【他山之石】从土壤腐殖质分组到分子有机质组学认识土壤有机质本质
导读本文系统梳理了与土壤生态系统功能相联系的，特别是对固碳减排的土壤有机质本质认识的研究进展及路径，探讨了经典腐殖质学说存在的问题，概述了新近的有机质保护稳定学说及腐殖质组学学说，并追溯了生物标志物有机质分子研究，最后从土壤学的基本理念和理论出发讨论和重新认识土壤有机质的本质及其价值。从形成条件、分离条件和分子鉴定等多方面分析，土壤腐殖质形成和稳定学说越来越显示出局限性；而面向气候变化的碳固定研究可以深入探析土壤有机质的复杂存在状态。土壤有机质是投入土壤的有机物质经不同程度生物利用或降解的产物残留，只是被土壤不同程度地区隔和封闭，本质上仍是分子量变化极大的生命源有机物的集合。因此，可通过生物标志物分子作为靶标在土壤中提取和识别，该技术的发展将孕育萌生土壤有机质分子组学。后者可以用于判读土壤有机质的结构支撑、反应活性和促生功能等方面的本质差别，这些差别可能是由有机分子组成结构及存在状态所决定而不是由有机分子稳定性决定的。从这个概念出发，类似于土壤微生物分子生态，土壤有机质的丰度、组成、结构与功能间的联系可能是土壤有机质本质的核心问题。对这种关系的量化和参数化表征可用以探索土壤有机质永续固定，且可以保持生命活性的土壤有机质的管理策略及技术，并配合土壤的团聚体理论诠释土壤的本质和生态系统功能服务，这将是未来土
壤学服务人类可持续发展的理论立足点。
经典土壤腐殖质学说及其存在的问题
1 土壤腐殖质组分与腐殖化过程经典土壤学将土壤有机质定义为土壤中的生命体及其死亡的生物质残留和腐殖质。前者也可认为是非腐殖质，代表没有降解或者降解残留的植物源有机物质。腐殖质包括腐殖物质和非腐殖物质。经典土壤腐殖质理论认为腐殖物质包含3 个最基本和重要的组分：分子量较小而化学性质较活泼的富里酸，分子量较大且以杂环结构为特征的复杂胡敏酸以及高度缩合、惰性的胡敏素等。这些组分是土壤有机质中数量较多、性质稳定的复杂有机物质，其分子量可介于数百到数十万道尔顿（dalton），化学结构具有高度异质性。土壤腐殖质形成理论先后有植物有机物降解假设、微生物合成假设、化学多聚化假设以及细胞自溶假设。经典腐殖质理论的核心是生物源有机物的腐殖化过程：新鲜有机质矿化—残余物二次合成—聚合与缩合—腐殖质形成。腐殖质合成的本质是以含氧芳香烃为核心，有机质降解中间产物与其聚合进一步合成大分子多聚体（往往称为二次合成），最终很可能以含氧芳香烃及其衍生物为基础，外接不同碳链的脂肪族烷烃分子而链接为巨大聚合物，这种大分子聚合体通过金属离子桥键结合到矿物表面，成为有机
矿质复合体（被认为是腐殖物质的超分子结构本质）而稳定于土壤，使腐殖化过程具有了生态学意义。但这种聚合作用和桥接稳定作用的热力学过程还很不清楚，其反应并不符合能量降低规律，故不断受到土壤有机质研究者的质疑。20 世纪90 年代以来，傅里叶变换红外光谱、核磁共振和热裂解—质谱仪等光谱/波谱/色谱学结合分析技术引入土壤有机质组分研究，使得人们在功能团组成上认识了土壤有机质的复杂性和多元性。2 有机质分解与选择性残留保护学说与腐殖质学说相交存在的另一种观点是，土壤有机质是植物来源有机物的残留物。20 世纪30 年代，已经有不同分解阶段的植物残留有机物的化学组成资料。到20 世纪末，对于土壤中不同植物来源有机分子的存在及其分解性已经有详尽的资料。这些未分解、部分分解和正在分解转化中的有机组分构成了瞬时的土壤有机质主体，且处于连续的动态变化中。之前研究认为，真菌促进了新鲜有机物分解而使其残留物成为土壤有机质。后来，这种有机质残留被认为是土壤微生物在完成分解后“选择性保留”于土壤的结果，是土壤微生物的“自私行为”。作为优先性分解组分，来自植物残体和叶片的有机物质快速分解损失，而来自根部的植物有机质倾向于保留在土壤中，使土壤表现出对根有机物的“偏好”（亲合性）。腐殖化理论指向土壤有机质持留存在的终极机制是腐殖物质的分子化学稳定性，但不易被微生物矿化分解，成为抗性（refractory）有机质，特别是有机质损
失而亏缺的农业土壤中残余的有机质部分。随着有机质的输入，不稳定组分首先被土壤中的微生物利用，而稳定性组分只有在不稳定组分消耗殆尽时才有可能被微生物利用，因而在土壤中更长期保存下来成为老碳，即微生物的“喜新厌旧”使土壤有机质总体上更新变慢。即使是这样，在森林土壤中，大分子的木质素化合物可能仍会选择性地保留在大土壤颗粒（数百微米的团聚体）中成为抗性组分，而农业利用下的抗性组分主要在细颗粒（例如粉粒/黏粒级复合体）中，其中选择性地保留了分解有机质产生的微生物多糖。腐殖物质化学稳定说曾在土壤学研究中盛极一时，还提出了多种操作方法（如6 mol/L HCl 提取组分法）用以表征土壤有机质特别是腐殖物质的化学稳定性。不过，在合适的条件下，特定的微生物区系对化学惰性明显的“腐殖物质”大分子化合物的分解可能比预想的更快，这看起来就像是土壤微生物遇到一个伴侣时的“兴奋互动”。21 世纪以来，腐殖质组分抗微生物分解的内在（化学）稳定性经典学说越来越被诟病。有学者研究认为，腐殖质组分抗分解概念是模糊和抽象的，严重误导了土壤碳循环与气候变化的反馈研究，某些组分的固有抗分解性不是其分子性质所决定的，而是受到微生境条件下的生物可达性及/酶反应动力学的制约。腐殖质学说的化学结构稳定性不但在化学本质上受到质疑，在解释土壤有机质稳定机制上也日益显得苍白而难以为继。基于有机质物理化学本质的腐殖质学说可能误导了对土
壤有机质过程以及生态系统碳循环的理解，需要新的角度和技术方法重新构建土壤有机质理论。这些认识进展已经反映在国外权威教科书《The Nature and Properties of Soils》第15 版对其第14 版中关于土壤有机质概念及其组成结构的修正上（图1）。
图1土壤有机质概念及组成认识的演变
腐殖质组学（Humeomics）学说及其方法什么让生活更美好作文400字
应用检测技术进行物质结构分析的前提是待测物质中组分组成尽量富集或单一纯净。“腐殖质”成分的复杂性并不能满足各组分的分子结构鉴定。为细致地研究腐殖质各组分的分子组成，模拟腐殖质由单一的简单组分与土壤物质形成不同结合力的复杂组分，采用模拟结合力的有机提取剂分离特定的腐殖质组分一直是腐殖质学说坚守者的努力方向。2011 年Piccolo 团队首次提出了“腐殖质组学（Humeomics）”概念及其方法框架。腐殖质组学是基于有机溶剂萃取的连续性分离法，通过与三氟化硼在甲醇体系中的酯交换、甲醇的碱性水解、使用HI 裂解醚和糖苷键合等一系列反应，土壤中不同结合状态的有机分子被连续提取和释放，通过气相色谱鉴定反应释放出的腐殖质组分分子，最后表征土壤腐殖质的分子组成结构和特点（图2）。这种腐殖质组学法分离得到的有机组分可以偶联于核磁共振波谱分
析、气质联用分析和电喷雾静电场轨道阱组合式高分辨质谱联用分析系统（ESIOrbitrap-MS），从而获得高分辨率的腐殖质分子组成信息。
图2 土壤腐殖质组学的连续提取分离法程序框架
疫情主题名称这套方法体系在传统的腐殖质碱提取法基础上，试图将所有土壤有机质组分能连续地分离纯化，继而通过有机组分的高分辨率分子鉴定来详细解析各分离组分的腐殖质分子组成，以获得比传统碱提取技术更多的分子组成信息。然而，基于土壤胡敏酸的腐殖质组学组分所获得的分子组成，并不能表征全部土壤有机质分子组成信息。为此，有学者提出了修正的提取分离方法程序（图2），代替上述方法中对胡敏酸的提取。改进后的腐殖质组学技术能够直接应用于原始土壤样品，可最大程度地提取和分离出更多的土壤有机质组分，获得令人满意的土壤有机质总回收率。不但获得了第一个游离态水溶性（其实是弱酸溶性）组分（AQU1），并对残留组分进行进一步分离，获得了更多的土壤有机质组分分子组成信息，继而通过不同组分的质量组成及其比例（图3），可以探究土壤中不同组分对总有机质的贡献。
necessary技能成就梦想图3 腐殖质组学分离鉴定法获得的某水稻土土壤有机质组分VanKrevelen 图
录用通知书生物标志物分子与土壤有机质分子组学的萌生1 植物生物标志物与植物源有机质分子鉴定
成本系数
直至20 世纪末，生命特征化合物（分子）鉴定技术不断成熟，并逐渐用以探究土壤有机质的本质。了解有机质分子分布，需要辨析生命来源的有机物随着分解的分子变化。在正常土壤中，土壤有机质来源于植物残体、根系及其分泌物，以及土壤微生物生物体及其代谢产物。这些是不同分子大小和碳结构的多糖、单宁、蜡质、脂类、木质素和蛋白质等类群的有机物质。土壤中存在的这些有机物质可能因来源和降解程度的差异在分子结构及碳链长度上带有特定生命信息，称为有机质的分子生物标志物（biomarker molecules）。鉴定这些分子的丰度和组成，可能为探索土壤有机质生命来源、追溯生态系统演变提供了一种新的技术途径。
植物来源的脂类物质和木质素可稳定存在于土壤中，角质（cutins）和木栓质（suberins）中不同碳链长度分子的组成或特定分子的比例常用来研究土壤中有机质的植物来源及其降解程度。作为导管植物的生物大分子，木质素降解的特征单体包括香兰基（Vanillyls，代号V）、丁香基（Syringyls，代号S）和肉桂基（Cinnamyls，代号C），常用作木本生物标志物。丁香基/香兰基值（S/V）和肉桂基/香兰基值（C/ V）常用于推断土壤中木质素来源
的植被类型和量化不同植被来源的有机质对土壤碳库的贡献，因而可指示土地利用变化导致的有机质组成变化。角质素化合物是非晶态的大分子生物共聚酯，其成分主要是羧酸（n-alkanoic acids）、中链羟基烃酸（midchain ω-hydroxy-alkanoic acids）和C16单/双羟基酸，并含有一定数量以酯键结合的环氧基团。木栓质化合物则主要来自于植物的根系和树皮，包括脂肪族聚酯、多酚类化合物以及长链羟基烃酸（链长度≥C20）。角质/木栓质替代脂肪酸（suberin/cutin-derived substituted fatty acids，Biomarkers-SFA）是相对稳定的植物源生物标志物，在C3与C4植物下，土壤有机质中20~30 个碳长度的中长链羧酸（如n-C22，n-C排骨菌菇汤24狮子座特点和n-C26）分布模式迥异，因而可以用来探讨植物地下部/地上部的有机质来源。
