基于熱裂解氣質聯用(Py-GC/MS)技術的土壤有機質化學研究

馬書琴，德吉央宗，秦小靜，陳有超，胡 揚，汪子微，魯旭陽

（1. 河南師范大學 旅游學院，河南 新鄉 453007；2. 中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041；3. 西藏自治區生態環境監測中心，西藏 拉薩 850000；4. 河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000；5. 中國科學院 武漢植物園，湖北 武漢 430074；6. 中國科學院大學，北京 100049）

土壤有機質(soil organic matter, SOM)是指存留于土壤中的動植物殘體、微生物體、根系分泌物和一些高度穩定的腐殖質等多種有機組分。SOM可通過保持基本的營養成分和水分以及改變土壤中關鍵的物理、化學和生物過程等途徑維持植物、動物和微生物的生命，并在不斷變化的環境中維持土壤生態系統的穩定性[1?2]。SOM礦化可直接提供植物生長所需的氮、磷等營養元素；另一方面，SOM可為土壤中的固氮菌提供其固氮所需要的能量，間接影響植物生長所需元素的可利用性[3?4]。SOM可改變土壤的物理條件、緩沖能力和離子交換能力，SOM損失會使土壤出現硬化、緊實和結塊等現象，進而影響土壤的通氣性、持水量和滲透能力；土壤緩沖能力和交換能力會隨著腐殖質的增加而逐漸增強，研究發現[5]：土壤20%～70%的交換能力都是由土壤中的膠狀腐殖質維持的。此外，SOM作為異養微生物所需的能量或底物來源，直接影響土壤微生物的數量和活性[6?7]。因此，SOM在土壤的物理、化學和生物轉化過程中扮演著重要的角色。土壤是陸地生態系統最大的碳庫，土壤有機碳總量達1 550億t，作為土壤有機碳的最大來源，SOM在恢復和建立碳平衡、土壤碳和氮元素循環、環境可持續性和氣候條件等方面起著至關重要的作用[8?9]。SOM積累和流失的速度直接影響大氣中二氧化碳濃度，進而影響全球氣候變化。SOM中碳的積累和流失通常通過2種方法進行估算，一種是直接通過測定有機質含量的變化計算，另外一種是根據放射性碳測定的有機物年齡推斷，但對SOM中碳的估算高度依賴觀測時間的范圍[10]。在數月到數年內，新鮮植物凋落物分解過程中的質量損失速率接近于凋落物添加到土壤中的速率，因此，凋落物分解是土壤碳損失的主要途徑；而在數千年的時間尺度上，碳儲量的變化不能被直接觀測到，通常是通過計算基巖，相似成土因素(基巖物質、氣候和植被)下的風化時間來估算，因此土壤碳的數量和年齡受與風化有關的礦物變化控制。據估算，在過去的12 000 a里，人類的土地利用導致全球表層2 m土層的土壤流失了133 Pg碳[10?12]。認識控制SOM中碳穩定和釋放的機制，探明近幾十年到幾個世紀內土壤有機碳儲量的變化，對于預測全球氣候變化的影響和制定提高土壤碳固存的管理策略具有重要意義[11, 13]。

然而，長期以來，解析SOM的化學成分十分困難，因為SOM是復雜的混合物，并在土壤中經歷了短至數天、長至數千年的轉化，化學成分十分復雜[14]。根據對生物降解的敏感性，SOM可分為易降解成分和腐殖質成分。前者主要是指仍能夠判定出其前體(多糖、蛋白質和脂質)化學特征的成分，可用水解、浸提的方法進行測定；后者則是指復雜的有機聚合體，主要包括多酚、蛋白質、活性酶、脂質、多聚糖等及其衍生物，具有呈黃色或黑色、高分子量和難以降解的特征，靠常規方法往往難以測定[15?16]。近年來，熱裂解氣質聯用(pyrolysis-gas chromatography/mass spectrometry，Py-GC/MS)技術被廣泛用來測定SOM的化學成分和化學組成[17?19]。Py-GC/MS技術通過高溫將SOM中的大分子降解成小分子和片段，然后通過氣相色譜進行分離，是一種快速、有效、易操作、易重現的技術。SOM的穩定性主要取決于輸入物質的化學性質[20]和分解過程[21]以及環境條件[22]，所有這些因素都會在SOM組成上留下化學指紋。Py-GC/MS技術通過對SOM化學成分的解析，可提供SOM的“指紋圖譜”(fingerprint)，實現對SOM的定性分析，同時，通過測定熱裂解產生的各種化學分子的相對豐度，可實現對SOM化學成分的定量分析[22?24]。

關于SOM化學組成研究進展已有一些報道。LEINWEBER等[25]從有機質前體物質和組成以及特定有機成分的功能方面進行了論述。K?GEL-KNABNER等[26]總結認為Py-GC/MS可以有效追蹤SOM成分的來源。LüTZOW等[27]對Py-GC/MS在SOM穩定性方面的應用進行了分析，指出微生物能夠分解自然界中的所有有機質，并認為微生物優先分解SOM中的易降解物質和選擇性保留難降解物質這一機制只有在特定的環境下才成立。MEHRABANIAN[28]對Py-GC/MS表征SOM的優點進行總結，同時更新了脂肪酸、碳水化合物、木質素、芳香烴和含氮化合物組成的數據。DERENNE等[29]較為完整地總結了Py-GC/MS、熱解場電離質譜法、熱裂解質譜技術在SOM研究中的應用進展，從不同熱裂解技術的優缺點，熱裂解對SOM產物的鑒定，在土壤生態過程中的應用和研究SOM化學組成對環境變化的響應等4個方面進行了總結。MA等[30]對Py-GC/MS在不同生態系統中的應用和SOM化學組成及其影響因素進行了總結。目前，Py-GC/MS除用于表征不同環境下SOM化學組成之外，還從分子層面對SOM影響土壤元素循環的內在機制方面進行了一些研究。本研究在對SOM的來源和組成以及Py-GC/MS技術綜述的基礎上，重點闡述基于Py-GC/MS技術研究SOM化學的進展，為深入研究SOM在生態系統過程的作用提供參考。

1 SOM 的來源、組成及研究意義

最初研究者對土壤中一類黑色物質化學的組成和結構進行分析，并將其命名為土壤腐殖質[31]，這類腐殖質包括非腐殖物質和腐殖物質。前者是指類似于生物質殘體的普通有機化合物，如糖、蛋白質和木質素等，后者是普遍存在于土壤中的特殊化合物，如胡敏酸、富里酸和胡敏素。也有學者將存在于土壤中的動植物及微生物殘體在不同分解和合成階段形成的各種產物等不同形態和狀態的含碳有機化合物統稱為SOM，而多數研究者認為，SOM是指微生物作用下形成的腐殖質、動植物殘體和微生物體[32?33]。

SOM主要來源于微生物和酶等對動、植物殘體及分泌物的分解，通常以有機、無機復合體態存在于土壤中，少部分以機械混合態、生命體態、溶液態存在[34]。植物有機質通過凋落物和根系分泌物等方式進入土壤，是SOM形成的基礎，植物有機化學成分的質量以及氣候條件共同決定SOM的含量和組成，植物養分在分解過程中被釋放到土壤，顯著提高SOM含量[35]。植物根系分泌物和一些其他代謝產物也是SOM的重要來源之一，如根系在生長發育期間會以分泌物形式將有機質釋放到土壤中，包括低分子量的糖、氨基酸、有機酸、酚類和酶等物質；土壤微生物死亡后殘體進入土壤形成SOM，或者在微生物和酶的作用下轉化成SOM (圖1)[36]。

圖1 土壤有機質形成和循環的過程Figure 1 Formation and cycle of soil organic matter

2 熱裂解氣質聯用 (Py-GC/MS)技術

現有研究SOM的技術中，固態13C核磁共振波譜技術可以基于含碳原子的官能團定量和定性分析土壤有機質中烷基碳、烷氧基碳、芳香基碳和羰基碳組分的化學結構[37]。熱解原子發射檢測技術可以用于分析含氮化合物；熱裂解衍生試劑法可以檢測SOM特定的某一成分；熱解質譜法可對SOM化學成分進行定量分析，但質譜圖較為復雜；離線色譜質譜技術可以有效識別不同類別化學成分，分析過程中會丟失部分易揮發成分；紅外光譜可以研究土壤腐殖酸的結構和組分，但這些組分仍然是混合物質，而非單一成分[29]。穩定13C同位素示蹤技術被用于研究輸入土壤的有機質分解過程及土壤有機碳的動態變化過程[38]。然而，這些技術均無法較為簡便和完整地鑒別出土壤樣品中有機質的化學成分。熱裂解氣質聯用(Py-GC/MS)技術可以相對高效地解析SOM化學分子結構和化學組成，并可定性和半定量解析SOM中具體化合物的含量和質量。

3 基于 Py-GC/MS研究 SOM 化學組成

3.1 SOM 化學組成

根據Py-GC/MS獲取的SOM化學組成中化學分子結構和性質，SOM熱裂解產物可以歸類為烷烴、烯烴、多糖、木質素、含氮化合物、酚類、芳香烴、多環芳烴、脂肪酸和萜烯類等[29]。其中烷烴和烯烴主要來源于植物生物聚合物和微生物，以植物為主。多糖是大部分陸地生態系統SOM中相對含量最高(29.4%～55.3%)的成分，是最容易被微生物分解利用的物質，可產生呋喃衍生物和左旋葡萄糖，角質和軟木脂可通過其單體(主要是脂肪族羥基酸和二酸)識別。木質素是可以長時間儲存在土壤中的相對穩定的物質，約占腐殖物質的34%～68%，木質素標記物包括4-乙烯基苯酚、2-甲氧基苯酚(愈創木酚)和2,6-二甲氧基苯酚(丁香酚)，少部分丁香酸(二甲氧基-4-羥基苯甲酸)可能來源于單寧。含氮化合物主要來源于蛋白質和氨基酸，也有部分是微生物在氨氣(NH3)存在條件下對木質素或其他酚類代謝的產物，主要包括吡啶、吡咯、吲哚和氨基酸等[39?40]，通常情況下，有機質中含氮化合物的大量存在與微生物對有機質的高度分解密切相關。苯酚和3/4-甲基苯酚是SOM中常見的酚類化合物，苯酚是一種具有多種來源(蛋白質、木質素)的熱解產物。芳香烴類是來自蛋白質、單寧酸和其他炭類物質的熱裂解產物，主要包括苯、甲苯、乙烯苯。多環芳烴主要是有機質燃燒的產物，在SOM化學組成中以萘和二甲基萘為主[41]。SOM中脂肪酸包括植物源性和微生物源性物質。萜烯類以角鯊烯為主，角鯊烯在微生物適應高海拔、低溫和低氧氣濃度的環境條件下生長起到重要作用[42]。

目前，利用Py-GC/MS技術對SOM化學的研究主要集中在4個方面：①SOM化學組成和其來源的前體物質研究。植物殘體是SOM的重要前體物質，通過Py-GC/MS技術可以發現植物殘體中的一些特定的標記分子，用來揭示其在土壤中的轉化過程。在氮肥添加試驗中，植物木質素的生物標記分子2-甲氧基-4-乙烯苯酚在對照樣方中進入有機質的輕組分中；而在添加氮肥的樣方中，植物木質素直接進入固化過程，形成穩定的重組分有機質[43]。②SOM化學對氣候變化、土地利用方式和土壤管理方式的響應研究。草地轉化為耕地會造成有機質中木質素衍生物，包括2-甲氧基苯酚、2-甲氧基-4-甲基苯酚等化合物相對豐度的降低[1]；而土地免耕會造成SOM輕組分中含氮化合物、呋喃、酚類、烯烴類相對豐度的增加[2]。③特殊SOM化學成分，包括未知氮(SOM中未能鑒定和不能水解的氮組分)、可溶性有機質等的研究。通過Py-GC/MS技術，SCHULTEN等[44]鑒定出土壤未知有機氮的27組化合物成分，并構建了土壤有機氮的三維分子結構；PROKUSHKIN等[45]通過Py-GC/MS技術鑒定出了土壤可溶性有機質中33種化學成分，并揭示了其從土壤溶液向溪流遷移的規律。④SOM化學成分和化學組成對土壤過程和功能的影響研究。在阿拉斯加的黑云杉Picea mariana林，SOM的多糖衍生物和甲苯、苯酚、4-甲基苯等未知來源的衍生物能夠解釋SOM降解的程度和方式[20]。

3.2 基于SOM化學組成評估SOM的穩定性

以往研究發現，SOM中化合物會被微生物選擇性分解和保留，或者和土壤中金屬元素形成有機-無機結合體[27]。在這2種機制作用下，SOM在土壤中具有一定的穩定性。哪些成分易被微生物利用，哪些成分容易形成有機-無機結合體，哪些成分會長期儲存于土壤中？這是基于SOM化學組成從分子水平評估SOM穩定性的內在機制。在研究火山灰農業土壤腐殖質化學組成時發現，有機質的礦化可能主要來源于木質素和黑炭，芳香烴的貢獻較小[46]。關于富含黑炭的崩積土壤中有機質化學組分對高錳酸鉀和重鉻酸鹽的敏感性的研究表明，高錳酸鉀促進碳水化合物的氧化及脂肪族和芳香結構的相對富集，重鉻酸鉀氧化后的土壤中包含黑炭、含氮化合物和脂肪族[47]。DAI等[16]通過實驗室培養比較培養前后SOM化學成分發現，4 ℃時，多糖和酚類較脂質類更易被降解；25 ℃時，多糖和木質素較脂質易被降解。此外，新鮮有機質進入土壤后可能與礦物質、黏粒物質結合形成穩定的團聚體并保存在土壤中[2, 14, 48]。LEINWEBER[25]利用脫機熱解和直接熱解-質譜分析技術研究SOM穩定性發現，烷基化合物和木質素二聚體與土壤的鋁和鐵氧化物以及脂肪族化合物結合成黏土礦物。對青藏高原的高寒草地研究發現，土壤輕組有機質中植物源化合物(木質素、長鏈烷基化合物、多糖和酚類化合物)比微生物源化合物(短鏈烷基化合物、氮類化合物和幾丁質)和芳香族化合物(芳香族化合物和多環芳香族化合物)對土壤水分的增加更為敏感[49]。綜上所述，SOM中多糖、木質素、長鏈烷烴更易被微生物分解，脂肪族和芳香族化合物較穩定，但這種特性只是相對的。

3.3 基于SOM化學組成研究土壤物質循環

SOM作為大氣二氧化碳(CO2)的重要物質來源，其化學組成影響土壤碳循環過程。在北極苔原的研究中，利用Py-GC/MS技術建立培養條件下土壤呼吸速率的預測模型，結合實測數據證實，初始多糖的豐度較好代表了土壤累積呼吸量[16, 50]。與之類似，馬書琴等[51]研究藏北高寒草地SOM化學組成表明，多糖相對豐度與土壤CO2累積排放量也存在較好的擬合關系。關于SOM化學組成在土壤氮的礦化過程中的作用方面的研究較少。但是，SOM是微生物降解氮的主要能量提供者，在氮轉化過程中的作用不容忽視。HEUMANN等[52]利用熱解場電離質譜分析法，通過長期實驗室培養(＞200 d)德國下薩克森沙質耕地土壤發現，甾醇化合物相對豐度和土壤氮礦化速率顯著相關。

基于Py-GC/MS技術可以分析微生物和酶在不同有機質化學成分的降解過程中的調控作用。DIJKSTRA等[21]研究松針凋落物的化學性質及其降解過程發現，新鮮針葉的主要成分二萜酸被微生物迅速利用，針葉中愈創木基木質素和多糖成分保存在土壤中，依據土壤剖面中己糖/戊糖值可知土壤中白腐真菌優先分解戊糖。GRANDY等[23]在研究SOM化學組成和酶活性關系時發現，β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶活性和多糖相對豐度負相關，和木質素相對豐度正相關，磷酸酶、β-1,4-葡糖苷酶、β-D-1,4-纖維二糖酶、亮氨酸氨基肽酶、β-1,4-木糖苷酶的活性和木質素、多糖的相對豐度之間相關性不顯著，這可能反映了SOM化學成分降解和酶動力學在時間尺度上存在差異。MASCIANDARO等[53]利用熱裂解技術分析脲酶、磷酸酶、蛋白酶和β-葡萄糖苷酶的活性，比較不同耕作方式下土壤的化學和生物性質發現，即使在腐殖化程度較高的集約耕作土壤中仍能保持同等生化能量水平的腐殖質酶庫，表明SOM化學組成比含量更加有效地反映土壤生物過程的變化特征。

3.4 基于SOM化學組成揭示土壤演替過程

熱裂解可以表征植被演替和土壤發育初期的SOM化學組成和特征。植被的演替和變化對SOM的化學組成的影響主要表現在物種入侵、火災后植物演替和耕地造林3個方面。①植物入侵。在西班牙的歐洲山毛櫸Fagus sylvatica林人工種植蘇格蘭松Pinus sylvestris后，蘇格蘭松林下SOM中多糖含量較高，這很可能與SOM中復雜成分的遷移有關；歐洲山毛櫸林土壤剖面中奇數碳長鏈烷烴的豐度高于蘇格蘭松土壤剖面，表明林地SOM具有更強的穩定性，并且來自于自然植被歐洲山毛櫸的SOM標記化學成分長鏈正構烷烴C31～C33在蘇格蘭松人工種植林中仍能存在100 a[54]。SANTANA等[55]研究巴西南部外來森林種植園發現，SOM中來源于新物種的長鏈烷類、脂質物質增加，而來源于本土物質的木質素成分被降解。MIN等[56]發現虎杖Polygonum cuspidatum入侵草地生態系統后，凋落物中難降解化合物成分增加，入侵草地的SOM中的木質素和幾丁質含量明顯增加。LI等[57]在黃河三角洲的研究發現，互花米草Spartina alterniflora短期入侵鹽沼地會提高SOM的穩定性，而入侵淡水沼澤則會降低SOM的穩定性。植物入侵對SOM的影響主要體現在原先有機質的降解和新物種有機質的積累，這可能是因為地上植物發生變化時，土壤微生物對新入侵的植物產生的有機質比較陌生，仍保持對原先SOM的降解模式。②火災后植物演替或植物的自然演替。YASSIR等[39]研究林火發生后，白茅屬Imperata不同階段的次生演替、原生林和9年生的馬占相思Acacia mangium人工林下土壤發現，相比草地土壤，林下SOM中植物源化合物的含量較低，微生物產物的貢獻較高。在研究南極灰壤的潛在母質有機物時發現，新生長的植被對表土有機質的影響大于母質所產生的有機質[58]。草地生態系統在自然演替過程中，演替初期以植物來源的多糖和木質素為主，隨著時間推移，土壤中易降解有機質逐漸被分解，而較為穩定的物質(酚類，脂肪類和木質素類)被保存下來[58]。③耕地造林。研究耕地造林后SOM化學組成變化特征發現，隨著造林時間的推移，土壤中作物源有機質的相對豐度逐漸減少，木質源有機質的相對豐度逐漸增加[59]。具體為，造林5 a后土壤中含有短鏈和中鏈脂肪族物質，造林25 a后土壤中包含豐富的木質素物質，這種影響可能僅發生在土壤表層(0～2 cm)，較深(2～10 cm)的土壤中仍保留著演替初期的一些較穩定的化學成分[60]。

4 基于Py-GC/MS研究SOM化學組成的影響因素

SOM化學組成與其結構和外界環境條件密切相關，是多個因素綜合影響的結果。影響SOM含量和動態過程的最重要因子是氣候，其次是土壤母質、植被類型、土地利用、耕作方式、人類活動和野火等。

4.1 氣候條件

氣候條件及其介導的植被分布和微生物活性差異是影響SOM化學組成的重要因素。對苔原、泰加林、草原、溫帶森林和熱帶雨林的18個表土樣品的熱解產物進行因子分析，發現不同氣候區域植被下土壤腐殖質化學組成存在較大差異[24]。JIMéNEZ-GONZáLEZ等[22]對西班牙33個不同區域不同植被條件下SOM化學分析表明，SOM分子組成隨環境因子的變化而變化，環境因子的影響程度依次為氣候、植被和母質。對意大利阿爾卑斯山的森林生態系統土壤研究表明，海拔越高，SOM腐殖化程度越高，芳烴和脂肪酸含量越高，而土壤溫度是解釋海拔對土壤微生物群落結構、細菌和真菌豐度、有機質的化學組成的影響的重要因子[61]。在馬扎羅山研究不同海拔和植被類型下SOM化學組成發現，有機質的輸入速度和組成依次由氣候和植被類型控制，有機質的分解效率受制于土壤pH、溫度和水分，在特定地理位置呈現特定甾醇、木質素衍生物和多環芳香族化合物的相對豐度和比值[62]。對阿拉斯加黑云杉林土壤研究發現，溫度和濕度的變化對原位SOM分解能產生加和效應，在最適宜的溫度和濕度條件下，多糖衍生物和不能確定來源的化合物(甲苯、苯酚、4-甲基苯酚和一些無法識別的化合物)的相對豐度變化可以解釋所有地點的礦化變化的44%[20]。因此，氣候條件可能通過影響植物凋落物含量，影響微生物活性及對有機質的選擇性利用和保留，進而決定SOM化學組成。

溫度和降水是影響SOM化學組成的主要氣候環境因子。有研究表明，降水促進土壤中木質素的降解和脂肪族化合物積累，土壤溫度升高會加速SOM的降解，降低土壤團聚體中SOM含量[63]。XU等[64]通過研究北極凍土帶SOM化學組成發現，隨著氣溫上升，永凍層的融化和活土層的加深，凍融層有機質可能參與到北極的生物地球化學循環。在研究水稻Oryza sativa SOM化學組成時發現，升溫導致土壤脂肪酸和酚類物質減少14%[65]。針對不同組分有機質化學組成對氣候變化的響應的研究[49]也得到類似結論，即溫度升高和降雨增加導致輕組有機質中微生物衍生化合物增加和植物源化合物(木質素、長鏈烷基化合物、多糖和酚類)減少。極地和高緯度地區對氣候變化的響應更敏感，全球升溫趨勢下，永久凍土融化導致了土壤碳釋放，會進一步加劇極端天氣[8]。在利用Py-GC/MS技術對5種極地土壤的室內實驗中發現，4 ℃條件下，SOM多糖含量與CO2演替表現為顯著相關，25 ℃條件下SOM中多糖和木質素的含量降低，表明多糖含量較高的土壤產出CO2較多[16]。綜上所述，升溫和降水促進了SOM中多糖的降解及木質素和脂肪族化合物的聚集。

土壤中CO2濃度變化和大氣氮沉降可能影響SOM化學組成。有研究發現，CO2濃度的升高導致水稻根際土SOM中雜環氮化合物、酚酸和酚類化合物的相對豐度分別增加了37%、65%和26%[65]。研究施氮肥對不同粒徑(＞250，53～250和＜53 μm)有機質化學組成的影響發現，氮處理后土壤微粒組分中苯并呋喃物質減少，多糖相對豐度增加[66]。GRANDY等[67]在密歇根州曼尼斯蒂國家森林的糖楓Acer saccharum林和黑橡樹Quercus velutina林開展了6 a的氮沉降實驗，發現氮沉降導致糖楓林SOM中多糖的主要裂解產物糠醛相對豐度從15.9%下降到5.0%，在黑橡樹林SOM中從8.8%增加到24.0%；氮沉降還使糖楓林生態系統粒徑＞250 μm組分SOM中總木質素衍生物與多糖的比值從0.9提高到3.3，而其他粒徑級SOM和黑橡樹林生態系統中的該比值沒有變化；氮沉降還增加了2種生態系統中粒徑為63～250 μm和＞250 μm組分木質素衍生物與含氮化合物的比值，而粒徑＜63 μm組分木質素衍生物與含氮化合物的比值未發生顯著變化。不同形態的氮對SOM化學組成的影響也不同。對中國北方森林的研究發現，硝態氮的添加增加了土壤SOM輕組分乙酸和甲苯的相對豐度，降低了苯酚的相對豐度，而銨態氮的添加增加了苯和吡咯的比例以及重餾分中的礦化指數(吡咯/酚)，促進有機質礦化[68]。總體而言，土壤CO2濃度增加導致SOM中雜環氮和酚類物質相對豐度增加，氮沉降促進多糖成分降解和有機氮礦化。

4.2 植被類型

植被類型對SOM的化學組成具有重要影響作用，這是由于不同植物源的化合物在土壤中的積累過程和初始凋落物的化物成分直接影響著SOM化學組成[69]，不同生態系統的植被類型則是影響凋落物數量和組成的重要因素[58]，土壤微生物對不同有機物 (多糖、木質素)的選擇性分解和殘留也可能導致不同植被下SOM化學組成存在差異[70?71]。目前，關于植被類型對SOM化學組成的研究主要集中于森林、農田和草地生態系統中[72]。

森林生態系統SOM主要來源于植被枯枝落葉、死亡根莖和根系分泌物以及動物殘體[73]。與草地等其他生態系統類型相比，森林生態系統SOM中含有較豐富木質素和含氮化合物[74]。有研究發現：森林土壤枯枝落葉層有機質主要是初級木質素和多糖類物質，腐殖質層則是經過微生物作用的芳香烴類和含氮化合物[71]。底層土壤存在大量易降解的植物質來源的有機化合物(長鏈脂肪酸和多糖物質)，這些物質主要來源于植物的根系[75]。SUáREZ-ABELENDA等[76]在西班牙巴斯克地區研究不同含量有機質-鋁復合物的酸性森林土壤中有機質化學組成時發現，鋁含量較高的土壤中植物來源的有機質(木質素、長鏈烷烴和烯烴、甲基酮和脂肪酸)貢獻較小，而微生物來源的有機質(微生物糖和含氮化合物)含量較高。這是由于新鮮有機質分解過程中，初級有機物釋放的酸被礦物風化釋放的堿緩沖，礦物中的鋁和次級有機物結合形成微團聚體。

另外，森林中不同植物下的SOM中生物質信號源以及其發育狀況存在一定差異。STEWART等[71]研究夏威夷森林芒萁屬Dicranopteris和指葉木屬Cheirodendron植物發現，2種植物下土壤中有機質化學組成在土壤團聚體中相似，但在不同土壤層中存在明顯的差別。前者植物有機質以木質素為主，土壤中含有大量來源于木質素的芳香烴類；后者植物中有機質包括脂質、含氮化合物、多糖，土壤中則含有大量來自角質和軟木質生物的脂質物質；2種植物共同存在時，土壤中有機質則大部分來自二者根系的物質，包括多糖、脂質和木質素。GRANDY等[74]研究闊葉林和針葉林土壤時發現前者有機質分子數多于后者，并且前者儲藏著豐富的多糖類、木質素和芳香類化合物，而后者SOM含有來自于針葉樹的代表性物質——樹脂物質(雙萜酸)[21]。這表明，森林生態系統中，地上植物的有機化學成分組成顯著影響SOM化學組成。

草地生態系統土壤的凋落物層SOM以降解程度較低的木質纖維為主，腐殖層包含木質纖維素物質、微生物代謝產物和脂肪酸，礦質層中則以微生物轉化植物多糖后的呋喃為主，幾乎沒有木質素[77]。YASSIR等[39]研究白茅屬草原發現，SOM中碳水化合物相對豐度較高，含氮化合物的相對豐度較低。在對藏北高寒草地的研究發現，SOM化學組成以含氮化合物為主[51]。STURSOVA等[78]研究荒漠草原土壤時發現，酚類有機質很容易被降解，從而限制SOM的積累。這表明，草地SOM中主要化學成分在不同研究區域表現出明顯差異，可能是不同研究區域之間地上植被有機物化學組成和土壤微生物對有機質的降解偏好不同造成。

相比草地和森林生態系統土壤，農田SOM主要由高分子重組有機質組成，芳香程度高、含量低且更穩定[79]。RUMPEL等[1]和VERDE等[17]研究發現，農田SOM中二甲氧基苯酚/愈創木酚均低于森林土壤和草地，說明農田SOM中植物質來源的新鮮有機質含量低而穩定好的有機質較為豐富。DONG等[80]對中國河套平原SOM研究結果顯示，SOM輕組組分中木質素和烷烴及其衍生物的相對豐度較高，分別為19.89%和23.18%，含氮化合物相對豐度較低，僅為1.71%，而重組組分中烷烴及其衍生物和含氮化合物相對豐度較高，分別為15.06%和13.98%，木質素衍生的化合物相對豐度較低，僅為3.89%。總體上，農田生態系統土壤中有機質化學組成相對單一、穩定，而自然植被(森林、草地)覆蓋下的土壤中有機質化學組成較為復雜且礦化程度低。因此，長期耕作可能會加劇SOM中頑固性化合物(木質素和角質)的降解[81]和土壤CO2的排放[82]。

4.3 土地利用變化

不同土地利用方式下，有機質的來源和分解過程可能不同，導致SOM化學組成存在差異。基于熱裂解技術研究森林、牧場和咖啡園土壤腐殖酸和富里酸組分發現，有機質化學結構和植物有機質的化學成分密切相關，牧場土壤富里酸中含有較豐富的芳香烴和碳水化合物，腐殖酸中含有較豐富的木質素衍生物乙烯基愈創木酚；咖啡園土壤富里酸中含有較豐富的芳香烴和多酚物質；森林土壤樣品的腐殖酸和富里酸中含有豐富的含氮化合物[83]。對亞熱帶強淋溶土的研究發現，蠶豆Cajanus cajan和玉米Zea mays耕作系統土壤中木質素衍生物和脂肪類物質明顯高于草地，表明微生物優先分解多糖等物質[84]。因此，SOM化學組成取決于地上植被的化學性質和微生物對有機物的分解。

另外，當土地利用方式發生變化時，對土壤生態系統產生擾動，凋落物輸入的數量和質量可能改變，進而影響土壤養分狀況、進入土壤的有機碎屑的數量和組成，從而影響SOM周轉和組成。這在由耕地轉化為人工林[59]、草地轉變為耕地[1, 85]和牧場轉化為耕地[86]以后SOM化學組成的變化特征一系列研究中得到證實。森林(或草地)轉為耕地是一種常見的農業管理實踐模式，通常會導致SOM含量下降。在法國Lusignan區域草地轉化為耕地后，SOM中木質素衍生物相對豐度下降，但轉化1 a后，耕地的SOM化學組成基本與未轉化草地相似[1]。原始森林向牧場的轉變會導致土壤碳儲量增加，這歸因于更高的肥力和更細密的草地根系統對土壤碳的巨大貢獻。新西蘭的松林轉化為牧場后，來自草地根胚乳物質導致SOM成分中環庚烷類物質(中/短鏈亞甲基化合物)增加，來自黑麥草Lolium perenne和三葉草Trifolium repens角質層物質導致SOM成分中角質和角碳(長鏈脂肪族結構)和來自結構碳水化合物的纖維素標記物和多糖相對豐度增加[87]。ZHANG等[88]對美國弗洛里達州淡水濕地轉化為甘蔗Saccharum officinarum農田后SOM化學進行研究，發現轉化后SOM中芳香族化合物相對豐度從11.37%增加到12.30%，多環芳烴從0%增加到1.63%，正烷烴從8.90%增加到16.17%，正烯烴從25.10%增加到28.77%，脂肪族化合物從7.33%增加到11.77%，脂肪酸從1.93%增加到3.87%，同時木質素從12.87%下降到2.47%，酚類化合物從23.33%下降到16.13%，多糖從2.40%下降到1.03%，苯并呋喃從1.67%下降到0.27%，含氮化合物從5.07%下降到4.67%。在森林(或草地)和農田的轉化中，既有森林砍伐后轉化為農田，又有農田棄耕后的重新造林，前者會引起SOM中脂肪族化合物的減少和木質素衍生物的增加，而后者會導致短鏈和中鏈脂肪族化合物和碳水化合物增加[17, 59]。

4.4 火燒

在過去的20 a里，世界范圍內嚴重的野火數量不斷增加，火災不僅導致植被燒毀，還會改變土壤有機層的組成，包括生物化學結構的轉變，新形成物質的積累，以及不同耐熱性物質(新鮮或燒焦的生物質)的輸入和減少，這種改變取決于不同土壤深度的溫度變化幅度和SOM各種化學成分在發生改變之前對熱的耐受程度[32, 89]。火災可能引起大量燒焦的物質滲入土壤，加之高溫對土壤表層的影響，產生雜環氮化合物和頑固性有機質[90?93]，導致SOM中主導化學成分由易降解的物質轉變為穩定的化合物。通常，中度野火作用下有機質組成的變化可能是由于森林冠層中植物炭化物質的外部輸入所致，高強度火災導致新形成的組分發生熱凝結和不穩定物質的降解[94]。DE LA ROSA等[92]研究嚴重火災對森林SOM化學組成的影響，發現火燒土壤中多糖化合物、木質素衍生物和正構烷烴/烯烴等活性有機質相對豐度明顯低于未燒土壤，而且難降解的含氮化合物(吡咯)的相對豐度增加。在阿拉斯加夏櫟Quercus robur下土壤中也發現，燃燒的SOM中多糖相對豐度減少，而芳香族和脂肪族化合物增加[95]。野火的一個重要作用是產生木炭進入土壤，NOCENTINI等[96]研究不同粒徑(＜0.5、0.5～1.0、1.0～2.0和＞2.0 mm)木炭的有機質化學組成發現，細木炭的芳香型物質相對豐度較低，富含氮化合物，而粗木炭主要由芳香物質組成。

有研究表明：火燒產生的有機質可能會長期儲存在土壤中。對美國科羅拉多州的海曼火災發生14 a后的土壤研究表明：土壤中有機質的芳香性隨火燒程度和深度的增加而增加[97]。de LA ROSA等[98]對西班牙加那利松Pinus canariensis森林發生嚴重林火11 a后的SOM進行評價，發現短鏈正構烷烴在火災過程中因熱誘導激發而增加，火燒后呋喃占主導地位，C6多糖的豐度降低，芳香族化合物相對富集。JIMéNEZ-MORILLO等[89]對典型的地中海橡樹Quercus suber林火燒2 a后研究發現，未火燒SOM以多糖、蛋白質和木質素的化合物為主，而燃燒的SOM化學成分以木質素標記物為主，隨后依次是蛋白質、烷基化烴和多環芳烴。FARIA等[99]對地中海桉樹Eucalyptus globulus林火災后25個月研究也發現，火燒導致芳香化合物、含氮化合物、木質素衍生化合物和多糖的富集，這主要是由于火燒導致了正烷烴的熱裂解，表現為短鏈與長鏈化合物比例的增加和典型的奇偶碳優勢指數的改變。因此，火燒移除了SOM中不耐熱的生物質組分(多糖和長鏈烷烴)，保留了木質素、芳香族和含氮化合物。

4.5 土壤管理

長期刈草和不同的耕作方式可能通過影響穩定組分和不穩定組分之間的比例影響SOM化學組成。LI等[100]對內蒙古錫林格勒半干旱草原研究發現，長期刈草導致SOM中不穩定碳(碳水化合物等)降解和穩定碳(芳香烴和烷烴類)增加。不同的土壤管理措施(輪作和耕作、作物不同品種、生產力)可能影響SOM化學組成。PARDO等[85]在非洲南部研究施肥對土壤腐殖酸結構的影響時發現，與未耕種的土壤相比，位于麥金多區域的不使用礦物肥料的土壤中烷基豐度增加，而在奇瓦卡區域的偶爾施用化肥的耕地土壤中烷基豐度降低。MASCIANDARO等[53]在地中海地區研究發現，集約耕作后，擱置可以使土壤自然恢復代謝活性和土壤肥力，即集約耕作下SOM的礦化度(吡咯/糠醛)明顯高于未受干擾的土壤，而擱置條件下土壤礦化程度介于兩者之間。SPACCINI等[101]研究氫氟酸處理后的土壤熱裂解產物表明，與常規耕作相比，減少耕作的土壤會選擇性保留較新鮮的木質素。DORADO等[102]研究常規耕作、低耕、免耕和非耕作土壤中腐殖酸的結構發現，保護性耕作(免耕)增加了土壤碳的含量，這部分碳物質主要來自木質素或微生物量等新鮮的有機質，可見免耕可能不利于有機質的積累。與此類似，BUURMAN等[2]比較免耕和常規耕作的SOM化學組成發現，免耕SOM中長鏈烷烴的豐富度較低，有機質分解較快。總體而言，長期耕作對SOM化學組成的影響主要表現為微生物源物質的增加、木質素相對豐度的降低以及地上向地下投入的變化(軟木脂/角質值升高)[102?103]。

對于耕作條件下不同粒級土壤中有機質化學組成方面的研究也有不少報道。DIECKOW等[84]研究亞熱帶強淋溶土發現，蠶豆和玉米耕作系統土壤的顆粒有機物中苯乙烯、吲哚和脂肪類相對豐度明顯高于草地、裸地和燕麥Avena strigosa/玉米系統，不同耕作方式對黏土粒的有機質組成沒有影響；黏土中木質素衍生物豐富度低于顆粒有機物，呋喃高于顆粒有機質，說明多糖等不穩定的化合物可能受到黏土中有機物-礦物相互作用的保護。BOL等[14]研究耕地不同粒級組分中SOM組成發現，植物來源的有機物并未儲存在土壤中，這些物質轉化為微生物殘留物質和有機礦物質相互作用而保留在土壤中，即顆粒有機物(粒徑＞63 μm)中木質素、碳水化合物和蛋白質占主導地位，粉砂和黏土組分中幾乎沒有木質素。BUURMAN等[2]研究土壤游離組分和閉蓄組分中有機質化學組成發現，閉蓄組分在“隔離”作用下，凋落物或其他物質(稀樹草原中燒焦的物質)中較易分解的有機成分被較好保存下來，其烷烴、烯烴、芳香烴、脂肪酸、木質素、多環芳烴和酚類相對含量均明顯高于游離組分。

此外，種植的農作物發生變化或者使用不同的施肥方法也影響SOM化學組成。由種植C3植物改變為C4植物23 a后SOM化學組成發現：土壤中含有豐富的來源于C4植物的苯酚化學成分和同時來源于玉米和小麥的蛋白質物質[104]。ARANDA等[105]研究發酵橄欖渣對碳化和硅化的土壤改良后的SOM化學組成發現：吡咯/酚值增加，糠醛/吡咯值降低，脂肪族/芳香族比值降低。ESHETU等[106]研究發現，堆肥處理下SOM中烷基酚和木質素單體的相對豐度增加，碳水化合物相對豐度降低。在研究荷蘭海洋壤土沉積物發現，常規耕作和有機耕作的SOM化學組成差異很小[107]。

5 結論與展望

近幾十年來，Py-GC/MS分析技術廣泛應用于SOM研究中，包括實驗室培養和大規模的野外試驗，以提供SOM在分子水平的信息和揭示SOM化學成分的特征。Py-GC/MS技術在SOM化學組成中的研究主要體現在以下幾方面：①通過對熱裂解產物中生物化學標記分子的鑒定，可以用來比較不同生態系統和不同植被條件SOM化學特征；②對不同地區和不同環境條件下SOM化學組成特征的調查和比較，從化學分子層面研究SOM的化學特征及其對氣候變化和人類活動的響應規律，探討氣候條件、土地利用變化、耕作模式和火災擾動等不同因素對SOM化學組成的影響；③基于SOM化學組成研究土壤物質循環過程的主要影響因素，揭示SOM的化學轉化過程及其在土壤生態過程中的作用機制。雖然通過Py-GC/MS技術研究SOM已經取得了一些進展，但是Py-GC/MS技術是一種定性和半定量的分析技術，從熱裂解圖譜中獲得SOM化學分子絕對定量的數據仍然很困難。此外，基于Py-GC/MS技術研究主要停留在對SOM的解析層面上，尚未很好地利用分子組成對土壤物質的生物地球化學循環的內在機制方面進行深層次的剖析。未來可通過研究特定SOM化學成分和鑒定未知SOM的化合物成分，揭示SOM化學分子動力學對土壤微生物的消長和胞外酶的分泌的影響機制，探討化學成分在某些特定生態過程中的重要地位，嘗試通過Py-GC/MS技術從SOM本質特征，也就是SOM化學成分和化學組成角度揭示SOM在土壤中循環和轉化的內在過程和影響機制，及其對氣候變化和人類活動的響應機制。