李 娜 盛 明，2 尤孟陽 韓曉增?

（1 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，哈爾濱 150081）（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可為植物提供生長(zhǎng)所必需的養(yǎng)分并改善土壤肥力，進(jìn)而決定陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳循環(huán)過程［1-2］。土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性是研究土壤肥力和碳循環(huán)的關(guān)鍵，但由于土壤有機(jī)質(zhì)本身的高度復(fù)雜性和異質(zhì)性，將土壤有機(jī)質(zhì)作為一個(gè)整體來研究，很大程度限制了對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程和理論的認(rèn)識(shí)。不同氣候和人類活動(dòng)條件下土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和組分方面已經(jīng)開展了大量研究。固態(tài)13C核磁共振波譜技術(shù)（Solid-state13C nuclear magnetic resonance spectroscopy，簡(jiǎn)稱13C-NMR）是測(cè)定有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的一種先進(jìn)技術(shù)手段，可同時(shí)定性、定量分析有機(jī)物質(zhì)化學(xué)組成，已成為研究土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化的有效手段。關(guān)于1H和13C NMR技術(shù)在有機(jī)質(zhì)研究中的應(yīng)用及13C-NMR早期的一些研究結(jié)果，K?gel-Knabner［3］、Mahieu等［4］、卓蘇能和文啟孝［5］已作了較為詳細(xì)的綜述。但這些綜述均是針對(duì)某一特定地區(qū)、一種或幾種代表性土壤類型下土壤全土或不同組分有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征的描述，缺乏世界范圍內(nèi)不同氣候和植被條件、土壤類型、土壤管理?xiàng)l件下土壤有機(jī)質(zhì)形成機(jī)制及其物理化學(xué)組分的有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的對(duì)比研究。為此，本文綜述了13C-NMR技術(shù)應(yīng)用于土壤有機(jī)質(zhì)及不同組分碳庫(kù)的化學(xué)結(jié)構(gòu)方面的研究進(jìn)展，進(jìn)一步比較分析了不同氣候條件和土壤類型下土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的演變特征、差異和共同點(diǎn)，試圖揭示土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的區(qū)域變化特征，并解析導(dǎo)致其變化的影響因素，以期為評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳庫(kù)的轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定化機(jī)制、陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和碳固存潛力提供理論依據(jù)，為建立合理的土壤有機(jī)質(zhì)管理措施提供技術(shù)支撐［6-7］。

1 13C-NMR技術(shù)及波譜分析簡(jiǎn)介

核磁共振波譜技術(shù)（NMR）是基于化學(xué)位移理論發(fā)展起來的，主要用于測(cè)定物質(zhì)的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)。1963年，Barton和Schnitzer［8］最早嘗試應(yīng)用核磁共振技術(shù)研究土壤胡敏酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)。1972年，Neyroud和Schnitzer［9］將NMR技術(shù)應(yīng)用到土壤富里酸的結(jié)構(gòu)特征測(cè)定。隨后，Gonzalez-Vila等［10］應(yīng)用傅里葉變換-13C-核磁共振波譜技術(shù)（FT-13C-NMR）研究了土壤腐殖物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征。1981年，Wilson等［11］應(yīng)用交叉極化魔角旋轉(zhuǎn)13C-核磁共振技術(shù)（CPMAS13C-NMR）研究了全土有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)。自此，13C固態(tài)核磁共振技術(shù)成為研究土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的主要測(cè)定技術(shù)。13C-NMR技術(shù)測(cè)定的土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)更接近真實(shí)狀態(tài)，對(duì)其應(yīng)用越來越廣泛［12］。新近又開發(fā)了多種一維核磁共振編輯技術(shù)［13-16］和二維波譜技術(shù)［17-18］，進(jìn)一步深化了對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究，為定量化研究有機(jī)碳各個(gè)官能團(tuán)比例和含量，加強(qiáng)土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)分子結(jié)構(gòu)的半定量化/定量化研究，揭示土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)和不同物質(zhì)組分的動(dòng)態(tài)變化提供強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

應(yīng)用13C-NMR技術(shù)獲得的土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)波譜大多劃分為四大官能區(qū)：（1）烷基碳區(qū)（δ=0～45，Alkyl C），系脂肪族化合物（角質(zhì)和軟木脂）中與甲基碳（δ=0～25）或聚亞甲基碳（δ=25～45）；（2）烷氧碳區(qū)（δ=45～110，O-Alkyl C）主要來自碳水化合物（纖維素、半纖維素等），也有蛋白質(zhì)和木質(zhì)素側(cè)鏈；（3）芳香碳區(qū)（δ=110～160，Aromatic C），主要來自單寧、木質(zhì)素和不飽和烯烴等；（4）羰基碳區(qū)（δ=160～220，Carbonyl C），主要在δ=172附近，大多來自于脂肪酸、氨基酸、酰胺、酯、酮醛類物質(zhì)的吸收［3,5,14,19］（表1）。其中，烷基碳主要來源于植物生物聚合物（如角質(zhì)、木栓質(zhì)、蠟質(zhì)）、微生物代謝產(chǎn)物的長(zhǎng)鏈脂肪族化合物和甲基碳、脂類和多肽的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，是難以降解的、較穩(wěn)定有機(jī)碳組分［20］。烷氧碳主要來源于半纖維素、纖維素、聚合和非聚合的碳水化合物或類乙醇物質(zhì)［21］，代表易被微生物代謝利用的碳水化合物，即易分解碳。通常Alkyl C/O-Alkyl C比值（A/A-O）是評(píng)價(jià)土壤有機(jī)碳分解程度的敏感指標(biāo)，可用來反映腐殖物質(zhì)烷基化程度的高低，其比值越小說明有機(jī)質(zhì)的分解程度越低［5］。芳香碳主要來源于木質(zhì)素、軟木質(zhì)、多肽類或黑碳等帶有苯環(huán)類的物質(zhì)，也可能來源于微生物代謝產(chǎn)物或植物體經(jīng)過高熱產(chǎn)生的物質(zhì)［22］，它常和烷基碳一起，用來表征難被微生物利用的碳化合物，即難分解碳。

2 全土有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征及影響因素

2.1 全土有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

以往研究對(duì)土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)波譜的劃分不盡相同，為方便比較分析，統(tǒng)一將波譜劃分成表1的四大官能團(tuán)區(qū)，列出了應(yīng)用13C-NMR技術(shù)測(cè)定不同地區(qū)不同類型土壤表層（10 cm或20 cm）有機(jī)碳化學(xué)官能團(tuán)的相對(duì)比例（表2）。通過比較，全世界土壤有機(jī)碳官能團(tuán)比例存在較大幅度變化范圍，但如果不考慮氣候環(huán)境、土壤和植被類型、土地利用方式和土壤有機(jī)碳含量等因素，13C-NMR技術(shù)測(cè)定土壤全土有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)圖譜具有相似的特征，表現(xiàn)在四大官能團(tuán)比例中烷氧碳所占比例最大（31%～69%，平均為44.1%±6.8%），其次為烷基碳（9.1%～43%，平均為25.6%±7.0%）和芳香碳（4.7%～28.6%，平均為19.0%±4.7%），羧基羰基碳所占比例最少（3.9%～17.8%，平均為11.2%±3.7%）。一般情況下，森林土壤表層有機(jī)碳中烷氧碳相對(duì)比例普遍高于草地和農(nóng)田，這可能因?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)表層土壤中凋落物含量較高。但在個(gè)別土壤中，烷氧碳比例也存在差異，如巴西朗多尼亞草地強(qiáng)育濕潤(rùn)老成土和高嶺濕潤(rùn)老成土（Paleudult & Kandiuldult）、德國(guó)南部松軟薄層土（Mollic Leptosols）和不飽和雛形土（Dystic Cambisol），烷基碳的相對(duì)比例略大于烷氧碳的比例［23-24］。Pedersen等［25］研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)阿拉斯加州的莎草草甸凍土（Gelisols）有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)與其他地區(qū)的土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)差別較大，不同成土年限的凍土有機(jī)碳中烷氧碳比例非常高（相對(duì)比例可達(dá)69%），其次為烷基碳，芳香碳和羧基羰基碳的比例很低。與形成時(shí)間更長(zhǎng)的土壤有機(jī)碳相比，新形成的土壤中烷基碳（16% vs 28%）和芳香碳（9% vs 16%）比例偏低，烷氧碳比例偏高（69%vs 50%），羧基羰基碳無差異，這可能與新形成土壤中外源植物殘?bào)w中烷氧碳比例較高有關(guān)。此外，來源于植物殘?bào)w、藻類或微生物的脂肪族物質(zhì)，使新成土的烷基碳增加，而泥炭和苔蘚中的木質(zhì)素含量偏低，可能是導(dǎo)致新成土中芳香碳比例偏低的原因［25］。

表1 13C-固態(tài)核磁共振波譜技術(shù)測(cè)定有機(jī)碳官能團(tuán)及相應(yīng)的大分子化合物［3, 5, 14, 19］Table 1 Organic carbon functional groups and corresponding macro-molecular compounds identified by 13C-NMR［3,5,14,19］

進(jìn)一步選取了較典型的土壤有機(jī)碳核磁共振圖譜進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)世界范圍內(nèi)不同區(qū)域的土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)圖譜較相似，各化學(xué)官能團(tuán)所占相對(duì)比例存在差異（圖1，表2）。其中，南美洲巴西草地強(qiáng)育濕潤(rùn)老成土和高嶺濕潤(rùn)老成土（Paleudult & Kandiuldult）和北美洲美國(guó)中西部軟土（Paleustoll）的13C核磁共振圖譜相似程度最高，北美洲加拿大草地土壤有機(jī)碳核磁圖譜與之類似，但較以上二者的芳香碳比例更高［23,30］。澳大利亞、亞洲中國(guó)和歐洲西班牙的土壤中烷氧碳比例最高，其次為烷基碳、芳香碳，羧基羰基碳比例最少［28,30-33］。南非草地聚鐵網(wǎng)紋土（Plinthosols）中烷氧碳的比例最高，其次為芳香碳和羧基羰基碳，烷基碳比例是所有土樣中最少的，僅為9.1%［40］。北美洲的美國(guó)阿拉斯加州凍原草甸凍土（Gelisols）烷氧碳比例為69%，高于其他類型土壤烷氧碳比例［25］。

烷基碳與烷氧碳的比值（A/A-O）可反映土壤有機(jī)質(zhì)的腐解化程度?？傮w而言，土壤全土有機(jī)碳的A/A-O比值在0.2～1.11之間，在巴西、澳大利亞、加拿大、德國(guó)和美國(guó)（巴羅除外）的土壤有機(jī)碳中，A/A-O比值一般較大，均大于0.65，說明這些地區(qū)土壤腐殖化程度較高。而在歐洲大部分地區(qū)、哥斯達(dá)黎加、美國(guó)巴羅、亞洲的中國(guó)和非洲的肯尼亞和南非土壤中A/A-O比值一般較小，均小于0.65，說明這些地區(qū)土壤腐殖化程度較低。同時(shí)，氣候條件、土壤類型、土地利用方式和植被類型等因子也會(huì)影響A/A-O比值（表2）。

處出獻(xiàn)文secnerefeR 62］［72］［92-82］［03］［13］［6］［23］［33］［7］［7］［12］［43］［53］［63］［73］［03］［83］［93］［52］［21］［32］［］32［32］［32］［32］［04］［04］［/碳基烷碳氧烷O-A/A 55.094.0～83.092.0～85.073.0～44.093.0～64.062.0～08.034.0～19.0 147.0～45.094.0～35.0 49.075.0～68.007.0～48.036.0～75.063.0～6.0 2.0～46.095.0～49.056.0～78.0—11.122.0～75.015.0～28.076.0～87.0,37.0 49.0,47.0 84.0,54.0 11.1,76.0 93.062.0～75.0 2.0～2較比量含對(duì)相團(tuán)能官碳機(jī)有土全層表定測(cè)術(shù)技振共磁核表31 RMN-C yb denimreted slios klub ecafrus ni spuorg lanoitcnuf nobrac cinagro fo secnadnuba evitaleR2 elbaT/spuorg lanoitcnuf fo ecnadnuba evitaleR%例比團(tuán)能官式方用利地土型類壤土lynobraC citamorA lykla-O lyklA基羰碳香芳碳氧烷碳基烷sesu dnaL sepyt lioS)022061=( C)061011=( C)01154=( C)540=( C～δ～δ～δ～δ 2.413.21 6.823.62 7.935.83 7.128.81～～～～林森壤紅赤2.510.31 5.626.12 3.747.34 7.711.31～～～～田農(nóng)土潮5.419.11 6.914.31 3.252.54 4.623.91～～～～林竹，田農(nóng)土為人，土鐵富5.312.11 9.913.81 6.943.64 8.027.81～～～～田農(nóng)土黑姜砂7.314.11 3.21 1.7 2.559.35 4.523.02～～～～田農(nóng)土性巖松疏性灰石5.8 9.6 4.41 7.7 1.657.34 8.433.22～～～～地草，林森土成始潤(rùn)濕和飽不5141 4111 8343 1372～～～～地草土溶淋強(qiáng)性活低質(zhì)鐵3.415.31 0.320.02 0.440.14 8.220.12～～～～田農(nóng)土軟，土溶淋，土旱干，土成新11 51 94 62林森土溶淋性活高水滯5121 5131 7463 4372～～～～林森土形雛和飽不，土溶淋性活高育簡(jiǎn)3.11 9.7 6.914.51 1.346.83 2.336.82～～～～林森，地草，田農(nóng)壤灰，土色暗，土層薄軟松，土形雛8.01 6.5 5.126.21 4.445.14 4.739.92～～～～田農(nóng)土溶淋性活高8.5 9.3 6.612.11 8.955.25 2.921.12～～～～林森—41 9 02 9 3674 9251～～～～原苔土性巖松疏，土層薄9 1.8 3.911.91 5.549.34 9.729.62～～～～田農(nóng)土積鈣育簡(jiǎn)11 9 8181 6463 4303～～～～地草，樹松土軟5 11 54 93林森土灰8251 5706—～—～田農(nóng)，地草土軟31 6 22 9 9623 9351～～～～甸草草莎土凍7.318.11 2.511.21 6.943.54 4.621.42～～～～林森，地草，田農(nóng)—01 7 3351 4433 2352～～～～田農(nóng)，地草土鈣黑01 42,12 04,73 92田農(nóng)，地草土軟化黏型典41,21 62,61 24,13 13,92田農(nóng)，地草土軟潤(rùn)濕育強(qiáng)旱干11,5 81,61 25,15 52,32牧放，地草土灰山火潤(rùn)濕色黑育簡(jiǎn)7,6 71,51 64,73 14,13牧放，地草土成老潤(rùn)濕嶺高和土成老潤(rùn)濕育強(qiáng)6.512.31 2.4291 3.156.34 6.813.31～～～～田農(nóng)，林森土酸強(qiáng)性活低色艷質(zhì)鐵8.717.31 6.725.12 1.6463 6.02 1.9～～～～田農(nóng)，地草土紋網(wǎng)鐵聚14 14］［］［slios fo erutalcnemon rof la te gnoG ot refeR :etoN等同子龔考點(diǎn)地樣取setis gnilpmaS納版雙西南云部南國(guó)中丘封南河部中國(guó)中江浙南東國(guó)中城蒙徽安南中國(guó)中凌楊西陜北西國(guó)中灣臺(tái)部南國(guó)中部南西亞利大澳亞西爾穆部南牙班西斯埃部東國(guó)法德爾費(fèi)內(nèi)萊部中國(guó)德部南國(guó)德恩波部西國(guó)德部北典瑞帶融消川冰馬大士瑞諾亞里德卡部北利大意希爾海州斯加拉布內(nèi)國(guó)美南山白州爾什布罕國(guó)美縣恩布州里蘇密國(guó)美羅巴州加斯拉阿國(guó)美省略大安南東大拿加溫徹喀斯薩塔伯艾大拿加丹曼州他科達(dá)北國(guó)美倫克阿州多拉羅科國(guó)美加黎達(dá)斯哥亞尼多朗西巴部西亞尼肯德塔斯龍克部北非南參名命的類分壤土：注

2.2 有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)分異因素

土壤有機(jī)質(zhì)的形成和累積是在特定氣候和生物環(huán)境條件下，不斷形成復(fù)雜有機(jī)化合物的長(zhǎng)期演變過程，它包括部分腐解植物的生物大分子殘基（例如多糖、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)和表皮材料）、動(dòng)物及微生物代謝殘?bào)w、排泄物、分泌物和土壤腐殖物質(zhì)，是處于不同分解階段的有機(jī)集合體［1,42］，其大小取決于初始土壤有機(jī)質(zhì)水平、不同土地利用方式、土壤管理措施下外源有機(jī)物質(zhì)的輸入、原有土壤有機(jī)質(zhì)的礦化損失［43-44］。外源物質(zhì)的多樣性和復(fù)雜性決定了土壤有機(jī)質(zhì)的復(fù)雜性和不均一性［40］。Mahieu等［4］測(cè)定了84種外源有機(jī)物，包括秸稈、根、莖、葉、樹枝、糞便、堆腐物等的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖譜，發(fā)現(xiàn)秸稈和木質(zhì)物質(zhì)中烷氧碳比例最高可達(dá)70%～90%，在樹葉、根和堆腐物中烷氧碳比例最低也有38%，說明植物殘?bào)w中碳水化合物的含量較高，包含了從簡(jiǎn)單的小分子糖類到淀粉和纖維素組分等大分子的糖類物質(zhì)。同時(shí)，有報(bào)道［4,35］稱植物殘?bào)w和土壤中的烷氧碳存在較好的相關(guān)性，土壤有機(jī)碳含量與烷氧碳比例也具有很好的相關(guān)性（圖2），有機(jī)碳含量高，其烷氧碳比例也大，這是土壤有機(jī)碳中烷氧碳比例最高的原因。不同土壤有機(jī)碳中化學(xué)結(jié)構(gòu)的微小差別可能與形成土壤的氣候條件、土壤類型、土壤質(zhì)地特征、地上植被類型、進(jìn)入土壤的凋落物和根系分泌物的質(zhì)量、微生物種類、活性和代謝殘?bào)w特征有關(guān)。Soucémarianadin等［18］利用二維NMR技術(shù)研究了森林系統(tǒng)凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，也發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與凋落物的結(jié)構(gòu)有關(guān)系。土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)中非極性烷基碳和芳香碳相對(duì)比例的多少可能與氣候條件、土壤類型和土地利用方式等外界條件有關(guān)。同時(shí)，土壤微生物和酶活性不同也會(huì)引起外源物質(zhì)降解過程和產(chǎn)物發(fā)生變化，進(jìn)而影響土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。中國(guó)云南西雙版納的森林赤紅壤（Latosolic red earths）、河南封丘的農(nóng)田潮土（Fluvo-aquic soils）、東北的黑土（Black soils）、加拿大埃德蒙頓土壤（Udic Borroll）、肯尼亞西部土壤（Ferralo-chromic acrisols，Humic nitosols）和南非土壤烷基碳的相對(duì)比例小于芳香碳比例［23,26-27,40］。芳香碳是土壤中較難分解的有機(jī)碳組分之一，芳香碳的比例較高，可能是由于植物殘?bào)w的木質(zhì)素在分解初期被選擇性保留［45］，提高了芳香碳的比例，同時(shí)，土壤有機(jī)碳中烷氧碳比例降低也會(huì)相應(yīng)地增加芳香碳比例。在中國(guó)浙江、臺(tái)灣中部、歐洲大部、南美洲的巴西、北美洲的加拿大和美國(guó)、澳大利亞等土壤中，土壤烷基碳相對(duì)比例均大于芳香碳比例（表2），可能與這些土壤中較強(qiáng)的酶活性和微生物活性有關(guān)，使土壤中芳香碳物質(zhì)被氧化分解，土壤芳香碳比例降低，羰基碳比例顯著增加。也有研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳中烷基碳和芳香碳的相對(duì)比例差異不顯著，如西班牙南部不同類型的土壤有機(jī)碳中烷基碳和芳香碳的比例相當(dāng)，不存在明顯差異［33］，這主要是因?yàn)樵撏寥烙袡C(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不受成土母質(zhì)和土壤類型的影響，主要受地上植被和氣候條件的影響。Chen等［46］對(duì)中國(guó)安徽砂姜黑土有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究也發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳中烷氧碳和芳香碳比例差異不明顯（表2）。

一些研究學(xué)者認(rèn)為“初始凋落物”理論確實(shí)存在，即植物殘?bào)w組成的差異性隨殘余物的不斷降解一直存在，即使最終轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)［47］，這也是為何不同土地利用方式下土壤有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)存在差異的主因。土壤有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性與地上植被類型和外源進(jìn)入土壤的有機(jī)物質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量（化學(xué)結(jié)構(gòu)）密切相關(guān)。地上植被通過植物殘?bào)w和根系分泌物直接影響輸入土壤的外源有機(jī)物的數(shù)量和質(zhì)量，進(jìn)而影響土壤微生物種類、群落結(jié)構(gòu)和活性，最終影響土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。外源有機(jī)物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異性，必然影響土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性。Clemente等［48］研究了玉米秸稈的根、莖、葉等不同部位分別添加至土壤中對(duì)土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)土壤化學(xué)結(jié)構(gòu)變化隨添加物質(zhì)不斷分解過程而變化：添加玉米莖的土壤有機(jī)碳中碳水化合物含量高，而添加玉米葉的土壤腐殖質(zhì)中脂肪族碳含量高，這是因?yàn)橛衩兹~組織中脂肪族碳含量高，玉米葉中的化學(xué)物質(zhì)對(duì)于土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性有促進(jìn)作用。Chen等［46］發(fā)現(xiàn)玉米秸稈中木質(zhì)素組分含量要高于小麥秸稈的木質(zhì)素含量，相應(yīng)地，玉米秸稈還田處理的土壤有機(jī)碳中木質(zhì)素衍生物結(jié)構(gòu)（芳香碳和酚基碳）要高于小麥秸稈還田處理。Wang等［49］研究了中國(guó)海倫、封丘和鷹潭3種不同氣候和土壤類型條件下玉米秸稈和小麥秸稈的腐解特征，發(fā)現(xiàn)玉米和小麥秸稈在腐解初期，受到秸稈類型、溫度和土壤類型等條件的影響，玉米和小麥秸稈的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化顯著，隨著腐解時(shí)間延長(zhǎng)，腐解2年后，玉米和小麥秸稈的化學(xué)結(jié)構(gòu)趨于接近，但仍存在差異。此結(jié)果也可用來解釋不同氣候條件和土壤類型中土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)存在的“趨同特征”，可能由于土壤的形成和發(fā)育進(jìn)程是相當(dāng)漫長(zhǎng)的，其外源植物殘?bào)w在經(jīng)過幾十年、幾百年甚至更長(zhǎng)時(shí)間的分解轉(zhuǎn)化后，分解產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)才趨于一致，被全部分解進(jìn)入土壤有機(jī)質(zhì)后使得土壤有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)才更趨于相似。盡管土地利用和管理方式、土壤類型、礦物組成、氣候條件、植被和土壤有機(jī)碳含量不同，Mahieu等［4］也發(fā)現(xiàn)土壤全土有機(jī)碳也具有較相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征。Mathers和Xu［50］研究認(rèn)為烷氧碳是植物殘?bào)w中最易分解的有機(jī)碳官能基團(tuán)。在植物凋落物腐解的快速階段，植物殘?bào)w中的烷氧碳會(huì)快速損失進(jìn)入土壤中；與之相反，植物殘?bào)w中芳香碳和烷基碳會(huì)選擇性保留，進(jìn)一步說明世界范圍內(nèi)典型土壤有機(jī)碳化學(xué)機(jī)構(gòu)為何存在差異。

為揭示土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)與土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的關(guān)系，本文將土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)官能團(tuán)比例與土壤有機(jī)質(zhì)含量和黏粒含量做相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，全土有機(jī)碳含量與有機(jī)碳官能團(tuán)中的烷氧碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.005），與芳香碳和羧基羰基碳呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.005）（圖2（a）～圖2（d））；土壤黏粒含量與有機(jī)碳官能團(tuán)中的烷基碳呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.005），與烷氧碳呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.005）（圖2（f）～圖2（i））；土壤黏粒含量與烷基碳/烷氧碳比例呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.001），與土壤有機(jī)碳含量關(guān)系不顯著，僅達(dá)到0.1的顯著性檢驗(yàn)（圖2（e），圖2（j））。烷基碳比例與有機(jī)碳含量、芳香碳比例與黏粒含量無顯著相關(guān)性（P＞0.05）。本文的相關(guān)性分析結(jié)果與Mahieu等［4］的分析結(jié)論一致。高有機(jī)質(zhì)含量的土壤，烷氧碳比例越高，植物來源碳的比例越大，其土壤有機(jī)質(zhì)的腐解化程度越低，土壤有機(jī)質(zhì)越不穩(wěn)定。土壤黏粒含量越高，土壤中烷基碳比例越大；烷氧碳比例顯著減少，土壤有機(jī)質(zhì)腐殖化程度越高，土壤有機(jī)質(zhì)越穩(wěn)定。

圖2 土壤有機(jī)碳含量、黏粒含量與有機(jī)碳官能團(tuán)相對(duì)比例相關(guān)性Fig. 2 Abundance of alkyl, O-alkyl, aromatic, and carbonyl functional groups determined by 13C NMR, relative to soil organic carbon(SOC) content and clay content in bulk soil

3 土壤不同組分有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

土壤有機(jī)質(zhì)根據(jù)物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)分組得到的不同組分是研究有機(jī)質(zhì)特定轉(zhuǎn)化過程的指示因子［3,50］。常采用的分組方法有團(tuán)聚體分組、密度分組、化學(xué)分組、團(tuán)聚體分組與物理化學(xué)分組相結(jié)合等，應(yīng)用13C NMR技術(shù)開展了土壤不同有機(jī)碳組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征研究，研究結(jié)果對(duì)土壤有機(jī)碳降解、轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定化過程及機(jī)理揭示提供了強(qiáng)有力的科學(xué)支撐。

3.1 土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

進(jìn)入土壤的植物殘?bào)w質(zhì)量會(huì)影響土壤團(tuán)聚體和非團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中的有機(jī)質(zhì)組分，使不同組分的土壤有機(jī)碳組分和化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生分異［51］。森林土壤中顆粒有機(jī)質(zhì)所占比例很大，大部分為來自于地上植物凋落物分解的烷基碳；草地和玉米地土壤中礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)含量很高，其中芳香碳和羰基碳比例較大。一般地，土壤團(tuán)聚體的粒徑越大，有機(jī)碳中烷氧碳所占比例越高；土壤粒級(jí)越小，有機(jī)質(zhì)的烷氧碳所占比例越低［33,48］。隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的減小，烷基碳和羧基碳相對(duì)含量逐漸增加，芳香碳相對(duì)比例在不同土壤中變化不一致，有的升高［52］，有的降低［25］。烷氧碳是植物殘?bào)w有機(jī)碳的主要組成部分（比例為50%～70%）［21］，植物分解程度較低的土壤大團(tuán)聚體中烷氧碳比例高于微團(tuán)聚體。相反，烷基碳的增加反映了分解過程中選擇性保留的有機(jī)物質(zhì)（如角質(zhì)、軟木脂等）和微生物再合成物質(zhì)在小團(tuán)聚體中的積累［45］。農(nóng)田土壤中，外源植物殘留物進(jìn)入土壤后，優(yōu)先積聚于大粒徑組分的有機(jī)碳中，隨著植物殘?bào)w分解程度增加，逐漸向小粒徑土壤有機(jī)質(zhì)組分轉(zhuǎn)移。郭素春等［27］研究了中國(guó)河南商丘潮土團(tuán)聚體有機(jī)碳結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)隨著團(tuán)聚體粒徑減小，烷氧碳和芳香碳所占比例降低，可能是由于大團(tuán)聚體中植物殘?bào)w來源的木質(zhì)素在分解初期選擇性保留，提高了芳香碳的比例［45］。

3.2 土壤顆粒組分內(nèi)有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

Steffens等［52］和Helfrich等［53］對(duì)德國(guó)土壤不同大小顆粒組分研究發(fā)現(xiàn)，芳香碳所占比例隨土壤粒徑減小而增加，抗分解芳香碳在土壤小粒徑組分中選擇性積累，且不同土地利用方式下游離態(tài)輕組有機(jī)質(zhì)（LFOM）中烷氧碳比例約為50%，其次為烷基碳和芳香碳，與閉蓄態(tài)有機(jī)質(zhì)相比，游離態(tài)有機(jī)質(zhì)中含有較多的烷氧碳，而烷基碳較少。中國(guó)江西水稻土的顆粒有機(jī)質(zhì)（Particulate organic matter, POM）主要由烷氧碳、烷基碳和芳香碳組成，其中烷氧碳相對(duì)比例最高，占POM總量的46%～53%，其次為烷基碳和芳香碳，分別占POM總量的20%～26%和15%～21%，羰基酚基碳僅占POM的6%［54］。進(jìn)入土壤的外源有機(jī)物質(zhì)，被土壤微生物占領(lǐng)，隨后被大團(tuán)聚體內(nèi)的礦物顆粒包裹，分解破碎成更穩(wěn)定難分解的結(jié)構(gòu)后，礦物顆粒進(jìn)一步包裹纏繞形成穩(wěn)定的微團(tuán)聚體，最終被微生物轉(zhuǎn)化，參與微生物新陳代謝，微生物殘?bào)w進(jìn)一步與礦物顆粒結(jié)合，形成穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)［55］。Courtier-Murias等［37］對(duì)意大利北部高山草原土壤團(tuán)聚體內(nèi)不同有機(jī)碳組分化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，與游離態(tài)輕組有機(jī)碳相比，團(tuán)聚體內(nèi)部，特別是微團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)碳中非極性烷基碳、甲氧基、烷基芳香碳、羧基碳和酰胺的比例較高，烷氧碳的比例較低。相比游離態(tài)輕組和團(tuán)聚體內(nèi)部組分，礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳中來源于烷基碳、羧基碳和酰胺碳的比例較高，碳水化合物的比例較少（圖3），說明游離態(tài)和閉蓄態(tài)團(tuán)聚體內(nèi)部的有機(jī)碳組分由不同分解階段的植物殘?bào)w組成。從游離態(tài)組分到大團(tuán)聚體內(nèi)部，再到微團(tuán)聚體內(nèi)部，來自于脂質(zhì)生物聚合物，如蠟質(zhì)、角質(zhì)和軟木質(zhì)的非極性烷基碳化合物，這類富含亞甲基的非極性不可氫代的烷基碳增加，說明隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，植物殘?bào)w腐解程度也在增加。其他研究也發(fā)現(xiàn)，礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)碳組分特別是細(xì)粉粒有機(jī)質(zhì)組分中，C/N比、木質(zhì)素和植物來源碳含量很低，而主要是微生物來源碳較高［21,47,55-57］，土壤微生物及其代謝殘?bào)w對(duì)土壤有機(jī)碳組分庫(kù)和結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度，可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期程度［57-59］（表3）。

土壤中黏土礦質(zhì)顆粒是決定土壤有機(jī)質(zhì)結(jié)合形態(tài)和穩(wěn)定性的主要因子。土壤中大部分有機(jī)質(zhì)會(huì)與土壤黏土礦物結(jié)合，其膠結(jié)作用大小對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的動(dòng)態(tài)至關(guān)重要。不同粒級(jí)大小的土壤顆粒表面化學(xué)性質(zhì)存在差異，與土壤礦物相結(jié)合的有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì)存在明顯區(qū)別［3］。土壤黏粒中雖然也含有一些新鮮來源的有機(jī)質(zhì)，但大多數(shù)為惰性較高、穩(wěn)定性較好的物質(zhì)，其中惰性有機(jī)質(zhì)會(huì)與細(xì)粉粒和黏粒組分結(jié)合，使得土壤碳庫(kù)或氮庫(kù)主要還是由惰性庫(kù)組成［76］。土壤砂粒中有機(jī)質(zhì)主要來源于植物體，細(xì)粒級(jí)中含有大量的脂肪族化合物［44］。烷基碳和羰基碳來源于土壤微生物代謝產(chǎn)物或者微生物殘?bào)w，使得與黏粒結(jié)合的小顆粒有機(jī)碳中烷基碳和羰基碳的相對(duì)含量較高；芳香碳可能主要來自于植物殘留物的選擇性保留，使得與粉粒結(jié)合的顆粒態(tài)有機(jī)質(zhì)組分中芳香碳較高［24,33］。同時(shí)，應(yīng)用13C核磁共振技術(shù)測(cè)定的不同類型土壤不同顆粒中黏粒的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖譜（圖4）發(fā)現(xiàn)，不同類型土壤表層土壤黏粒的有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)差別較大，這可能與不同類型土壤中黏土礦物的組成有關(guān)。其中灰化土土壤有機(jī)碳中烷基碳比例較大，而棕紅壤和暗棕壤的土壤黏粒中因?yàn)槎嗵堑木壒屎写罅康姆枷闾己屯檠跆?，草甸土?/p>

黏粒中含有較大比例的芳香碳［3］。

4 土壤腐殖物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)特征

土壤腐殖物質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的主體，主要來源于植物凋落物的分解和生物組分，主要由胡敏酸、富里酸和胡敏素組成。與全土相比，土壤腐殖質(zhì)中三種物質(zhì)的烷氧碳比例較全土低，烷基碳比例較全土高（表3）。對(duì)森林土壤腐殖質(zhì)層的研究發(fā)現(xiàn)，三種腐殖質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異很大，胡敏素中僅包含分解初期的植物殘?bào)w，富里酸中碳水化合物比例高，而胡敏酸中烷基碳和芳香碳比例高［77］。中國(guó)桃源農(nóng)田旱地和水稻土中胡敏素中含有更多烷氧碳（27%～31%），芳香碳比例很低（12%～23%），富里酸中以羧基碳為主，胡敏酸中主要含有芳香碳。該研究還推測(cè)，土壤腐殖質(zhì)的形成順序可能為：外源植物殘?bào)w首先轉(zhuǎn)化進(jìn)入胡敏素，降解程度增加，進(jìn)一步被氧化，轉(zhuǎn)化為胡敏酸，最終進(jìn)入富里酸中［78］。埃塞俄比亞的森林和農(nóng)田土壤三種腐殖質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)均以羧基羰基碳為主，平均值為41%，烷基碳和烷氧碳次之（均值分別為30.3%和23.4%），芳香碳比例最少，均值為4.9%。當(dāng)森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)后，三種腐殖物質(zhì)中烷基碳的比例均顯著減少，烷氧碳的比例增加［75］。

/碳基烷處出獻(xiàn)文碳氧烷secnerefeR O-A /A 72］［—45 57.073.0］［～61.173.0］［～］06,35［ 0.1～22.0 87.035.0～16,7 16.025.0］［～29.042.0～7397.0 3.0］［～21 95.123.0］［～06 99.0-84.0］［36-26 80.181.0］［～46 19.043.0］［～85.0 220～56］［53.153.0～6645.0 2.0］［～17.075.0～76］［79.018.0～07-86 34.786.0］［～19.0 07］［27.0 27-17 1.164.0］［ ～37 97.033.0］［～47 70.389.1］［～03 37.054.0］［～83 82.1,29.1］［57 70.237.0］［～3較比化變量含對(duì)相團(tuán)能官的分組碳機(jī)有壤土的得測(cè)術(shù)技振共磁核表31 RMN C yb denimreted noitcarf nobrac cinagro lios ni spuorg lanoitcnuf fo ecnadnuba evitaler fo noitairaV3 elbaT/spuorg lanoitcnuf fo ecnadnuba evitaleR%例比占所團(tuán)能官分組碳機(jī)有壤土碳基羰碳香芳碳氧烷式方用利地土型類壤土lyklA碳基烷ezis-elcitrap lioS C lynobraCC citamorAC lykla-O sesu dnaL sepyt lioS)540=( C～δ snoitcarf)022061=()061011=()01154=(～δ～δ～δ 6101 3.038.71 843.44 4241～～～～體聚團(tuán)田農(nóng)土潮0.41 6.9 3.127.41 3.350.04 9.131.12～～～～分組粒顆，體聚團(tuán)田農(nóng)壤紅1.21 0.8 6.22 1.8 3.956.04 3.240.02～～～～分組度密，體聚團(tuán)地草，林森，林竹土成始潤(rùn)濕和飽不4.41～7.3 9.72～4.9 3.07～2.04 1.04～2.61分組度密，體聚團(tuán)田農(nóng)，地草，林森土形雛，土積沖水滯31 7 9111 1504 1372～～～～林森土溶淋性活高11 8 12 9 3544 9252～～～～分組度密，體聚團(tuán)林森土溶淋性活高水滯81 5 3231 6693 6361～～～～田農(nóng)，林森土形雛和飽不8.01 0.6 9.524.71 8.453.04 233.61～～～～分組度密，體聚團(tuán)田農(nóng)土積鈣育簡(jiǎn)81 6.7 5.121.01 4.7503 2.12 5.3～～～～分組度密，體聚團(tuán)—土軟2.51-1.11 5.22-4.51 8.54-6.23 1.43-8.02分組體聚團(tuán)田農(nóng)—2.11 1.5 5.63 7.8 9.161.03 8.231.91～～～～分組度密地草，林森土化氧，土形雛6.51 2.6 5.72 5.8 6.944.83 9.938.41～～～～組分度密林森土溶淋8.31 9.3 6.120.61 9.166.64 6.726.21～～～～分組度密土成新叢灌，林森7.71 8.4 0.031.51 8.943.92 5.935.71～～～～粒黏細(xì)土溶淋7.21 2.6 5.628.41 9.161.44 6.422.21～～～～分組度密地草，田農(nóng)土鋁鐵2.619.11 9.924.12 5.247.33 4.420.42～～～～土積沖素敏胡，酸里富，酸敏胡田農(nóng)2.71 7.9 9.222.21 2.349.23 0.530.72～～～～土為人8.323.61 15.9322.1 3.1398.8 0.6653～～～～素敏胡，酸敏胡田農(nóng)土黑34.81 10.72 75.82 79.52酸敏胡地草土鈣栗51.61 1.82 23.23 24.32酸敏胡田農(nóng)土潮7.828.02 5.6522 030.31 5.92 0.6～～～～酸里富，酸敏胡林森，地草土灰山火9.424.01 6.136.61 747.03 7.422.51～～～～酸里富，酸敏胡田農(nóng)壤棕9 5.7 2.618.21 025.51 6.746.93～～～～酸敏胡林森土育弱潤(rùn)濕質(zhì)殖腐6.229.71 2.054.24 8.424.71 8.11 9.8～～～～酸敏胡田農(nóng)土成新61,21 81,51 92,52 84,73酸里富，酸敏胡林森土灰6.0692 1.9 0 6.338.61 2.341.81～～～～素敏胡和酸里富，酸敏胡地草，林森土溶淋，土性變，土灰山火］14［］14［slios fo erutalcnemon rof la te gnoG ot refeR :etoN等同子龔考參點(diǎn)地樣取setis gnilpmaS丘封南河部中國(guó)中站壤紅西江部南國(guó)中部中灣臺(tái)國(guó)中州亞利伐巴南東國(guó)德德爾費(fèi)內(nèi)萊部中國(guó)德斯埃部東國(guó)法州森克薩國(guó)德諾亞里德卡部北利大意亞利大澳斯的加部南西牙班西部南東亞利大澳南東蘭士昆亞利大澳州斯加拉布內(nèi)部中國(guó)美多拉塞西巴丘封南河部中國(guó)中源桃南湖南中國(guó)中林吉北東國(guó)中古蒙內(nèi)北西國(guó)中城欒北河北華國(guó)中縣野長(zhǎng)，縣波筑本日蘭爾愛國(guó)英部中牙班西州加斯拉布內(nèi)部中國(guó)美州爾什布罕新部東國(guó)美亞比俄塞埃名命的類分壤土：注

圖3 全土與不同有機(jī)碳組分化學(xué)結(jié)構(gòu)的13C核磁圖譜示例［37］Fig. 3 13C NMR spectra of chemical structure of organic carbonin bulk soil and different carbon fractions ［37］

胡敏酸（humic acids, HA）作為土壤腐殖物質(zhì)的堿溶組分，更容易受到土地利用和管理措施的影響，其含量和結(jié)構(gòu)的變化與土壤肥力水平密切相關(guān)［79］，前人對(duì)土壤胡敏酸化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究較多。與前文關(guān)于全土中有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的相似性有所不同，對(duì)比分析了幾個(gè)典型地區(qū)和土壤類型條件下土壤HA化學(xué)結(jié)構(gòu)（圖5），發(fā)現(xiàn)其化學(xué)結(jié)構(gòu)差異很大，無普遍規(guī)律可循。中國(guó)東北吉林的黑土和日本駐波縣的火山灰土，土壤HA的化學(xué)結(jié)構(gòu)均在δ=57的甲氧基碳和δ=73的烷氧碳處表現(xiàn)出非常明顯的雙峰波譜，但相對(duì)比例在土壤間有差異［68,71］。美國(guó)中部的新成土和東北部的普通灰化土HA中烷氧碳所占比例最多，烷基碳比例在東北部的普通灰化土中高于中部的新成土。西班牙中部和東南部森林土壤的HA，烷基碳所占比例最大，其次為芳香碳、烷氧碳，羧基羰基碳比例最少，僅為7.0%～10.0%，隨著植物殘?bào)w不斷腐解，土壤中抗性較強(qiáng)的烷基碳比例增加，烷氧碳比例減少（表3，圖5）。澳大利亞熱帶雨林不同植被覆蓋下土壤HA的化學(xué)結(jié)構(gòu)中，含有較低比例的芳香碳，可能與熱帶地區(qū)降雨量過高有關(guān)，強(qiáng)降水使纖維素中易溶解物質(zhì)在進(jìn)入土壤穩(wěn)定性腐殖組分之前隨降水流走或淋溶［80］。非洲肯尼亞土壤胡敏酸的芳香度也與降水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［6］。西班牙土壤、日本駐波的火山灰土、中國(guó)臺(tái)灣的脫潮土、中國(guó)內(nèi)蒙古的栗鈣土和中部平原的潮土HA中，烷基碳所占比例最高。與美國(guó)和西班牙的土壤相比，中國(guó)和日本的土壤HA中，羧基羰基碳的比例較高，且日本駐波的火山灰土和中國(guó)臺(tái)灣的脫潮土HA的化學(xué)結(jié)構(gòu)圖譜比較相似（圖5）。Cao等［16］研究了美國(guó)愛荷華州農(nóng)田土壤HA結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)HA中含有大量的質(zhì)子碳，異頭碳和烷氧中碳非質(zhì)子化的比例較低，且δ=64～44處主要為含氮烷基而非甲氧基。Xu等［67］在中國(guó)南方潮土的研究中也得到了類似的結(jié)果，在δ=113～93處除了異頭碳外，還含有一定的芳香碳，施有機(jī)肥能增加該區(qū)域的芳香碳比例，且主要以質(zhì)子化芳香碳為主，說明不同施肥處理的HA在腐殖化過程中形成的途徑有所差異。

圖4 13C核磁共振技術(shù)測(cè)定的不同類型土壤黏粒有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)圖譜［3］Fig. 4 Solid-state 13C NMR spectra of the clay-size fractionobtained from different soil types［3］

圖 5 13C核磁共振技術(shù)測(cè)定代表性土壤胡敏酸有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)波譜［16, 38, 65, 67, 70-74］Fig. 5 13C NMR spectra of chemical structure of the typical humic acids worldwide ［16, 38, 65, 67, 70-74］

土壤腐殖化和植物凋落物的腐解過程除了受環(huán)境因子，如溫度、pH、土壤養(yǎng)分有效性等影響，還受土壤微生物的調(diào)控作用。除了上述影響因子，土壤自身屬性、外源物的質(zhì)量也至關(guān)重要。外源物的質(zhì)量通過影響土壤微生物群落的組成、活性和分布，控制著土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和腐殖化過程［6,81］。Quideau等［65］研究發(fā)現(xiàn)，A/O-A比在植物凋落物、土壤游離態(tài)輕組、細(xì)粉粒、黏粒中逐漸增加，符合土壤腐殖化程度逐漸增加的趨勢(shì)。Chen和Chiu［6］研究了臺(tái)灣中部森林和草地土壤顆粒組分有機(jī)碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)A/O-A比隨著粗顆粒、細(xì)砂、粉粒、細(xì)粉粒至黏粒的順序增加，說明腐殖化程度在增加。森林土壤不同顆粒中A/O-A比大于草地土壤，說明森林土壤顆粒的腐殖化程度要高于草地生態(tài)系統(tǒng)，土壤有機(jī)質(zhì)中碳組分的分異與地上植被變化是息息相關(guān)的。Zech等［82］比較了溫帶和亞熱帶環(huán)境下土壤有機(jī)質(zhì)的腐殖化過程，提出腐殖化過程中的化學(xué)途徑是相似的，由于所處的環(huán)境因子，如溫度、水分條件、土壤理化參數(shù)差別，使得土壤有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)速率存在差異。其中，溫度和溫度/降水指數(shù)主要影響全土的芳香化程度，但不涉及顆粒碳的芳香化程度。土壤有機(jī)碳的芳香碳比例隨著粒徑的減少而降低，說明有機(jī)碳的芳香化程度在逐漸降低。一些研究發(fā)現(xiàn)，烷基碳而非芳香碳是形成土壤穩(wěn)定難降解腐殖物質(zhì)的重要來源［77］。凋落物在生物降解和腐殖化過程中，來源于可提取和結(jié)合態(tài)的類脂物，或者是植物體來源的生物聚酯物和不可皂化脂肪類的生物大分子物質(zhì)的含量增加，使得土壤有機(jī)碳中烷基碳比例增加［62］。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，凋落物降解和腐殖化過程中形成的穩(wěn)定烷基碳物質(zhì)是由于土壤微生物合成代謝選擇性保留的結(jié)果。但由于土壤腐殖質(zhì)本身的高度復(fù)雜性和特異性，加之外在環(huán)境條件的異質(zhì)性，目前關(guān)于土壤腐殖物質(zhì)形成和穩(wěn)定機(jī)制方面的研究尚無定論，未來需要借助先進(jìn)的分析技術(shù)，來揭示土壤學(xué)研究中的土壤腐殖質(zhì)形成理論，探討土壤形成和演變之謎。

5 研究展望

本文綜述了應(yīng)用13C-NMR技術(shù)研究土壤有機(jī)質(zhì)及不同組分中有機(jī)質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征及其影響因素，由于土壤系統(tǒng)的開放性、復(fù)雜性和多變性，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究還需要進(jìn)一步深入。筆者認(rèn)為以下幾方面研究在未來的工作中仍需加強(qiáng)：

1）土壤有機(jī)質(zhì)來源的定量化研究與生態(tài)學(xué)功能解讀。土壤有機(jī)質(zhì)來源廣泛，分解轉(zhuǎn)化過程和途徑復(fù)雜多變，很容易受氣候環(huán)境條件的影響，依目前的研究技術(shù)和手段，尚無法完全判明土壤有機(jī)碳的化學(xué)組分究竟是來源于植物體自身的分解產(chǎn)物還是來源于微生物的二次代謝產(chǎn)物。如何準(zhǔn)確分析、示蹤外源有機(jī)物進(jìn)入土壤有機(jī)碳的分子轉(zhuǎn)化途徑及其對(duì)于環(huán)境的響應(yīng)特征，闡明不同來源的有機(jī)碳對(duì)土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性和土壤肥力的生態(tài)學(xué)涵義，將是未來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

2）特定土壤微生物在土壤有機(jī)質(zhì)分解和轉(zhuǎn)化過程中的作用機(jī)制。土壤微生物在土壤有機(jī)碳形成和穩(wěn)定化過程中起至關(guān)重要的作用，對(duì)土壤有機(jī)碳結(jié)構(gòu)和庫(kù)的貢獻(xiàn)可能遠(yuǎn)超預(yù)期。目前大多數(shù)研究停留在微生物群落或種群尺度的描述上，土壤微生物與有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的耦合關(guān)系及其貢獻(xiàn)程度尚不清楚，且某些特定功能微生物對(duì)有機(jī)碳分解轉(zhuǎn)化和碳庫(kù)組分化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的定量分析尚缺乏，還需深入研究。

3）土壤有機(jī)質(zhì)分子結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性的物理、化學(xué)和生物學(xué)保護(hù)機(jī)制。土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定化過程受土壤生物、物理、化學(xué)調(diào)控耦合作用。如何定量描述不同分子結(jié)構(gòu)、組織和較大團(tuán)粒的選擇性保留機(jī)制?土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)如何形成空間隔離，使有機(jī)物質(zhì)不能與微生物、酶和氧氣接觸而被降解?有機(jī)物質(zhì)如何膠結(jié)在不同黏土礦物顆粒組成和電性的礦物表面，與黏土礦物形成難降解的穩(wěn)定大分子結(jié)構(gòu)?這些方面研究還有待深入。

4）區(qū)域大尺度環(huán)境因子/土壤生態(tài)過程與土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)的耦合作用。環(huán)境條件與土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)在空間尺度上存在差異，如何將宏觀大尺度環(huán)境過程與微觀尺度土壤有機(jī)質(zhì)的微生物化學(xué)過程相轉(zhuǎn)換是目前研究難點(diǎn)。由于環(huán)境條件和土壤生態(tài)系統(tǒng)過程變化涉及多個(gè)影響因子，且這些因子之間耦合作用與陸地其他圈層之間存在極復(fù)雜的正負(fù)反饋關(guān)系，揭示土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)多重環(huán)境和土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的響應(yīng)是未來研究的主要方向。

5）多種土壤有機(jī)碳化學(xué)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的開發(fā)及解讀。目前，核磁共振技術(shù)結(jié)合其他先進(jìn)分析技術(shù)，包括13C-微生物探針技術(shù)、熱裂解氣相色譜/質(zhì)譜法等，已被廣泛應(yīng)用于土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性、不同物理化學(xué)組分的保護(hù)機(jī)制、土壤有機(jī)碳與黏土礦物結(jié)合的穩(wěn)定機(jī)制及以上過程中的生物化學(xué)和調(diào)控機(jī)制方面的研究中。然而，這些技術(shù)或多或少存在一定缺陷，如核磁共振技術(shù)僅能得到土壤有機(jī)質(zhì)化學(xué)基團(tuán)種類和相對(duì)比例信息，很難深入研究其化學(xué)官能團(tuán)之間的相互關(guān)系，勢(shì)必影響對(duì)有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性和生態(tài)學(xué)功能的認(rèn)知。此外，由于土壤有機(jī)質(zhì)本身高度復(fù)雜性和不均一性，如何將有機(jī)碳化學(xué)官能團(tuán)與生態(tài)系統(tǒng)中的大分子化合物進(jìn)行正確的判斷和聯(lián)系，如何將分子尺度的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)推測(cè)到土壤有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)組成，均需要建立更全面準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)辨識(shí)技術(shù)體系。發(fā)展新的技術(shù)方法、構(gòu)建豐富完整的土壤有機(jī)碳化學(xué)分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)、提高化合物自動(dòng)判讀的精度與準(zhǔn)度將是當(dāng)前研究中面臨的巨大挑戰(zhàn)。

致 謝 感謝中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所隋躍宇研究員對(duì)文章表2 和表3 中關(guān)于土壤分類給予的指導(dǎo)和意見。