舒新興，余澤天

(景德鎮(zhèn)學(xué)院 生物與環(huán)境工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333400)

自1786年德國的Achard用堿提取泥炭時(shí)得到腐殖物質(zhì)以來，人們對(duì)土壤腐殖物質(zhì)進(jìn)行深入研究，取得大量成果，但由于腐殖物質(zhì)本身的特異性、復(fù)雜性及檢測(cè)技術(shù)的限制，至今對(duì)其形成轉(zhuǎn)化、化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)、環(huán)境影響因素等方面仍然存在諸多不清楚的地方，尤其是腐殖物質(zhì)的形成轉(zhuǎn)化過程至今尚無定論[1]。為讓學(xué)生在教學(xué)過程中能夠更好地理解土壤腐殖物質(zhì)的形成轉(zhuǎn)化過程，本文結(jié)合近年來國內(nèi)外對(duì)土壤腐殖物質(zhì)的研究成果，重點(diǎn)就《土壤學(xué)》教材[1]中關(guān)于土壤腐殖物質(zhì)的形成轉(zhuǎn)化過程可能存在的轉(zhuǎn)化途徑進(jìn)行歸納梳理和比較分析，為深入研究土壤腐殖物質(zhì)提供一定參考。

1 土壤腐殖物質(zhì)概述

1.1 腐殖物質(zhì)的定義

從1786年的Achard提取到腐殖物質(zhì)開始，研究者提出了諸多關(guān)于腐殖物質(zhì)的概念，先后將因采取不同方式而得到的這一暗色有機(jī)物命名為“腐殖質(zhì)”“腐殖質(zhì)酸”“克連酸”“阿波克連酸”“烏敏酸”“胡敏酸”“富里酸”“胡敏素”“吉馬多美郎酸”等等。直到現(xiàn)代，隨著對(duì)腐殖物質(zhì)研究的不斷深入，對(duì)腐殖物質(zhì)概念才逐漸統(tǒng)一，即：腐殖物質(zhì)是經(jīng)土壤微生物作用后，由多酚和多醌類物質(zhì)聚合而成的含芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的、新形成的黃色至棕黑色的非晶形高分子有機(jī)化合物[1]。

1.2 腐殖物質(zhì)的分組命名

由于腐殖物質(zhì)是一類天然的高分子聚合物，組成和結(jié)構(gòu)均很復(fù)雜，其主體由各類腐殖酸及其鹽類和土壤礦物質(zhì)與其緊密結(jié)合形成的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體組成，所以，在研究中為便于分類表征，常對(duì)腐殖物質(zhì)進(jìn)行分組，傳統(tǒng)分組方法依據(jù)腐殖物質(zhì)溶解于酸、堿溶液的情況進(jìn)行劃分，通常分為胡敏酸、富啡酸和胡敏素等三類物質(zhì)[1]：

⑴胡敏酸：腐殖物質(zhì)中溶于堿，不溶于水、酸的部分；

⑵富啡酸：腐殖物質(zhì)中水、酸、堿均可溶的部分；

⑶胡敏素：腐殖物質(zhì)中水、酸、堿均不可溶的部分。

2 土壤腐殖物質(zhì)的形成過程

土壤腐殖物質(zhì)的形成過程是由微生物主導(dǎo)的生物和生物化學(xué)過程，也稱腐殖化過程，是指進(jìn)入土壤的新鮮有機(jī)質(zhì)(主要為動(dòng)植物殘?bào)w)在微生物作用下，通過生物化學(xué)或化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過程。為說明具體的腐殖化作用過程，通過研究提出了多種腐殖物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化途徑。

2.1 土壤腐殖化作用過程

土壤腐殖化作用過程一般分為新鮮有機(jī)體分解過程和腐殖質(zhì)合成過程。首先由微生物作用動(dòng)植物殘?bào)w，降解產(chǎn)生簡(jiǎn)單的有機(jī)碳化合物，同時(shí)微生物通過反復(fù)循環(huán)代謝作用，不斷增殖微生物細(xì)胞；然后由微生物降解、合成的多酚和醌或來自植物的類木質(zhì)素聚合形成高分子化合物，即土壤腐殖物質(zhì)[1]。

2.2 腐殖物質(zhì)的形成轉(zhuǎn)化途徑

人們?cè)谘芯扛澄镔|(zhì)過程中發(fā)現(xiàn)，腐殖質(zhì)的形成源于動(dòng)植物殘?bào)w和微生物細(xì)胞內(nèi)的各種高分子和低分子組分(如木質(zhì)素、碳水化合物和蛋白質(zhì)等)，它們?cè)谖⑸镒饔孟罗D(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)單的單體及其代謝物(如各種糖類、芳香族化合物、脂肪族化合物和氨基酸等)，在這些轉(zhuǎn)化產(chǎn)物之間發(fā)生了系列化學(xué)反應(yīng)。其中形成高分子化合物的主要反應(yīng)有:糖與胺的縮聚反應(yīng)；多酚與含氮化合物的縮聚反應(yīng)；木質(zhì)素與含氮化合物的縮合反應(yīng)等。隨著研究的深入，研究者不斷提出腐殖物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化的途徑，形成了一些有代表性的假說：糖-胺縮合學(xué)說；多酚學(xué)說和起源于木質(zhì)素的多酚學(xué)說；木質(zhì)素學(xué)說；細(xì)胞自溶學(xué)說；微生物合成學(xué)說等等[2]。以下重點(diǎn)對(duì)教材中列出的“糖-胺縮合學(xué)說、多酚學(xué)說和起源于木質(zhì)素的多酚學(xué)說、木質(zhì)素學(xué)說”進(jìn)行梳理歸納和比較分析。

2.2.1糖-胺縮合學(xué)說

該學(xué)說主要從純化學(xué)反應(yīng)角度來說明在土壤中微生物降解、合成的糖類和氨基化合物反應(yīng)縮聚為有機(jī)高分子化合物的可能性，并提出在微生物代謝過程中產(chǎn)生的還原糖類和氨基酸以非酶聚合作用形成棕色含氮聚合物的反應(yīng)機(jī)理。

這一理論用美拉德反應(yīng)加以說明。美拉德反應(yīng)是法國化學(xué)家L.C.Maillard在1912年提出的，也稱羰氨反應(yīng)或“非酶棕色化反應(yīng)”。反應(yīng)過程由羰基化合物 (還原糖類) 與氨基化合物 (氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、胺等) 經(jīng)過縮合、聚合后最終生成一類棕褐色、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、聚合度不等的高分子聚合物混合物, 稱之為類黑精[3]。以此可見，這種在生成類黑精過程中的還原糖與氨基酸進(jìn)行非酶聚合作用顯然在土壤腐殖物質(zhì)的形成轉(zhuǎn)化中經(jīng)常發(fā)生。

2.2.2多酚學(xué)說和起源于木質(zhì)素的多酚學(xué)說

多酚學(xué)說和起源于木質(zhì)素的多酚學(xué)說認(rèn)為：腐殖物質(zhì)由通過微生物作用降解產(chǎn)生的酚類和氨基酸類等化合物經(jīng)化學(xué)氧化聚合形成。強(qiáng)調(diào)參與反應(yīng)的酚類直接來自木質(zhì)素的即為起源于木質(zhì)素的多酚學(xué)說，而參與反應(yīng)的酚類來源于以非木質(zhì)素基質(zhì)為碳源的微生物合成產(chǎn)物的即為多酚學(xué)說。

該理論基于微生物作用木質(zhì)素后可以分解釋放出酚乙醛和酸或微生物可以纖維素而非木質(zhì)素為碳源合成多元酚化合物，多酚氧化酶的作用氧化生成醌，醌再與氨基酸等含氮化合物發(fā)生聚合反應(yīng)形成類腐殖大分子物質(zhì)[2]。而且畗啡酸先形成，胡敏酸和胡敏素需經(jīng)進(jìn)一步聚合反應(yīng)后依次形成。多元酚與氨基酸結(jié)合形成腐殖酸的反應(yīng)可如下簡(jiǎn)化表示：

2.2.3木質(zhì)素學(xué)說

該學(xué)說也稱木質(zhì)素-蛋白質(zhì)理論，認(rèn)為植物殘?bào)w中的木質(zhì)素難以降解，從而以各種木質(zhì)素殘片進(jìn)入腐殖質(zhì)中，木質(zhì)素在微生物作用下通過一系列的脫甲氧基和氧化過程先形成類木質(zhì)素，類木質(zhì)素再作為基本結(jié)構(gòu)單元與氨基酸等含氮化合物發(fā)生聚合反應(yīng)形成棕色高分子物質(zhì)[2]。它強(qiáng)調(diào)聚合反應(yīng)先形成的是分子量大的胡敏酸和胡敏素，然后由胡敏酸或胡敏素通過微生物作用分解產(chǎn)生富啡酸。

2.2.4其他學(xué)說

細(xì)胞自溶學(xué)說提出腐殖物質(zhì)由死亡后的植物和微生物細(xì)胞產(chǎn)生的自溶產(chǎn)物通過游離基縮合或聚合形成。微生物合成學(xué)說指出各種高分子量的腐殖物質(zhì)在微生物細(xì)胞內(nèi)合成，待微生物死亡和細(xì)胞解體后再釋放到土壤中，而且先產(chǎn)生胡敏酸和胡敏素，經(jīng)微生物降解生成富啡酸[2]，見表1。

2.3 影響腐殖物質(zhì)形成的因素

腐殖物質(zhì)形成于土壤也存在于土壤中，其形成轉(zhuǎn)化必然受土壤環(huán)境因素的影響，在諸多影響因素中，土壤中的微生物情況、土壤基質(zhì)、土壤的氣候性和地帶性因素是主要的，其中微生物起主導(dǎo)作用。

表1 腐殖物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化途徑比較

2.3.1微生物的影響

不論土壤中腐殖物質(zhì)是何種途徑產(chǎn)生的，但產(chǎn)生過程都離不開微生物的作用，而且從腐殖物質(zhì)的定義中“棕色至黑色的、酸性的高分子化合物”的描述，就可看出腐殖物質(zhì)不是純物質(zhì)，而是一組性質(zhì)相近的混合物?，F(xiàn)有研究成果表明，不同的微生物種群直接影響腐殖物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成：鏈酶菌中灰褐類群組形成的腐殖物質(zhì)中富啡酸含量高；木霉組形成的腐殖物質(zhì)中胡敏酸含量高；球孢類群組形成的胡敏酸分子量最大，芳構(gòu)化程度最高[4]。

2.3.2土壤有機(jī)基質(zhì)的影響

從土壤腐殖物質(zhì)的形成過程可知，產(chǎn)生腐殖物質(zhì)的前提是植物殘?bào)w進(jìn)入土壤，隨后發(fā)生在微生物的作用下的腐殖化過程，因此進(jìn)入土壤的生物殘?bào)w因其所含的有機(jī)基質(zhì)的不同必然對(duì)所形成的腐殖物質(zhì)的組成產(chǎn)生影響。通過對(duì)不同地域的土壤進(jìn)行檢測(cè)表明：我國南方熱帶雨林地區(qū)磚紅壤中腐殖物質(zhì)以富啡酸為主，北方溫帶半濕潤地區(qū)黑土中腐殖物質(zhì)中胡敏酸的含量大于富啡酸[5]。這些土壤特性與進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w一為闊葉林一為草原草甸不無關(guān)系。

2.3.3土壤的氣候性和地帶性影響

土壤具有氣候性和地帶性特點(diǎn)，不同的氣候條件和地帶分布特點(diǎn)深刻地影響著土壤腐殖物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)。通過現(xiàn)有的不同水熱條件下對(duì)腐殖物質(zhì)各組分影響的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：嚴(yán)酷的大陸性氣候有利于唐胺縮合途徑的進(jìn)行；干旱條件下富啡酸易于形成，排水不良或漬水條件下則有益于胡敏酸的積累，而當(dāng)處在通氣性差、多水、酸性條件時(shí)，利于富啡酸的形成；高溫或常年低溫條件下對(duì)胡敏酸的形成積累影響不利，而且芳化度下降[6]。通過比較我國地帶性分布土壤中腐殖物質(zhì)的組成情況發(fā)現(xiàn)：由東往西，按黑土帶、栗鈣土、灰鈣土、漠土帶的次序，腐殖質(zhì)中胡敏酸的相對(duì)含量、分子量及芳化度亦逐漸降低；由北往南，從黑土帶的暗棕壤，經(jīng)黃棕壤帶至紅壤帶、磚紅壤帶的次序，腐殖質(zhì)中胡敏酸的相對(duì)含量、分子量及芳化度也呈逐漸下降趨勢(shì)；在土壤呈垂直地帶的高山地區(qū)，按照高山草甸土、亞高山草甸土、高山寒漠土的次序，腐殖質(zhì)中胡敏酸的相對(duì)含量、分子量及芳化度也呈減小趨勢(shì)[5]。

表2 自然植被下幾種代表性土壤的腐殖質(zhì)組成

3 結(jié)語

為了探究腐殖物質(zhì)的形成機(jī)理，人們根據(jù)對(duì)腐殖物質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果：腐殖物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元由芳香族化合物的核和脂肪族化合物、含氮有機(jī)化合物等側(cè)鏈組成情況；含有羧基、羥基、酰胺基等多種功能團(tuán)情況；芳構(gòu)化程度等等，結(jié)合土壤環(huán)境因素提出了各種腐殖物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化的途徑，形成了經(jīng)典腐殖化理論。雖然這一理論已被廣大土壤科學(xué)工作者廣泛認(rèn)可和運(yùn)用，并被載入教科書與各種文獻(xiàn)，但其質(zhì)疑聲也一直不斷[4]。

3.1 腐殖化經(jīng)典理論的局限性

⑴腐殖物質(zhì)的組成說法不一。腐殖質(zhì)的合成與動(dòng)植物殘?bào)w的分解相伴進(jìn)行，合成物與植物殘?bào)w、微生物組織均可能進(jìn)入腐殖物質(zhì)混合體，除胡敏酸、富啡酸和胡敏素之外還可能含有植物、微生物碳水化合物、蛋白及脂類；部分降解的木質(zhì)素、單寧等；微生物黑色素和其他聚酮類物質(zhì)。

⑵腐殖物質(zhì)的實(shí)際分子結(jié)構(gòu)不明。目前僅能用分子模型(主要是Stevenson的胡敏酸分子結(jié)構(gòu)模型和Schnizer,khan的畗啡酸分子結(jié)構(gòu)模型)來反映其結(jié)構(gòu)組成和官能團(tuán)，還不能表征精確的分子結(jié)構(gòu)形狀或活性功能團(tuán)序列。

⑶腐殖物質(zhì)提取方法的科學(xué)性有待驗(yàn)證。認(rèn)為通用的堿液提取法會(huì)改變土壤的電離環(huán)境，可能促使相關(guān)有機(jī)質(zhì)發(fā)生氧化，從而改變自身分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成，它已不是土壤中原生態(tài)腐殖物質(zhì)，不能完全代表腐殖物質(zhì)的真實(shí)情況。

⑷微生物的腐殖化作用機(jī)制不明。為說明微生物在土壤環(huán)境中的腐殖化作用過程，盡管提出了多種理論或假說，但在土壤環(huán)境中究竟通過哪些系列反應(yīng)機(jī)制形成了腐殖物質(zhì)，至今尚無定論。

3.2 腐殖物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化研究展望

近年來，在地學(xué)、生命科學(xué)、農(nóng)學(xué)等關(guān)聯(lián)學(xué)科的共同參下，隨著分子生物學(xué)、高分辨率成像技術(shù)和同位素示蹤技術(shù)等一批新的研究方法和研究手段在土壤學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定與礦化機(jī)制、植物殘?bào)w在土壤中的腐解及分配過程、土壤有機(jī)質(zhì)與微生物的相互作用關(guān)系均取得明顯研究進(jìn)展。但土壤環(huán)境屬開放的復(fù)雜體系，具有多種物質(zhì)并存、生物化學(xué)過程協(xié)同進(jìn)行、影響因素多變的特點(diǎn)，土壤腐殖物質(zhì)形成轉(zhuǎn)化的研究依然面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。目前，土壤有機(jī)質(zhì)形成轉(zhuǎn)化的主要研究方向有以下方面：

⑴土壤有機(jī)組分碳源的精準(zhǔn)識(shí)別。運(yùn)用先進(jìn)分析檢測(cè)技術(shù)，弄清植物本身化學(xué)組成與土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)組成的差異性，解決土壤有機(jī)質(zhì)的賦存形式。

⑵土壤中微生物作用機(jī)制研究。依靠同位素示蹤和分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展，在微生物種群結(jié)構(gòu)和功能層次上深入探究碳的流通過程與微生物相互作用機(jī)制[6]。

⑶土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性研究。進(jìn)一步探究土壤有機(jī)質(zhì)(碳)的穩(wěn)定性主導(dǎo)機(jī)制及作用因素[7]。

⑷農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的影響研究。重點(diǎn)開展針對(duì)長期在土壤中進(jìn)行耕作與施肥等主要的農(nóng)業(yè)措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)組成結(jié)構(gòu)、數(shù)量和質(zhì)量的影響研究[8]。

⑸土壤有機(jī)碳循環(huán)過程研究。形成開展對(duì)植物-土壤有機(jī)質(zhì)-微生物系統(tǒng)性研究機(jī)制，探究土壤有機(jī)碳循環(huán)過程，建立碳在植物-土壤有機(jī)質(zhì)-微生物間流動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型[9]。