土壤有机质会迅速分解，释放出大量的CO2。

Wadman & deHaan（1997）测定了36种土壤在盆装条件下的有机质含量，每年测定一次，共进行了20年。这36种土壤主要取自耕地，它们的初始有机质含量从砂质土壤中的1.31%一直到开垦的泥炭土中的51%。尽管所研究的土壤类型范围广泛，但是所有土壤有机质的分解都遵循相似的模式。土壤有机质的分解随着时间而下降，可以很好地描述为：

Y(t) =b + crt

式中，Y（t）表示时间为t时的土壤中有机质含量；b是稳定库的大小；c为可分解的土壤有机质库的大小，随时间呈一阶衰减；r为相对分解速率。从这36种土壤中估算的r值在0.649 ~0.995之间，平均值为0.885，标准差为0.081。

（知识分享于《土壤呼吸与环境》（高等教育出版社-Yiqi Luo等著））

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