植物殘體向土壤有機質轉化過程及其穩定機制的研究進展*

汪景寬 徐英德 丁 凡 高曉丹 李雙異 孫良杰 安婷婷 裴久渤李 明 王 陽 張維俊 葛 壯

(沈陽農業大學土地與環境學院/土肥資源高效利用國家工程實驗室，沈陽 110866)

土壤有機質是土壤質量的核心，維系著土壤肥力、糧食安全、氣候變化等關乎地球和人類生存發展的諸多要素。在全球尺度范圍內，土壤生態系統有機質總含碳量高于大氣和植被含碳量的總和[1］。土壤有機質對全球氣候變化和區域環境變化十分敏感，這個巨大碳庫輸入和輸出之間的平衡發生微小的波動都會對大氣碳庫產生顯著的源匯效應影響[2］。增加土壤有機質的含量和穩定性已成為國際社會廣泛認可的緩解全球氣候變化壓力、保證農業可持續發展的重要途徑[3］，當前亟待解決的核心科學問題是正確認識并理解土壤有機質的形成、周轉和穩定等關鍵過程及其影響機制。

植物殘體是土壤有機質的主要初始來源，在土壤微生物的介導下，經由復雜的腐解過程轉化為土壤有機質而穩定存在[4-6］。長期以來，土壤有機質和碳循環領域的學者已做了大量工作，并取得了諸多成果，但限于土壤體系的復雜性及研究手段的制約，目前對于土壤有機質的形成過程、賦存形態和穩定機理等問題仍然認知不足并存在分歧，例如經典的有機質形成理論——腐殖化過程便受到了一些新研究結果的質疑[7］。土壤有機質和微生物的時空分布均具有非常強的異質性，并受很多環境因素和人為因素的影響[8］。傳統研究的精度很難去定量檢測碳在植物—土壤—微生物之間和土壤不同有機組分之間的流動；土壤這種“黑箱”特質使大多數研究只能關注最終結果而忽略實際的有機質變化過程，尤其是微生物在其中的樞紐作用。此外，微生物在土壤有機質周轉方面存在兩方面的作用：通過分解代謝促進土壤有機質的降解，同時也能通過合成代謝將土壤中可利用碳源轉化為更穩定的有機質[3］。但到目前為止，大量研究都集中在微生物對有機質分解礦化的影響，而較少關注到微生物代謝過程在土壤有機質形成過程中的作用[9-10］。近年來，隨著同位素示蹤、分子生物學和先進的成像觀測技術在土壤學領域的快速發展，使探明植物殘體在土壤中轉化的生物地球化學過程，全面認識植物—土壤—微生物之間的相互作用關系成為可能，這對于建立科學的農田管理制度、增加陸地生態系統碳截獲潛力、實現土壤的可持續利用意義重大。

基于此，本文對近年來植物殘體向土壤有機質轉化這一關鍵生物地球化學過程的研究進行了綜述：總結了傳統腐殖化理論面臨的新挑戰，分析了植物殘體向土壤有機質轉化的微生物機制及其貢獻，剖析了土壤有機質的幾種穩定機制假說，最后對相關研究領域的發展進行了展望。

1 經典腐殖化理論的局限與新進展

在陸地生態系統中，土壤有機質的形成過程具有高度復雜性，因而對該過程的認知還存在很大的分歧。在Kononova[11］利用酸、堿浸提的方法提取出土壤腐殖質后，腐殖質被看作是土壤有機碳的主要承載者，并且土壤學界逐漸形成了土壤有機質形成的經典腐殖化理論。該理論認為植物殘體完成向土壤有機質的轉化必須經過腐殖化過程——微生物合成的多酚、含氮物質、糖類物質和來自植物的木質素聚合轉變成結構更復雜的高分子多聚物（腐殖質）。長期以來，腐殖質的概念及腐殖化理論已經在各種文獻和教科書中廣泛存在，被廣大土壤科學工作者認可并沿用至今。然而，經典理論所定義的腐殖質具有非常強的復雜性和高度模糊性，傳統的研究手段尚不足以對其建立較明確的“白箱”模型。

縱觀腐殖質相關研究的歷史，其局限性和爭議主要表現為以下幾個方面[7,12-14］：（1）提取方法還存在爭議：提取腐殖質過程中加入的堿液會改變土壤的電離環境，使有機質氧化而改變了自身結構與化學組成[15］，可能已不能客觀代表土壤中真實存在的有機質。（2）提取不充分：土壤有機組分因與礦物質膠結在一起，單獨分離土壤有機質的過程非常困難[7］。因此，利用能提取出的這部分腐殖質研究所得出的結果代表整體難免會降低其可信度[14,16-17］。（3）腐殖質真實分子結構的困擾：明晰腐殖質的化學結構歷來是腐殖質相關研究的難點。近年來，核磁共振等技術的引入在一定程度上推動了該方面的研究，但還具有很大的局限性，不能得出較為詳細的腐殖質分子結構信息。（4）腐殖質的形成過程不完全明確：不僅形成腐殖質的來源物質眾說紛紜[18-19］，而且微生物在腐殖化過程中的作用尚未形成統一觀點，目前存在微生物合成學說、微生物多酚學說、厭氧發酵學說等多種理論假設，但在土壤中究竟何種有機化合物通過怎樣的途徑逐步轉化為腐殖質尚無定論。

一直以來，這些質疑并沒有得到完美的解釋，并且沒有任何獨立的實驗能直接證明腐殖質是土壤中單獨存在的有機組分[7］。近年來，逐漸應用到土壤學領域的X-射線光譜顯微鏡等原位分析手段可以在土壤不受擾動狀態下進行直接觀測，識別出土壤中有機物形態特征及空間變異性[17］。基于該項技術，Lehmann等[17］在土壤微團聚體表面并未發現與化學浸提出的腐殖物質類似的富含芳香/羧酸鹽化合物的特征，而識別出的土壤有機組分多是植物或微生物體碎片。此外，Myneni等[20］也利用光譜證據證明了堿性提取物中的有機物質是以較小化合物的組合形式存在。Kelleher和Simpson[12］則通過核磁共振分析得到分子混合模型，發現傳統意義的土壤腐殖質在很大程度上其實是微生物、植物分子聚合物以及它們的降解產物所組成的復雜混合物。通過這些研究可以初步推斷，土壤有機質實際上可能是生物小分子相互作用而形成的分子締合物或不同大小有機碎片組成的混合物[7,21］。此外，Lehmann和Kleber[7］總結認為新的研究所定義的“有機質”（以小分子有機化合物為主）所表現出的特征同樣能夠完美解釋堿液浸提“腐殖質”具有的性質（如顏色、分子量、芳香性和氮雜環數量等）。

在土壤腐殖質概念受到廣泛爭論的同時，其形成的腐殖化過程自然也受到了質疑。植物殘體分解產生的小分子化合物再次形成大分子的腐殖質這一過程至今并未在自然土壤系統中被證實[7］；且一些研究[22-23］表明土壤腐殖質也可以擁有較快的分解速率。基于土壤有機質研究的最新成果并綜合植物殘體腐解過程中的不同保護機制，Lehmann和Kleber[7］提出了土壤有機質連續體模型（Soil Continuum Model）的概念，即植物殘體向土壤有機質的轉化是從大的植物生物聚合物到小分子化合物的微生物逐級分解過程，因而土壤有機質的存在形式是從大的植物碎片到逐漸分解成的小分子化合物的連續體（圖1）。在該模型中，外源有機物料在被微生物利用的過程中體積不斷減小，熱動力學梯度逐漸下降，而極性組分、可溶性組分和離子化組分相應增加。并且，隨著分子復雜程度的逐漸下降，有機化合物更易于與礦物表面結合或進入團聚體內部而增加其穩定性。但也有研究認為盡管土壤微生物可將腐殖質完全或部分分解，與此同時也會產生新的腐殖質使有機質得以更新[18］。總之，傳統的腐殖化理論和有機質連續體模型均承認動、植物碎片在輸入土壤后，會先經過物理化學作用而破碎，進而通過胞外酶等降解成相對更小的組分。但在后續的過程中，有機質連續體模型更多的是基于原位光譜顯微技術[12,17］所得到的證據進行考量，因此提出了與腐殖化過程不同的理論模型。

圖1 腐殖化過程與土壤有機質連續體模型對比[7］Fig. 1 Comparison between humification process and soil organic matter continuum model[7］

綜上，雖然化學提取法存在很多不足，但該方法在很多學科領域中（例如農業、環境）已被廣泛的采用，且通過該方法提取的腐殖質，在大量研究中均被認為是土壤有機質的實驗代用品。因此，在沒有足夠且確鑿的證據下，還不能否定腐殖質概念及腐殖化過程。在今后的研究中，一方面應繼續探索腐殖質的形成機理及組成特征，并盡可能排除人為的干擾，獲得土壤真實狀態下的“腐殖質”，或者通過室內培養微生物和添加碳源的方法獲取更接近于土壤腐殖質的微生物產物[18］；另一方面，還需利用先進的現代研究手段進一步探尋有關土壤有機質組成的實驗證據，以揭示化學提取的有機物質僅僅是“堿性提取物”，還是真實存在的“腐殖質”（圖2）。

2 植物源和微生物源有機質對土壤有機質的貢獻

以往大部分研究均將植物源有機質看作是土壤有機質的主要貢獻者：植物在生長—死亡的循環中不斷以凋落物、根茬等形式進入土壤分解，并通過腐殖化作用和土壤膠體的吸附作用使這些植物源有機質貢獻于土壤有機質[24］。土壤腐殖質中含有大量芳香環，與源自植物的木質素酚結構相似，這也是土壤有機質以植物來源為主的早期理論的依據[6］。此外，活體微生物生物量的庫容較?。ㄕ纪寥烙袡C質的比例＜5%）、周轉速率較快，因此微生物源有機質對土壤有機質庫的貢獻常被認為是微不足道的[10］。

越來越多的研究發現，活體微生物生物量并不能代表通過微生物周轉而在土壤中積累的有機質總量[25］；而微生物死亡殘體在土壤中具有更長的周轉時間，對有機質長期的固持和積累意義重大[26-32］，是表征微生物源有機質對土壤有機質貢獻更好的指標[30-34］。Simpson等[28］通過核磁共振分析了黑鈣土及相應植被的化學結構，發現土壤有機質中微生物來源的化學基團（protein/peptide）的貢獻達到了50%以上。該研究所應用的13C核磁共振技術可直接測定有機質中的官能團組成，避免了化學試劑對有機質結構的干擾，測定結果更接近土壤有機質的真實存在狀態[35-36］。此外，Liang等[33］利用吸收馬爾科夫鏈（Absorbing Markov Chain）首次模擬并估算出微生物源有機質貢獻的相對比例；結果顯示，土壤中微生物死亡殘體有機碳量是活體有機碳量的四十倍。此后，Miltner等[30］利用掃描電鏡技術發現土壤礦物表面多是200～500 nm的有機拼接碎片（破碎的細胞壁），這為微生物以殘體形式在土壤礦物表面直接沉積并貢獻于土壤有機質這一假設提供了直接證據。以上研究表明微生物來源的這部分有機質在土壤中逐漸累積的作用效果不容忽視。

隨著研究的逐漸深入，微生物標識物這一新的研究手段被用來探討微生物殘留物在土壤中的累積情況（圖2）。越來越多的研究通過微生物標識物技術認識到微生物殘體對土壤有機質庫的重要貢獻[37］。其中，氨基糖和膜脂質是目前應用較為廣泛的兩種標識物。氨基糖是微生物細胞壁的關鍵組分，通過分析不同種類氨基糖的比例可以得出細菌與真菌對土壤有機質的相對貢獻[38］；而古菌的膜脂質與真菌、細菌有所差異，也可以作為土壤中的微生物標識物[39］。目前，也有越來越多的證據表明古菌殘體也在土壤中大量存在[40］。還有一些報道同樣證明微生物代謝產物（胞外聚合物，如酶、胞外多糖、脂類、糖蛋白）也是土壤有機質的重要來源[41］。

盡管微生物胞外聚合物和微生物各組分對土壤穩定有機質庫的支配作用逐漸被重視[26-28］，但是這些微生物代謝產物和殘體的組成和降解過程還需要更深入的研究[42］。雖然目前尚未揭開微生物介導的固碳過程的真實面紗，但采用更高分辨率的測定方法準確測定土壤有機質不同來源的構成，并且更詳細表征微生物在土壤有機質積累及穩定過程中的作用可以顯著提升我們對土壤碳循環的預測能力（圖2）。

3 植物殘體向土壤有機質轉化的微生物驅動機制

3.1 微生物驅動機制研究手段

微生物是主導、驅動植物殘體向土壤有機質轉化的引擎[43］；土壤微生物群落及生活策略的差異明顯影響外源有機質的分配和存留。當前，每克土壤包含的數以億萬計的微生物中，尚有99%還處于未知狀態，這也成為研究其物種、功能以及土壤有機質形成關系的屏障。土壤有機質與微生物隨時空變化的高度異質性和可變性使得將二者建立起聯系還存在一定困難[8］：輸入土壤碳源的組成及數量均會促使土壤微生物的活性及群落組成發生變化，而微生物的演變反過來又會影響植物殘體的腐解[13］。這意味著土壤有機質與微生物一直處于不斷相互作用與動態變化之中，使研究者很難抓住微生物的整個參與過程。在傳統的研究中，均一化、均質化的研究沒有全面考慮到土壤有機質和微生物的高度異質性。此外，受研究手段的限制，大部分研究并沒有把研究尺度放在土壤微生物生長、代謝的微米或毫米等微環境中，往往只關注了宏觀的結果而忽略了微觀尺度實際的動態作用過程。

近年，穩定同位素示蹤與分子生物學技術（如DNA/RNA/PLFA-SIP、高通量測序等）被逐步引入到土壤學研究領域，其耦聯分析方法為深入探究微生物在土壤有機質更新、穩定中的作用提供了重要的技術手段[44］。其中，穩定同位素探針（SIP）為研究微生物的功能和對底物的利用提供了強有力的手段，經過碳同位素標記的PLFA、氨基糖、DNA、RNA等化合物為研究這個微生物代謝“黑箱”提供了一條有效的途徑[45-46］。13C可以追蹤植物—微生物—土壤系統中的碳流并識別該過程中的關鍵微生物功能群（圖2）。

在微觀研究尺度（納米、微米等）方面，超高分辨率顯微鏡成像技術與同位素示蹤技術相結合的納米二次離子質譜技術（NanoSIMS）的出現，為實現有機質轉化過程中微生物過程的原位觀測和可視化提供了嶄新的機遇[47-48］。該技術能將研究的空間分辨率將到幾十納米以下，彌補了傳統研究手段不能分析土壤基質與微生物接觸的物理—生物界面過程的缺陷。在具體應用過程中，需要利用穩定或放射性同位素對目標微生物進行標記，并與透射電鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）、熒光原位雜交（FISH）、催化報告沉積熒光原位雜交（CARD-FISH）、鹵素原位雜交（HISH）、X射線能譜儀（EDS X-ray）等耦聯使用以確定參與碳循環過程的微生物種類和功能[49-50］。NanoSIMS既能提供土壤微生物的生理、生態特性信息，也可以識別具有復雜組成的土壤樣品中代謝活躍的微生物細胞及系統分類信息，這對于從微觀尺度上理解微生物對植物殘體的轉化和土壤有機質的形成等生物地球化學過程具有重要意義[48-49］。

圖2 土壤有機質形成及來源的研究模式Fig. 2 Research mode of soil organic matter formation process

3.2 微生物作用過程

土壤微生物對植物殘體的利用、轉化過程均與自身的群落特征、活性和生理特性密切相關[6］。土壤微生物對植物殘體的利用和固持過程一般分為兩個階段：首先，微生物分解所接觸到的植物殘體，并同化分解過程中所產生的部分低分子量化合物（如碳水化合物、蛋白質等）以滿足自身的生長，在這個過程中將植物殘體轉化為土壤微生物量碳；其次，通過自身的進一步代謝將微生物量碳轉變為微生物來源的有機質[51］。微生物在這樣反復的生長—代謝過程中不斷以代謝產物（如胞外酶、胞外多聚物等）或殘留物（如幾丁質、肽聚糖等）的形式將植物殘體徹底轉化為土壤有機質[3,52］。不同微生物種群的代謝產物和殘留物的釋放模式、種類及數量均有所區別。而微生物釋放出的不同種類化合物也會反作用于殘體碳的固持過程，例如胞外酶具有保證養分供應的作用，能破碎植物殘體和微生物大分子碎屑，產物可被微生物再次利用[53］；而胞外多聚物能夠起到連接微生物和底物的作用，可促進或抑制碳的釋放[54］。

除微生物自身生理功能外，土壤環境也是影響微生物對植物殘體碳轉化的重要因素。首先，土壤不同顆粒組成、結構等會影響微生物對植物殘體的可接觸性[55］。被團聚體包被的有機質必須先經過團聚體破碎過程才能被微生物利用。同樣，土壤有機質與礦物質的結合也會降低微生物接觸的機會[55-56］。其次，土壤含水量、水分的流動性和異質性，以及干濕交替等均可以造成微生物呼吸活動和生物量的變化，也會影響微生物對底物的同化能力，從而引起土壤各形態含碳化合物的再分配[57］。再次，在受到外界的脅迫下，土壤微生物會同化更多的底物以滿足自身生理功能的需要；同時，不同類型的脅迫條件會使微生物釋放出不同的物質（如滲透物質、低溫保護劑等）以提高自身的適應性，在滿足自身壓力耐受性的同時，也調節了對殘體碳的利用及轉化速率[58］。此外，全球氣候變暖也在一定程度上促進了微生物的活性和群落演化，并增加了植物殘體的輸入量，從而加速有機質周轉，形成全球升溫的正反饋。

最近，Liang等[3,10］提出土壤微生物對土壤有機質形成和轉化的作用包含體外修飾（ex vivoModifcation）和體內周轉（in vivoTurnover）兩個方面。其中體外修飾作用指植物殘體輸入土壤后，不易被微生物利用的組分會經過胞外酶的分解轉化過程，而最終還不能被微生物利用的植物源碳則在土壤中沉積（即植物源有機質貢獻于土壤有機質的途徑）[3］；同時，易于被微生物利用的有機組分會進入由不同種類微生物組成的“微生物碳泵”（Microbial Carbon Pump），并通過細胞攝取—生物合成—細胞生長—細胞死亡的途徑轉化為微生物源有機質（即微生物源有機質貢獻于土壤有機質的途徑）[3］。由于土壤微生物周轉速率快、生長周期短，經過周而復始的世代繁衍和同化過程導致不同活性和數量的微生物殘留物在土壤中迭代持續累積（即續埋效應，Entombing Effect）[33］。因此，體內周轉過程成為植物殘體向土壤有機質轉化和累積的重要途徑。該碳泵的概念同時強調了植物源有機質和微生物源有機質在土壤中的形成和累積過程[9,33］，為明確土壤有機質的形成和不同來源相對貢獻提供了新的思路。在此基礎上，還需要詳細地確定微生物碳的利用效率，并將該方面的研究更多地納入建模工作[59］。

4 土壤有機質（碳）的穩定性

有機物質在土壤中受到微生物驅動轉化的同時，也具有一定的抵抗干擾及恢復到原有水平的能力，即土壤有機質的穩定性。土壤有機質是有機碳的賦存場所，土壤有機碳則可作為機質的化學量度，二者關系密切、不可分割；土壤有機質的穩定性在很多方面也是通過有機碳的穩定性來表征，因此本文將二者進行統一，綜合考量。以往針對外源有機質輸入土壤后土壤有機質（碳）的穩定性研究主要從兩方面展開。一是通過分析腐殖質的組成反映新、老有機質的轉化和穩定情況；二是通過“新碳”與“老碳”自身化學組成及不同結合、保護狀態進行探討。由于土壤有機質（碳）的穩定性取決于眾多因素的相互作用并隨不同時空尺度而異，其真實的穩定機制至今還不能完全明晰。

4.1 有機質（碳）化學組成和分子結構能否解釋有機質（碳）長期穩定性？

土壤有機質（碳）的固存時間取決于植物殘體的化學組成和有機碳分子結構的抗降解性這一觀點已被廣泛認可。通常，植物殘體中的碳水化合物和蛋白質類物質被認為在土壤中最先分解，而一些難分解組分（例如木質素、具有烷基結構的碳等）則在土壤中富集并在微生物的作用下轉化—縮合成難分解的腐殖質而長期存在[60］。因此，木質素、烷基碳或芳香碳等有機組分或分子結構的多寡常被用來表征土壤有機質（碳）的穩定性[13,61］。但隨著研究手段的不斷進步，一些新的研究得出很多沖擊以往“固有思維”的結果[13,21,62-63］。例如，Xu[64］和Wang[65］等研究表明，輸入土壤的不同植物殘體只在分解初期才具有不同的降解速率，而在后期則差異不大，這暗示著植物殘體自身的抗降解機制可能僅在有機質分解初期起作用，但其在土壤中固定的長期穩定性似乎并非受自身分子結構影響。也有研究認為黏粒的吸附和團聚體的閉蓄作用可能是主導植物殘體分解后期穩定性的機制[16］。

隨著研究的深入，一些研究發現木質素、黑炭和腐殖質等傳統意義上的抗分解有機質在土壤中也能擁有較快的周轉速率[66］。木質素可能會比一些活性有機碳物質（糖類、蛋白質等）更易降解[14,26,67］。Klotzbücher等[62］認為木質素所呈現出的這種“快速分解”機制可能是細菌和真菌在初級代謝和次級代謝等不同階段相互配合的結果。同樣，黑炭這種具有高度濃縮的稠環芳香結構有機質也被發現是分解較易的。近期研究表明新鮮有機質的添加會加速黑炭的分解[21］。此外，有報道在河流中檢測到較高數量的黑炭源溶解碳，印證了黑炭易被氧化降解的存在性[66］。而對于腐殖質，疏水性和氫鍵被認為是其穩定性的主要機制[63］，但其穩定性是相對的：環境條件的改變、簡單有機分子在腐殖質結構中的穿插等均有可能破壞其穩定結構[13,21］。再加之目前關于腐殖質分子結構及其形成過程的多種猜想和不確定性，也直接導致其穩定機制的真實性受到了很大質疑。因此，土壤中任何形態的有機質（碳）均有可能被分解，其真實穩定機制絕不是由有機質（碳）的結構、分子抗性單獨制約的。

4.2 物理、化學保護與微生物代謝的共同作用

顯然，土壤微生物在長期的繁衍、進化過程中已經具有了分解各類型有機組分的能力，只不過在分解過程中會優先選擇更易分解的物質，但這并不代表其他抗分解能力更強的有機質不能被礦化[16］。因此，有機質能否順利接觸到微生物（即空間不可接近性）以及周圍環境條件是否適宜于微生物的分解則成為有機質（碳）穩定存在的重要限制因素。近些年，基于土壤團聚體尺度的研究逐漸發現有機質（碳）庫的保護與穩定機制存在多樣性及差異性，是團聚體的物理保護—土壤礦物的結合—微生物代謝過程相互作用、相互依存的結果。

土壤對有機質（碳）的化學保護作用主要指土壤無機分子與有機分子之間的相互作用而使有機質（碳）難以被微生物利用。其中，黏土礦物和金屬氧化物是有機質（碳）結合的主要載體[56］。有機質（碳）以配位交換、氫鍵、陽離子鍵橋和范德華力等多種形式與土壤礦物的結合被視為土壤有機質（碳）最重要的穩定機制[56,68］。土壤礦物的化學保護作用因礦物類型、理化性質和有機質（碳）性質的不同而異。通常，黏土礦物比表面積和帶電量越大，對土壤有機質（碳）的吸附能力也更強。但比表面積不是評估有機質（碳）固持量的絕對因素，還要考慮多價陽離子、鐵鋁氧化物的協同作用。鐵鋁氧化物不僅含量較高、氧化還原性質活躍，還具有巨大的表面積和大量的表面電荷，對機質（碳）具有較強吸附能力[69］。有報道指出，水合金屬氧化物可以同時與黏土礦物、有機質結合，形成黏土—金屬氧化物—有機質復合體[70］，因而在考慮化學保護機制時應充分考慮黏土礦物和金屬氧化物的相互作用以及土壤環境中的金屬陽離子的影響。從有機質（碳）種類看，來源于植物及衍生的芳香碳主要富集在土壤的粗粒級組分[26］，而通過微生物產生的烷基碳與羰基碳則主要分布在黏、粉粒組分[71］。這表明植物來源碳和微生物來源碳與土壤礦物結合的機制存在差異，而積累在更細粒級部分的微生物代謝產物可能具有更長的駐留時間。

土壤團聚體是土壤有機質（碳）主要的賦存場所，能通過自身的物理保護作用將有機質（碳）包被起來，從而免受微生物的分解[72］。因此，團聚體保護能力和容量是土壤固碳潛力的物理基礎。不同粒級團聚體保護有機質（碳）的機制和效果均不同：大團聚體雖然能包裹更多的有機質（碳），但微團聚體中有機質（碳）結構不易遭到破壞且周轉周期更長[21］。目前普遍認為新輸入的有機質促進大團聚體形成，而微生物和植物的碎屑形成微團聚體的核，降解程度更高、體積更小的“老”有機質（碳）則封存于黏、粉粒中[73］。該理論符合Lehmann和Kleber[7］的有機質連續體模型。團聚體對有機質（碳）的物理保護與團聚體的形成發育過程密切相關[74］，研究土壤團聚體的形成機理對了解其物理保護作用至關重要。植物殘體輸入后為土壤團聚體的形成提供了膠結物質，大幅提高了微生物活性，在促進土壤顆粒團聚化過程中也提高了自身穩定性。因此，土壤表層的有機質（碳）穩定性可能更依附于團聚體的物理保護。但團聚體對有機質（碳）的物理保護存在飽和點，因此掌握有機質輸入—輸出平衡十分必要。值得注意的是團聚體對顆粒有機碳的包被（即物理隔離作用）和有機—無機復合體的結合（即化學吸附作用）是同時存在且相輔相成的，這因不同級別（或尺度）團聚體而異，還受制于微生物的接觸與分解，這也增加了團聚體物理保護機制研究的復雜性。

微生物對有機質（碳）穩定性的影響是多方面的：既能通過分解作用將土壤中穩定有機質礦化，也能通過同化作用將土壤中的可利用碳源以代謝產物的形式貢獻于土壤有機質，還能通過影響團聚體的周轉而間接作用于土壤有機質（碳）穩定性。由于土壤微生物存在“多重身份”，以往研究較少從微生物自身角度探討有機質（碳）穩定機制。土壤微生物對有機質的利用因不同生活史策略而異，K策略微生物（例如真菌）主要分解較難降解的有機質，r策略微生物（例如細菌）則偏好利用一些活性有機質[75］。K策略微生物雖然對有機質的利用速度緩慢但利用效率較高。此外，微生物在土壤中的分布因土壤結構及微環境的制約而具有較高的空間異質性；這種空間異質性一方面導致了微生物的多樣性，另一方面使微生物與有機質（碳）的可接觸性因空間而異[13］。而這些均顯著影響著有機質（碳）的生物穩定性。此外，微生物也是某些穩定有機質形成的驅動者，換言之，微生物的同化是外源有機質在土壤中穩定固存的關鍵。如前所述，土壤微生物的死亡殘體、代謝殘留物、分泌的多聚化合物等均屬于較難分解的有機質[16］。不同土壤生物群落對土壤穩定有機質（碳）庫的貢獻有所差異，K策略微生物生物體更難分解，對土壤穩定有機質庫的貢獻值也更高[38］。鑒于微生物在分解和合成有機質這兩方面的作用，有必要評估并權衡土壤有機質積累和生物分解過程之間的平衡，以達到植物殘體歸還的最大固碳效益。

5 總結和展望

植物殘體在土壤中的腐解過程調控著土壤有機質（碳）的化學組成和空間分布。了解并定量土壤有機質的化學起源和賦存狀態有助于明晰土壤碳匯潛力。近年來，以同位素示蹤、分子生物學和高分辨率成像等為代表的一批新的研究手段被應用到土壤學領域，突破了傳統有機質研究方法的局限。以此為契機，土壤有機質周轉和碳循環的相關研究已經趨向于形成以固碳減排、地力提升、資源可持續利用為目標，將地上—地下不同空間、宏觀—微觀—納觀等不同尺度、有機—無機—生物等不同界面研究相融合，地學、生命科學和農學等不同學科共同參與的前沿交叉研究領域。當前，無論是在新輸入殘體在土壤中的腐解和分配過程、土壤有機質的穩定與礦化機制，亦或是土壤有機質和微生物的相互作用關系等方面均取得了明顯進展。然而，土壤是一個多種物質并存、多種過程同時發生、多種因素共同影響的開放的、復雜的系統；土壤有機質的轉化同樣具有非線性、非平衡和非理想的特征。毫無疑問，這些讓我們很難去完全捕捉并明確發生在其中的各過程，我們仍面臨許多困難、爭議和挑戰。此外，各項新的研究技術并沒有得到完全普及，研究方法也存在諸多問題與不足。結合本綜述內容，認為未來的研究重點應放在以下幾個方面（圖3）：

圖3 未來研究架構Fig. 3 Future research framework

1）精確區分不同有機組分碳源。植物殘體在腐解過程中將不同化學組成、腐解程度的有機組分與土壤原有機質混合在一起，增加了有機質組成的復雜性。因此，精確區分土壤中各有機組分是土壤有機質周轉研究的瓶頸。這也成為不同學者對有機質形成理論產生分歧的重要原因。到底是植物本身的化學差異導致了土壤有機質化學組成差異？還是微生物的代謝作用重新布局了土壤有機質的化學組成差異？土壤有機質到底是以什么形式賦存？是以腐殖質為主，還是以微生物代謝產物或植物難降解組分為主？土壤中CO2的排放主要來自哪些有機組分？這些問題的解決都要以準確區分土壤不同有機組分為前提。當前，碳同位素技術對碳元素在各有機質庫的遷移具有良好的指示作用，可以起到一定的區分作用；也可以選擇具有一定特異性和穩定性的標識物（如氨基糖和磷脂脂肪酸等）作為區分植物源和微生物源有機質的手段。此外，還需不斷探索新的研究方法以明確土壤有機質庫的不同來源。

2）深入探究植物殘體向土壤有機質轉化的微生物作用機制。土壤微生物在有機質合成和轉化過程中的作用機制及其對土壤有機質庫的貢獻是未來研究的關鍵。但由于土壤微生物數量、群落組成的易變性，分布和生理特性的異質性，加之土壤有機質本身賦存的高度異質性，給相關研究帶來很大困難。在非常復雜的土壤理化環境中將土壤微生物過程與有機質周轉過程對應聯系起來是未來亟待解決的問題。在這些研究過程中，應充分將同位素示蹤與分子生物學技術結合，在微生物種群結構和功能層次上探討碳的流通過程與微生物相互作用機理。并利用NanoSIMS等現代土壤表征技術探討植物殘體碳在土壤中循環的微界面過程，從微觀尺度（納米、毫米、單細胞）解析微生物過程與有機碳異質性的耦聯互作機理。此外，在考慮微生物對土壤有機質轉化作用的同時，還需深入了解微生物代謝產物和死亡殘體的化學組成及其分配、周轉和穩定機制，以期更充分地認識微生物在土壤有機質累積過程的作用。

3）加快基于多因素共同調控的有機質（碳）穩定性研究。目前，對于土壤有機質（碳）的穩定性還未形成統一的主導機制。但毫無疑問，影響土壤有機質（碳）穩定性的因素不只是某種因素單方面的作用，并且還存在很多不確定性。如最近研究提出的糖類、蛋白質等同樣能在土壤中長期存在的機制是什么?土壤中木質素也能較快降解的機制又是什么？此外，團聚體的物理閉蓄和土壤礦物的化學吸附被認為是有機碳穩定最主要的機制，但還需對其微生物穩定機制做更深入的研究。除傳統研究所側重的土壤自身所能提供的物理、化學和微生物穩定等“內在機制”外，土壤有機質（碳）的穩定性還受到氣候、人為土壤管理措施、土壤類型和土壤環境等多種因子共同作用[13］。因此，必須客觀、全面地評價與理解土壤有機碳固定過程中的主要影響因子以及各因子間的協同作用與權重。

4）從更微觀尺度探索土壤碳平衡機理及植物殘體輸入閾值。植物殘體的輸入所產生的最終固碳效益將通過土壤有機碳的收支平衡體現。土壤對有機質的固持能力有限，植物殘體的輸入在滿足微生物生長需求的同時，多余的碳源將通過異養呼吸方式損失，對土壤和環境均產生負面效應。因此，探索植物殘體輸入與土壤有機質輸出之間的量化關系十分重要。但以往的研究大部分是基于較大尺度的農田固碳潛力與碳收支平衡研究，而忽略了微觀尺度尤其是基于微生物代謝視角的土壤碳平衡研究。土壤微生物過程控制著土壤碳庫的輸入—輸出平衡、截獲與更新[4］，未來應加強該領域研究。這對于增加外源有機物料添加后碳固定的正面效應意義重大。

5）加強多環節土壤有機碳循環過程研究。土壤有機碳循環過程是碳在植物—土壤有機質—微生物間流動的過程函數，而之前大部分試驗均缺乏整體性、系統性。目前，迫切需要對植物—土壤有機質—微生物系統中不同來源碳的分布及其輸入、轉化和穩定等環節進行定量研究，從而明確植物殘體輸入后外源碳在土壤中的流通、穩定和礦化過程之間的關系，確定土壤碳累積/礦化速率，認識土壤固碳本質。此外，氣候變化、環境變化及人為因素共同作用于植物殘體碳在土壤中的循環過程，應盡快推動建立多因素耦合作用、多環節相互交叉下包含不同層次、不同尺度的碳生物地球化學循環模型。