探索土壤有机质的奥秘 Probing the Nature of Soil Organic Matter

土壤观察 2022-07-27

转载自厚土学社公号（2021年10月30日）

探索土壤有机质的奥秘

Probing the Nature of Soil Organic Matter

原文作者：Zhe (Han) Weng, Johannes Lehmann, Lukas Van Zwieten, Stephen Joseph, Braulio S. Archanjo, Bruce Cowie, Lars Thomsen, Mark J. Tobin, Jitraporn Vongsvivut, Annaleise Klein, Casey L. Doolette, Helen Hou, Carsten W. Mueller, Enzo Lombi & Peter M. Kopittke

发表于：Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2021.

DOI: 10.1080/10643389.2021.1980346.

导读：科学研究的美，不在于发表研究发现的成就，而更在于研究不断接近于真实，接近自然(Nature)。土壤有机质是之所以有土壤的关键物质，是形成土壤结构和土壤体的基础。也许，关于土壤有机质和土壤固碳的研究，是最近10年来土壤学学术竞争最活跃、学术更新最快速的领域。我们已经不再拘泥于“土壤有机质就是腐殖质”这样的老调重弹，而是从生命活动的产物在土壤中的持留状态及其这种状态与土壤中生命的关系重新审视土壤有机质的本质。这篇文章是主要来自澳大利亚以及美国和丹麦的科学家为“Critical Reviews in Environmental Science and Technology”杂志撰写的评述论文，一改以往以论点出发进行评点和阐述的综述风格，先入为主，直接就以“土壤有机质”认识的新理论为框架，“论点需要方法”的思路，评述探索土壤有机质本质的多种原位高分辨率方法及其与既定理论的关联性，最后展望了新的不同尺度和不同分辨率方法组合研究土壤有机质复杂性的前景。由于国内土壤有机质新理论尚未广泛接受和应用，对土壤有机质的深入研究还不广泛，这个评述非常有利于作为开展这样的研究的理论和技术方法参考。网络上已有的该文的微信推送，可能因非专业翻译的缘故，存在一些理论的不清楚、术语的不准确和技术方法翻译的不恰当之处，我们组织了土壤有机质研究团队，重新对原文进行了全文翻译，发表在这里，希望对全国同行和对土壤有机质关注的相关科技界提供参考。值得一提的是，该文的第四作者，Stephen Joseph是我团队兼职教授，这个工作也称得上南京农业大学土壤学科的部分学术贡献。

摘要：土壤有机碳（SOC）管理是一种基于自然的大气二氧化碳封存技术，其同时有助于土壤健康和农业生产力。土壤学界正在摒弃基于土壤腐殖质的土壤有机质（SOM）本质的传统假设，因为土壤腐殖质是操作定义，并没有被当今原位光谱显微检测技术观察到。相反，新理论认为，有机化合物的分子多样性、空间异质性和时间变异性间的相互作用控制着土壤有机质的形成与持留。对发生于有机-矿物和有机-有机集合体中的这些过程的机制认识，需要采用非破坏性技术以尽量减小对样品的物理和化学整体结构的干扰。本文提出一个理论导向的审视，讨论一套原位检测组合方法作为更好地了解微米和纳米尺度土壤有机质的固持和动态及其养分效应的解决方案。文中我们挖掘相关理论基础来反映现有方法的进展、历史沿革及未来的机遇。已在相关科学领域中应用而仍未在土壤学使用的交叉学科方法、途径的案例提供了演绎和归纳分析的机会。我们得以表明，跨尺度的不同概念方法是如何相互印证的，且高分辨率研究技术对于解决下一代问题是多么重要和不可或缺的。

关键词：土壤有机碳；原位方法；分子多样性；空间异质性；空间-组成-时间连续体；有机-矿质和有机-有机相互作用

1 引言

土壤有机质 (SOM) 在维持土壤健康、可持续作物生产、水质（如吸附污染物和减少养分流失）、人类健康（污染物钝化和微量营养元素有效性）以及减缓（碳封存）和适应气候变化等方面发挥着至关重要的作用(Kramer & Chadwick, 2018; Minasny 等, 2017; Rumpel 等, 2020; Sanderman 等, 2017; Schmidt 等, 2011)。土壤保持的有机碳要多于大气和植被之和。据估计，全球一米深土壤含有1,5000 亿吨的有机碳(Arneth 等, 2019; Minasny 等, 2017)。从历史上看，50亿公顷的自然生态系统开垦为农田产生了大约1500亿吨的碳损失；当前，全球农业用地仍平均以每年每公顷2t速率损失有机碳(Arneth 等,2019; Minasny 等,2017; Ogle 等,2005; Sanderman 等,2017)。反过来说，这给了人类重建土壤有机质库的巨大空间，即其潜力可达每年固定25亿吨CO2-C (Smith 等,2020)。土壤有机碳几乎全部源自光合作用的植物输入以及加工处理植物物质的动物和微生物产物。即使只有小部分植物光合碳输入土壤，全球仍可每年固定15-34 亿吨碳(Lal 等, 2018; Minasny 等, 2017)。构建土壤有机碳是激活土壤健康的关键策略，这反过来又有助于维持农业生产力及其对极端条件的恢复力(IPCC,2019;Rumpel 等, 2020)。最近的一项整合分析表明，增加土壤有机质下小麦产量可潜在增加 10±11%，而玉米产量潜在增加 23±37%（Oldfield 等，2019）。因此，构建土壤有机碳有多种益处，值得采取高层政策来实现这种效果。

为了创新碳固存途径，需要更详细地了解与土壤有机质动态相关的机制。传统的湿化学方法需要（物理或化学的）过程来破坏土壤空间架构 (Hayes 和 Swift, 2020)。不过，分析技术的进步已使我们有可能测定土壤有机质的复杂分子结构而无需要改变有机碳本身结构的分析过程(Kelleher and Simpson, 2006; Kleber and Johnson, 2010; Lehmann and Kleber, 2015; Schmidt等,2011)。本评述中论述的原位分析途径强调了避免了化学提取和样品处理所产生的人为干扰（第 2 节），这些包括光谱显微分析技术的新方法，可以提供土壤中有机碳组分的原位空间信息。

这里在前人对上述各种新的方法在土壤研究中应用的综述基础上，提出我们的审视和见解。Stuckey (2017)等综述研究了使用扫描透射 X 射线显微镜 (STXM) 研究亚微米土壤生物地球化学过程的问题；Chenu (2015)等综述了研究土壤有机质动态的土壤分组和有机质组成分子测定的方法；Hoppe (2013)、Mueller (2013)等的综述提升了推动了纳米尺度次级离子质谱法 (NanoSIMS) 在生物地化学和土壤微环境中的应用；Parikh (2014)等总结了土壤化学方面红外光谱的应用；Lehmann & Solomon (2010) 回顾了使用基于同步加速器的光谱方法对土壤有机质化学的研究，将这些新方法引入到土壤有机质结构及其形成的新理论的轨道。

这里的综述是理论先导的，主要讨论解决有关有机质集合体短期变化动态的关键问题的方法学问题，而这些短期动态是与有机质集合体中微生物过程、团聚化作用、有机-矿物和有机-有机相互作用等过程紧密关联的。本综述侧重于土壤有机质动态和行为的演绎和归纳，这就需要了解如下方面：有关土壤有机碳功能组的分子多样性；土壤有机碳组分的空间（分布）异质性；以及分子多样性与空间异质性的相互作用及其短期变化。(1)有机碳官能团的分子多样性（图1）。我们也认识到，任一种分析方法都会有挑战或者不足之处，有些问题也不一定有分析方法可以解决；甚至有些问题不一定有理论方案。

图1 研究土壤有机质的原位方法。a, 曾经流行的“腐殖质”假设，是操作定义的，并没有被当代的原位光谱显微技术观察到。通常本土分析技术需要提取有机质（因为丰度低）然后才能分析；b，新理论表明有机质的分子多样性、空间异质性和时间变异性间的相互作用控制着土壤有机质的持久保持；c，本综述提出的原位组合分析方法，以更好地了解 SOM 持留与动态及其对养分分布的影响。

2 土壤有机碳持留的主流理论

近几十年来，学界关于土壤有机碳持留存在三种不同的理论。其一是腐殖化理论(Kögel-Knabner, 2000; Kononova, 1966; Rice, 2001)；其二是选择性保持理论 (Aber 等, 1990; Melillo 等, 1982; Mueller 和 Kogel-Knabner, 2009; Prater等, 2020)；其三是渐进分解 (Burdon, 2001; Cotrufo等, 2013; Trumbore, 1997)。这些概念在多个综述中有过广泛的讨论，本文对这些理论进行了归纳，列在补充材料中。

3 关于土壤有机质的新理论和新假设

关于土壤有机碳稳定性的新理论来源，但不同于，以往的几种观点和假设(第2节)，并认为土壤有机质持留取决于有机化合物的分子多样性(第3.1节)，有机-矿物和有机-有机界面之间的相互作用(第3.2节)以及微生物分解有机质的时间变化(第3.3节)(图1b)。在土壤有机质本质认识上的这种变化，为更好地预测和管理土壤结构、土壤健康、水和养分平衡、温室气体及其升温响应等方面提供了良好的契机。

3.1控制有机质分解的不是有机质的质量，而是其分子多样性

微生物摄取和代谢的多种过程导致了土壤中有机质的高度分子多样性(Lehmann 等, 2020)。输入土壤的有机物质在组成和空间分布上的差异会影响SOC周转的性质(Angst 等, 2019, 2021)。分子多样性控制着溶液中的有机分子的持留 (Roth 等, 2019)，也控制着固体物质中有机-矿物和有机-有机表面的相互作用(Possinger 等, 2020a)。事实上，传统的土壤有机质认识（“腐殖质”）也是建立在解释有机质多样性的基础上。现在已经很清楚，假想的有机质大分子（例如很多文献上所称的，supermolecules或 biopolymers-译者注）在自然土壤中并不存在，只是来源于苛刻的化学提取过程中小分子的自行装配 (Myneni 等, 1999; Piccolo, 2001; Sutton和 Sposito, 2005)。

3.2有机-矿物和有机-有机相互作用增强了空间异质性

有机-矿物相互作用和团聚体形成在土壤有机质保护中的作用已在各种生态系统、土壤类型和环境条件中得到证实(Cotrufo等, 2019; Hemingway 等, 2019; Kleber等, 2015; Mikutta等, 2009)。土壤中宏团聚体发育或者破坏伴随着团聚体对有机碳的持续吸附或者解吸(Peng 等, 2017)。在改变土壤有机碳持留性上，有机-有机相互作用也可能是重要因素，但仍有待研究。在纳米尺度上已经观察到存在不规则的有机质结构和有机-有机界面，显然与有机质是同向层状有序结构的传统假设相矛盾(Possinger等, 2020a; Vogel 等, 2014)。况且，氮富集共存于矿物界面上氧化性碳组分，而不是在有机-有机界面上与烷基碳共存，这也支持了这一观点(Possinger 等, 2020a)。

3.3 与微生物可达性有关的有机质空间组合的时间变化

为了更好地了解和预测土壤有机质周转，明确其在土壤-矿物基质的微米到纳米尺度的空间分布以及微生物生态与矿物表面界面相互作用的时间变化变得至关重要。目前的证据表明，与微生物相关的有机质空间组合的时间变化可能是土壤有机质稳定性的重要驱动因素(Lehmann 等, 2020)。一种新的有机碳分解理论考虑了微生物投入和适应的能量回报以及有机物转运的时间变化。于是，有机化合物的分子多样性、空间异质性和时间变异性间的相互作用最终决定有机碳的稳定性(Lehmann 等, 2020)。

4 基于新理论探索土壤有机质的本质

根据最新的理论和假说（图1c），这里考虑了对理解土壤中有机碳固存具有重要意义的三大类技术。首先，我们审视了评估土壤中有机碳形态及其与土壤成分相互作用的原位检测评估方法，既可以是一维（即本土土壤分析，只获得含量—译者注）也可以是二维（即分布图示，二维映射-译者注），这些方法提供了有关有机化合物多样性如何影响其与土壤成分、化合物之间以及与土壤微生物相互作用的重要信息。其次，我们研究了在微米和纳米尺度土壤基质碳（和N、Fe和Ca等其他营养元素）的二维和三维空间分布方法，可以探讨有机碳与其他元素与各种土壤成分相互作用的机制、有机碳在土壤基质中的排列及这种排列如何影响其与微生物的相互作用。最后，我们也考察了另外一些原位分析方法，这些有可能提供关于碳以外的有机质本质的互补性或者多学科信息。通过图1，我们提出了多种研究技术的组合，挖掘更多信息和更客观理解由有机质功能类群的分子多样性、有机碳组分的土壤空间异质性以及时空组合的相互作用所驱动的土壤有机质过程（图1）。在某一研究中确定何种方法适合取决于一系列因素，包括对碳本身所需信息的本质（比如是解构碳含量还是碳组分），有机质信息的所需维度 [一维-土体含量）还是二维和三维]以及所需的分辨率和检测限。

4.1一维和二维评估碳形态及其与土壤组分的相互作用

4.1.1 固态¹³C核磁共振（NMR）

技术背景：核磁共振（NMR）光谱可用来全土（不分组）分析，以测定有机碳功能类群的形态而不是分子多样性（图2）。在核磁共振中，样品置于磁场中，信号由某些原子核的激发而产生（Knicker 和 Ludemann，1995；Kögel-Knabner，1997; Smernik, 2005）。先前的液态核磁共振是对土壤提取物进行非原位测试，而固态核磁共振可以直接采用固态样品，减少了样品制备工作量（Wilson，2013）。

信息：采用核磁共振波谱仪方法，可以确定全土或分组组分中有机碳的形式。化学位移区段可对应于四个光谱区域，标记为；（1）烷基C（10-45 ppm；长链聚亚甲基型结构，如脂肪酸、蜡质和树脂；（2）O-烷基C（45-110 ppm；大部分为碳水化合物）；（3）芳香族C（110-160 ppm；质子化和C被取代的芳香族，不饱和C和含氧的芳香族）和（4）羧基（160-200 ppm；羧基C、酯和酰胺）（Baldock等, 1992; Oades等,1987）。

图2 用于探测土壤有机质性质的11大类的比较。所有值均表示典型系统。

局限性和潜在解决方案：核磁共振波谱仪法的局限性在于难以识别特定化合物（Kögel-Knabner,2000; Oades等,1987; Smernik 和 Baldock, 2005）。此外，土壤中顺磁性和铁磁性矿物的存在可能对固态核磁共振产生干扰（Oades等,1987）。然而，随着NMR的最新进展，这些局限性已经有对策，在某些情况下这种局限性反而可能是该方法的优势。

与理论的联系：核磁共振波谱仪法习惯用于研究有机质的选择性保护（第2.2节）和渐进分解（第2.3节）学说。比如，Baldock 等(1992)的核磁共振波谱研究中，将某土壤2-20μm组分中芳香族和烷基-C含量的增加完全可以归结于选择性保护。然而，¹⁴C测年表明, 难分解（老）的有机碳分子并没有被特别保护(Amelung 等, 2008; Dignac等, 2005; Gleixner, 2013）。核磁共振波谱仪揭示的已分解的天然有机质的化学结构表明，某些化学基团随着分解的进行而积累，而另一些被消解的速度比其他基团快得多，从而导致（相似植被条件而不同土壤条件）土壤有机质组成的显著差异（Baldock等, 1992; Sollins 等, 1996）。这些直接证据支持了“腐殖质”的化学成分就是已知植物和微生物源化合物的混合(Kelleher & Simpson, 2006）。

核磁共振波谱仪方法也被用于验证有关分子多样性（第3.1节）和有机-矿物相互作用（第3.2节）的一些新理论。将交叉极化与魔角旋转技术结合（CPMAS）可以显著提高固体样品核磁共振波谱谱分辨率。¹³C-¹⁵N双同位素核磁共振波谱仪（¹³C-¹⁵N CPMAS NMR）可用于检测近¹⁵N核的¹³C核，而显示酰胺-C和N-取代的烷基-C原子之间的耦合（C-N 耦合）（Knicker等, 2002）或者土壤中已分解的秸秆残渣中固定态肥料氮（Chen等, 2021）。这支持了这样的认识：在微生物降解过程中，无机氮普遍被固定在类似肽键结构的有机化合物中（第3.1节）。通过有机-矿物-金属相互作用而固定的碳也是与铁氧化物优先结合（Schoning 等, 2005）。核磁共振波谱仪法也帮助解释土壤类型和粒度对土壤有机碳分解的影响，提示了许多矿质土壤中矿物质和碳形态的紧密关系，但不是空间分布（Angst等, 2017; Baldock等, 1992; Kögel-Knabner, 1997; Paetsch等, 2017）。核磁共振波谱中的自旋弛豫可用于探测C-Fe相互作用，其中可以确定羧基和芳香族C与Fe³⁺的亲和度（Possinger等, 2020b）。

4.1.2 红外波谱(IR)和红外显微波谱(IRM)

技术背景：傅里叶变换红外光谱(FTIR)可以提供土壤主要化学类群和矿物成分的诊断信息，这些测量通常使用传统的碳化硅热棒源红外光。当红外辐射被土壤样品吸收或反射时，中红外区FTIR光谱提供了关于土壤总体化学成分的信息。这里我们关注最常见的台式机方法: 透射和衰减全反射(ATR)模式。红外显微光谱(IRM)可以在微米尺度上提供生物材料或复杂非均质土壤分子组成的侧向分辨(二维映射)信息(Johnston和Aochi,1996; Lehmann 等, 2007; Marinkovic 等,2002)。也可以使用ATR进行测量，这依赖于一种形式的内反射，以便能够分析不能充分反射IR或不能切片进行透射测量的样品 (Vongsvivut等, 2019)。当红外辐射穿过高折射率晶体到达样品表面时，会产生总内反射。这使ATR免受水的干扰，使其成为研究溶液-固体界面的一种有效方法。

信息：对于土壤本体分析（第3.1节），通过吸光度确定的红外波谱振动带可以对应于相关的有机碳基团组分：（1）3630 cm^-1处的吸收峰对应于O-H基团（羟基）的伸缩振动，可能多归于粘土矿物；（2） 2920 cm^-1处的吸收峰对应于脂肪族生物聚合物的C–H伸缩振动；（3）1600 cm^-1处的吸收峰对应芳香族C或N-H畸变的C═C伸缩；（4）1035 cm^-1处的吸收峰值对应于多糖C的C–O伸缩振动(Parikh et al., 2014)。红外显微光谱仪可以使用同步加速器的光源或小型的碳化硅热棒光源进行。除了光子来源外，FTIR和IRM两种方法原理相似，同步辐射光源的高亮度（是FTIR亮度的100–1000倍）特别适合刻画土壤有机碳分布，因为大多数土壤中有机碳浓度相对较低。就横向分辨率来说，在同步加速器光源下通常达到3×3μm，在小型实验室规模的碳化硅热棒光源下则是6×6μm。

局限性和潜在解决方案：必须承认，FTIR适用于大量样品的快速和总体（不分组）有机碳形式测试，但不适用于有机碳组分形态或有机碳的动态变化研究。FTIR波谱中的吸收峰是否属于有机碳的准确鉴定更会受到矿物的干扰(例如在1400-400 cm^-1波数范围内)，土壤有机碳异质性(例如，在1530 cm^-1处C═N氨基化合物II和芳香族C═C之间的重叠)也阻碍了红外吸收谱带的准确归因。红外显微镜技术的限制是样品制备明显比大部分土壤总体FTIR分析复杂（图2）。通常将土壤团聚体预先润湿，使用金刚石刀手动低温超微切割，切片至小于200 nm的厚度, 最好没有嵌入介质(Hernandez-Soriano 等,2018; Lehmann等, 2007)。

与理论的联系：红外显微镜技术(IRM)可用于探索有机-矿物相互作用（第3.2节）。由一张红外光谱图收集的波谱数据的线性回归分析，可以说明有机-矿物保护作用(Hernandez-Soriano 等, 2018; Lehmann 等, 2007)。也就是说，即粘土含量（3630 cm^-1处的吸光度）与多糖C（1035 cm^-1处的吸光度）、芳香族C（1600 cm^-1处的吸光度）或脂肪族C（2920 cm^-1处的吸光度）之间的相关性。这种分析提供了土壤中特定化学成分的横向分布的微观图解，并与这些化学成分的功能关联起来（图3a）。而衰减全反射(ATR)模式的红外波谱分析非常适合于确定有机(如根系分泌物中的草酸盐和马来酸盐)和无机分子(如碳酸盐和硝酸盐)在矿物表面(如赤铁矿、针铁矿和高岭石)吸附机制，无论是内层还是外层(Parikh 等, 2014)。该方法尚未应用于土壤，但该方法可以测试有机碳在矿物表面的连续吸附和解吸概念，如第3.2节以及在3.3节中讨论到的时间变化所述。

4.1.3 近边 X 射线吸收精细结构 (NEXAFS) 光谱结合软 X 射线扫描透射 X 射线显微镜 (STXM)

技术背景：基于同步加速器的软 X 射线或 C (1 s) 近边 X 射线吸收精细结构（NEXAFS 或 XANES）光谱尤其适合表征复杂异质土壤中的碳形态，因为吸收光谱直接取决于原子的局部键合环境 (Lehmann 和 Solomon, 2010)，可用于表征表面和近表面界面层（分析深度 100-300 nm）。对于 NEXAFS，光谱是通过逐渐增加穿过感兴趣元素（在这种情况下为 C，对应的 K 边为 284 eV）的吸收边缘的入射光子（X 射线）束的能量来获得的。由光电效应所决定，随着能量在吸收边缘上的增加，入射光束（和相关的 X 射线荧光）的精确吸收取决于键合环境（即碳物质组分，C speciation），而光谱的差异取决于所存在的碳形式（C forms）。在NEXAFS 分析中，入射 X 射线束的能量是沿被关注的边缘增加，因而这种分析是元素特定的（每个元素反映不同的能量），而这使 NEXAFS 分析的优点很突出---对被关注元素的结合环境更灵敏。NEXAFS 适于关于碳形态的本体（不分组）分析，规定工作条件下光束的检测域通常大致在0.1-1 毫米范围内（Cowie 等, 2010; Torres-Rojas 等, 2020, 图 2 和 S1 )。

STXM 是 X 射线显微镜的一种形式，其中波带板X 射线束聚焦到一个30-50 nm的微域上，在波带板中央的一个样品被扫描，而透射 X 射线强度被记录，它是样本状态（位置？-译者注）的函数 (Urquhart和Ade, 2002)。STXM 本身可用于获得元素分布图，但当 STXM偶联于 NEXAFS时，它可以在 50 nm 尺度上生成各种碳组分的定量二维图（Stuckey 等, 2017; Urquhart和Ade, 2002）。进一步，可以通过旋转样品的形貌分析得到三维成像。基于透射 X 射线显微镜的形貌学分析已被用于揭示高岭石与蒙脱石的粘土团聚体（Zbik 等, 2008）和微生物细胞（Guttmann 等, 2013）的三维结构。

信息：NEXAFS 光谱可以用于探测土壤有机质的分子多样性，其强烈的共振波谱信号可以匹配于以下有机基团：(1) 醌基C（284.1 eV；芳香醌）；(2) 芳香C (285.2 eV，共轭C=C键的1 sp 跃迁；烃、氨基酸和核碱基的芳香环结构)，(3) C-OH 键的脂肪C/酚类C (287.3 eV；微生物来源 C) , (4) C-OOH键的羧基C (288.6 eV) 和 (5) C-O键 (289.3 eV)-指示（半）纤维素和木质素的强度（Lehmann 和 Solomon, 2010; Solomon 等, 2012）。NEXAFS 已应用于研究热解有机碳、土壤胶体、溶解性有机质和土壤本体（bulk soil），以及氨基酸和肽等生物聚合物的结构组成（Lehmann和Solomon, 2010; Torres-Rojas 等, 2020）。

局限性和潜在解决方案：对于本体样本(不分组)NEXAFS 分析，将土壤研磨成细粉来制备样品可以掩盖有机碳功能类群的细微变化，而要用<1 mg的小土壤样本研究这种变化是十分棘手的。尽管 NEXAFS 可以应用于本土分析（一维），但当与 STXM 偶联时，它也可以作为横向解析分析（二维映射）使用。

与理论的联系：NEXAFS-STXM 已被用于为验证土壤有机质的分子多样性（第 3.1 节）和有机-矿物相互作用（第 3.2 节），而这些是与“腐殖化”理论（第 2.1 节）相冲突的。本体样本 NEXAFS 分析可以捕获土壤有机质内在分子结构的变化，这些变化可能影响与土壤有机质有关的生物地球化学碳循环和养分的生物有效性。例如，NEXAFS光谱中脂肪族 C 峰强度的增加指示可能的根系沉积物的持留（图 3b; Weng 等, 2017）。使用NEXAFS-STXM的原位成像和光谱分析，直接观察到土壤内有机碳种类在纳米尺度上高度异质性（Lehmann 等, 2008; Schumacher 等, 2005）。这样的观察也坐实土壤有机质中简单生物分子的明确存在，而不是像通过碱提取那样得到的是操作定义的“腐殖质”（第 2 节；Kelleher 和 Simpson, 2006）。除了有机碳功能类群的横向分布信息外，NEXAFS-STXM 还可用于研究与有机-矿物复合相关的一些元素（例如 N、Al、Si、Ca 和 Fe）的 K 边或 L 边（Chen 等, 2014; Chen 和 Sparks, 2015; Solomon 等, 2012）。酸性土壤中有机质与 Al（Fe）氧化物间的相互作用一直是剖析土壤中有机质固持的焦点（Keiluweit 等, 2012, 2015; Kramer 和 Chadwick, 2018; Rumpel 等, 2015）。

图3.（a）使用基于同步加速器的红外显微光谱（澳大利亚，同步加速器）分析的亚热带牧场下来自Rhodic 铁铝土的游离水稳定微团聚体（53-250 µm）的半薄（200 nm）切片。显示脂肪族 C (2920 cm ^-1) 和矿物 OH (3650 cm ^-1) 分布的光谱图。来自 64 次叠加扫描（分辨率 4 cm ^-1），横向分辨率为 5 mm（条形：50 mm）。(b) 微团聚体 (53-250µm ) 的平均 NEXAFS 光谱，显示 (1) 醌 (284.1 eV)；(2) 芳香族 C (285.2 eV)，和 (3) 脂肪族 C/酚类 C-OH (287.3 eV)，(4) 羧基 C-OOH (288.6 eV)（n = 9，CV% < 3%）. (c) 相同样品的 XPS 光谱显示常见的 C 1s 光电子峰为：(1) C = C (284.6 eV)；(2) C-OH（苯酚或羟基，286.2 eV）；(3) 羰基 (C=O) (287.5 eV)；(4) 羧基 (COOH) (289.1 eV)；(5) 震荡卫星峰 (291.4 eV)

4.1.4 X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)

技术背景：XPS是一种基于光电效应的定量光谱学分析技术，可以识别材料内部或表面的元素组成、化学状态及多个元素的整体电子状态。类似于NEXAFS分析，XPS分析也是入射光(X射线)光束照射样品。XPS分析既可用破碎土壤样品，也可用非破坏的土壤样品 (Gerin 等, 2003; Mikutta等, 2009)。

信息：对于有机质分子多样性来说，XPS可以定量检测不同有机碳组分的相对丰度(Briggs和Seah, 1990)。通常，可分出下列C_1s光电子峰对应的有机碳组分：(1)284.6 eV为中心的电子峰，代表典型的sp²碳键电子(C=C)，即离域的sp²电子；(2) 286.2±0.2eV为中心的电子峰，代表C-OH(苯酚或羟基)、醚基(C-O-C)或吡咯基(C-N)；(3)287.5±0.4 eV为中心的电子峰，代表羰基(C=O)；(4) 289.1±0.3eV为中心的电子峰，代表羧基（COOH）；(5) 291.4 eV为中心的电子峰，代表振动卫星峰，这是离域电子sp²的π→π^*跃迁特征(图3c; Gerin 等, 2003)。这种方法在探测矿物表面(第3.2节)上有用，其分析深度在5-10 nm间(Amelung 等, 2002; Woche 等, 2017)。

局限性和潜在的解决方案：传统的XPS分析需要风干土壤，且通常在低于10^-9mbar的超高压真空站使用铝或镁X射线源进行测定。这就限制了应用于有机质动态研究中碳组分变化的测量。最近，常压XPS分析技术得到发展，使用同步辐射X射线源，为研究有气体和水分存在的土壤样品提供可能。尽管它在表面科学和纳米技术中广泛应用，由于束线时间（射线机时）的限制，土壤有机质研究中尚未广泛采用这种方法 (Salmeron和Schlögl, 2008)。

与理论的联系：XPS可用于研究有关有机质分子多样性的理论(第3.1节)，有机-矿物相互作用(第3.2节)和时间变化(第3.3节)。XPS可以随着时间的推移测定得更深，并与样品中的特定区域精确对准，从而以3D形式测量SOC的元素含量和功能类群，而具有深度剖析的功能。这些深度剖析可联系到土壤所吸附有机质的层状结构。通过角度溅射，矿物有机复合体近表面的芳香碳富集，但外层区域的酰胺碳含量较高 (Mikutta等, 2009)。这可能表明，随着氨基官能团的增多，代谢物和/或蛋白质类物质更多地被吸附保存。通过分层的离子溅射分析，用预先定义的溶液培养的土壤微阵列，可以研究用设计的水溶液培养的土壤切片中土-水界面有机质的时空行为(第3.3节)(Huang 等, 2020)。用这种技术可以表明，纳米有机膜的薄层是微生物生物量碳(>130 nm)和矿物-有机复合体(20-130 nm)的自组织产物。

4.1.5 配置电子能量损失谱(Electron energy loss spectroscopy, EELS)的透射电子显微镜(Transmission electron microscopy, TEM)

技术背景：TEM是另一种显微技术，在这种技术中，入射电子束通过超薄(约100 nm)样品产生图像。增加一个对会聚光束进行光栅扫描以形成图像的系统，配上合适的探测器，TEM可改装为扫描透射电子显微镜(STEM)。对于TEM/STEM，电子能量损失谱(EELS)可用于提供土壤样品中有机碳分布及组分的横向分辨(二维映像)信息。在EELS中，样品暴露在一束已知动能范围很窄的电子束中。由于非弹性散射，一些电子会失去能量，路径发生偏转，用电子能谱仪测量非弹性散射过程中的能量损失量，其结果可以联系于有机碳的分布进行判读。

信息：在283-290eV能量范围内的EELS光谱可以归因于下列C键：(1) C=O,醌c(283.0–284.5 eV)(2) C=C，芳香C(284.0–285.5 eV)；(3) C-OH，酚醛C(286.0-287.4 eV)；(4) C-H，脂肪族C(287.0-287.8 eV)；(5) COOH，羧酸C(288.0-288.8 eV)；(6) C-O，O-烷基C(289.0-289.5 eV)；(7) C=O，羰基(290.0-290.5 eV)(Fig.4d)。

局限性和潜在的解决方案：TEM-EELS的一个潜在限制是分析本身会对样品的有机成分和碳官能团造成辐射损伤。此外，EELS中的有机官能团很难检测到，因为许多组分都被高能电子束破坏或挥发。当然，可以通过低温样品夹持器和低剂量照射来减少TEM中的样品辐射损伤。为了制备超薄TEM薄片，必须对样品进行薄切，减少样品损伤的最好方法是使用银涂层/冷冻显微切割法的低温聚焦离子束(Focused ion beam, FIB)进行铣削(Archanjo等, 2017; Possinger等, 2020a)。不过，这些方法仍在开发中。

与理论的联系：TEM-EELS可用于探析金属-矿物相互作用(第3.2节)，并横向量化纳米尺度的元素形态(第3.1节；约<0.5 nm；Fig.2和Fig.S1)。使用cryo-STEM-EELS，在<10 nm尺度首次检测到烷基C和N在有机金属-有机物界面上的富集(Possinger等, 2020a)。这一发现可以更好地理解富N秸秆在土壤碳封存中的作用(第3.2节)。此外，FIB方法可以对热解有机碳(Archanjo等, 2017)和有机-矿质与有机-有机界面的原表面进行分割、识别和表征(Possinger等, 2020a)。因此，选择TEM样品制备方法对于功能类群（功能基团）的检测起着重要作用。

4.2 土壤基质总碳的元素分布（二维与三维映像）

在4.1部分提到的方法可以区分C元素及其存在形态在二维空间上的分布。但是在本节中，我们着重讨论的是直接揭示C元素的分布技术（这些技术一般只限制于C元素的分布，并不能区分C形态）。

图4 有机-矿物界面的STEM纳米尺度分析。（a）有机-矿物界面的STEM角度环形暗场图像。（b）在矩形区域（a）收集EDX图，显示C、Si、Al、FeO、K、CL、S和Na的元素分布。（c）EELS铁L-边图。（d）EELS C K-边谱（左）和图（右）可以指定：（1）C=C，芳香C（284.0-285.5 eV）；（2）C-OH，酚C（286.0-2874 eV）（3）C-H，脂肪族C（287.0-2878 eV）（4）COOH,羧基C（288.0-288.8 eV）；和（5）C=O，羰基（290.0-290.5 eV）。

4.2.1 搭载EDX能谱仪的扫描电镜（SEM）或透射电镜（TEM）联用技术

技术背景：扫描电镜（SEM）是一种电子显微镜技术：它通过聚焦电子束扫描样品表面产生样品图像。电子束在样品上作光栅扫描，并同步探测入射电子和研究对象相互作用后从样品表面散射出来的电子和光子，获得相应材料的表面形貌和成分分析。在此基础上，EDX能谱仪（能量色散X射线光谱技术），通过加强入射电子束的能量强度，射击样品表面从而激发一系列不同的元素（C、O、Si、Mg、Si、P、S、Cl、Ca、Fe），通过发射出来的特征荧光X射线信号检测。这种方法不能提供有机质分子多样性信息。

与理论的联系：以上两种技术（SEM-EDX）基本上都用于探析有机-矿物界面相互作用（详见3.2节）：例如元素形貌和有机C循环中涉及的矿物相互作用机制（Archanjo等, 2015; Schluter等, 2019）和微生物驱动的生物地球化学过程（Kaiser等, 2002）。SEM-EDX经常与其他光谱和能谱技术互补性使用，以获取形态和有机质分子多样性及碳组分的空间分布信息。将FIB 自动切片与SEM-EDX 分析技术相结合可以研究土壤有机质的三维映像（Lemmens等,2011）空间上。通过FIB-SEM-EDX方法得到的土壤物理3D结构可以探析根际系统植物-微生物-土壤间碳转移（Vidal等, 2018; Vogel等, 2014）：植物根-真菌-细菌间的相互作用可以将植物来源的有机质转移到本体土壤中，再经受与微团聚体中的氧化铁、细根和微生物代谢物的相互反应而固持在土壤微团聚体中（Vidal等，2018）。

当采用SEM-TEM偶联技术时，可以显著改善空间分辨率（图2和S1）。在TEM-EDX和STEM-EELS体系下已经证实了热解有机质表面被 Al/Si、Fe等矿物纳米粒子（< 50 nm）包围形成涂层，同时在微聚合体中保留了一系列C/O官能团（脂肪族、酮和羰基）（图4b; Weng等, 2017; Archanjo等, 2017）。

4.2.2 纳米二次离子质谱技术（NanoSIMS）

技术背景：纳米级二次离子质谱法（NanoSIMS）是一种分析技术，可以提供纳米材料级别（50-100 nm 空间分辨率）的元素和同位素组成信息（Herrmann等, 2007; Hoppe等, 2013; Mueller等, 2013）：以初级离子（Cs⁺ 或O^-）轰击固体样品表面，从表面溅射出来的次级离子通过扇形质谱仪根据质荷比进行分辨测定。初级离子束可以聚焦到样品的一个点，以达到50 nm的分辨率，所扫描区域通常在5×5 μm与30×30 μm间（Mueller等, 2012; Steffens等, 2017）。

信息：仪器中的法拉第杯除了可以探测到的高产率次级离子，还可以检测到低产率离子，而电子倍增器可以根据样品探测到诸如¹²C^-，³¹P^-，³²S，¹²C¹⁴N^-，³¹P¹⁶O以及⁵⁶Fe¹⁶O等次级离子。该法的质谱分辨能力可以区分¹³C和¹²C同位素并定量化。对于同位素富集的空间分布成像，比如富集¹³C或¹⁵N的样品，富集度应超过1 atom % （原子百分比）以上。当自然丰度差异更受关注时（Schopf等，2018），大型几何SIMS（Cameca SIMS 1280）可以有更高的同位素分辨率异，但空间分辨率低于50 nm（Kollmer等，2020）。

局限性和可能的解决方案：NanoSIMS技术的挑战是样品制备，要求平展的样品形貌以确保测定结果。原状土壤样品的包埋或切片或者置于平展样本台上的微粒的直接测定，例如将微粒置于硅片上（Mueller等，2013）。

与理论的联系： NanoSIMS 技术适用于测试土壤有机质固持的空间变化。当可能利用域测量技术分析自然丰度同位素比率时（Fike等，2008），NanoSIMS技术的主要优势在于同位素富集样本的高分辨率成像（图2和S1）。这可以满足实际过程尺度追踪同位素标记基质的植物-土壤以及植物-微生物相互作用或者微团聚体和大团聚体表面作用。例如通过使用NanoSIMS技术追踪有机-矿物组合中生物学意义元素的形态来探索微生物介导的土壤有机质保持机理（Keiluweit等, 2012）。NanoSIMS技术还可以通过离子溅射探测土壤团聚体元素的亚微米级深度格局，研究有机-矿物组合中¹³C和¹⁵N的稳定性同位素的三维分布（Mueller等，2012）。这样的研究能够表明，通过微生物氮同化，富氮化合物在有机-矿物（Kopittke等, 2018; 2020a）和有机-有机（Possinger等, 2020a，2020b; Vogel等，2014）界面反应中是至关重要的。冰川退化后新形成土壤中有机碳固定的特征是矿物表面被有机质包膜，有机质含量越高，这种包膜中¹²C¹⁴N-：（¹²C¹⁴N^-+¹²C^-）的比率越高（Schweizer等，2018），表明了土壤微生物的氮同化率提高。

NanoSIMS技术也应用于测试有机碳持续的吸附-解吸机制（3.2节）：结合NEXAFS-STXM和NanoSIMS技术对胞外聚合物的研究表明，新输入的有机质不会吸附到开放的矿物质表面，而是吸附到已有的原生有机质上，并且聚集在（土壤结构）裂缝而不是孔隙中（Liu等，2013）。也有可能采用NanoSIMS技术直接在三维土壤结构内探究土壤中植物、微生物和矿物质之间的的生物化学反应界面（图5；Kaiser等, 2015; Vidal等, 2018，2019; Gorka等, 2019）。综上，NanoSIMS技术将促进对土壤生物化学反应天然界面与持久性有机质的形成机制的深入了解（Schluter等, 2019）。

4.3 研究有机质本质的其他非碳高分辨率测试

4.3.1土壤3D重建的X射线CT扫描技术µ

X射线断层扫描（CT）技术（亦称数字微形貌技术）可以提供土壤物理和化学性质的三维重建。CT技术不破坏原始客体，使用 X射线产生对一个物理对象的虚拟切面而重建虚拟三维模型（Hou等, 2021）。最近技术的发展使CT技术可以通过常规光源（Dal Ferro和Morari,2015）或同步辐射加速器光源进行未破坏土壤样品的3D土壤形态表征（Arai等, 2019; Lammel等, 2019; Peth等, 2014; Quigley等, 2018; Rawlins等, 2016）。采用与常规光源CT技术偶联的3D打印技术，可以重现一个粉砂质壤土的复杂孔隙网络，其空间分辨率相当于80µm (Dal Ferro和Morari, 2015）。Peth等(2014)采用同步辐射加速器光源的CT技术（分辨率9.77µm), 结合Os蒸气对土壤有机质染色技术，重现了原状宏团聚体(直径5mm)有机质的原位分布。1960年代以来，溶液中不饱和C的OTO (Os-CH₆N₄S-Os)染色技术已经成熟,可满足电子显微镜对膜结构的观察(Seligman等, 1966）。据报道，改进OTO染色技术而适用于双能量同步辐射µCT技术, 可以对矿物组合中碳富集微区的空间分辨率提高4~10倍(约1µm; Arai等, 2019), 而之前常规技术的分辨率在4-13µm范围（Peth等, 2014; Rawlins等, 2016; Quigley等, 2018）。

而将同步辐射加速器光源µCT技术和常规光源CT技术并用，可适用于研究与有机C动态相关的结合态有机质的微生物驱动过程（第3.3节）。与银和曙红（Br基）等处理相比，土壤样品的碘处理可提供独特的分析条件以检测未扰动土壤中真菌（同步辐射光源的K-边CT）、土壤动物(常规光源的µCT，例如跳虫)和植物根系等介导的有机碳变化(Lammel等, 2019）。

4.3.2 用于土壤养分可视化（分布）的X射线荧光显微镜（XFM）技术

X射线荧光显微镜（XFM）可用于可视化植物和土壤矿物质中元素的侧向分布（Kopittke等, 2020b）。XFM技术和STXM技术的工作原理相同，但XFM技术采用更高的X射线能量，因此可以检测重元素（从P元素到Ag元素的K边）。具体而言，在XFM中，高能X射线入射样品后会产生特征荧光X射线。而当使用聚焦的入射X射线束对样品进行渐进光栅扫描时，可以在样品的每个像素处确定特征荧光X射线，从而生成元素分布图。虽然XFM技术通常用于元素分布表征（Kemner等,2004），但也可用于通过微XANES技术（即点XANES分析）或通过XANES表征技术（Etschmann等,2014；Kopittke等,2014）来确定元素形态，这些技术的原理类似于STXM与NEXAFS的联合使用（详见第4.1.3节）。

对XFM技术而言，C元素太轻而不能观察到。但XFM可适于一些土壤养分和元素的观察，他们参与土壤中有机碳固持中的有机-矿质-金属的复合结构（第3.2节）。通常XFM技术基于同步加速器光源的，其分辨率在1µm 到10 nm的范围内。而小型XFM系统的分辨率通常在5µm偏上，同时也比同步辐射光源的XFM系统慢很多（即更长的停留时间）。

图5. 矿物结合态有机质（MAOM）在已分解颗粒态有机质（POM）表面的结合模式（Witzgall，未发表数据）。（a）SEM显微观察：具有仍可识别植物细胞的POM表面被微生物残体物（超聚合物）、微生物细胞（真菌菌丝）、原生矿物和黏土矿物。（b）NanoSIMS技术观察：Fe（红色部分，⁵⁶Fe¹⁶O^-）、有机质（绿色部分，¹²C¹⁴N）和二氧化硅（蓝色部分，²⁸Si）。（c）同位素比例分布图：POM表面微生物残体物和菌丝结构的明显富集（细节参见Witzgall等，2021）。

在未来的研究中，我们建议尝试将XFM技术与XANES技术联用，以空间上分辨酸性土壤中有机质与Al和Fe氧化物矿物的相互作用和在碱性钙质土壤中Ca介导的有机C固持机制（第3.2节）。另一项可能的任务是（采用这些技术）分析土壤中以阳离子（例如Zn、Ca、Fe等）和阴离子（例如P）存在形式的有效养分的空间分布，以深入剖析有机质在土壤养分循环中的重要性。

5原位技术组合拳研究（有机质）时-空-质（STC）连续体

上述各种方法都存在优缺点，越来越迫切需要比较（列于补充材料中）并组合一套原位、高分辨且互补性的组合技术来研究土壤有机质。这种跨学科研究将促进对土壤有机质在纳米和微米尺度上的本质以及有机碳矿化、持留和保护等机制的认识，而这些机制对于当前控制气候变化的努力至关重要。

各项技术的互补性应用可能为理解土壤中有机碳行为提供重要的信息。例如，µCT、SEM-EDX 和 NanoSIMS的组合应用于土壤中细菌的空间分布研究，表明这些细菌优先觅食近大孔表面的或者新鲜的颗粒有机碳（Schluter 等, 2019）。再比如，TEM 和 NanoSIMS技术的结合，人们观察到到蚯蚓粪中从植物残体到矿物结合态的有机质转化（Vidal 等，2019）。诸如此类的许多观察结果支持了与微生物可达性有关有机质空间组合是了解土壤有机质持留性的关键（第 3.2 节）。还有，原位方法的互补应用可视化了有机碳与铝和铁氧化物矿物的相互作用对酸性土壤中有机碳固持的意义。比如，使用 NanoSIMS、XPS 和 NEXAFS 等亚微米级技术表明，24 年猪粪施肥与无机施肥相比的有机质积累，主要归因于被Al 和 Fe氧化物矿物的保护作用（Xiao 等, 2016）。

小尺度过程的升尺度认识需要一些统计和图示的表达方法，这些方法能够说明一个随机的微小区域样本能够大概率地代表所关注的过程（图 2 和 S1）。一种可能性是使用尚未在纳米和微米尺度上得到充分利用的更大尺度的地理空间技术。遥感科学已有一些尝试，将NEXAFS技术得到的纳米尺度有机碳数据升尺度到微米级团聚体（Milne 等, 2011）。另外的尝试是，应用可见光到近红外实验室成像光谱来评估永久冻土的土壤复杂结构（Mueller 等, 2021）及土壤剖面中元素浓度的表征、分类和制图（Steffens 和 Buddenbaum, 2013）。这些技术都可能用来升尺度研究。本评述中讨论的高分辨率观察研究可以证实在某个尺度上提出的机制假设，这可以产生新的假设，而在另一种尺度上进行测试验证。元素形态、氧化水平及有机-矿物相互作用等因素使土壤有机质分子特征的测量变得复杂化。对于解释微生物群落的底物偏好和预测不同化合物的土壤持留，这些关系的量化非常重要。目前仍不清楚，如何表征或量化诠释土壤有机质持留的分子多样性（Lehmann 等, 2020）。目前的挑战仍然在于，如何将特定分子类群的浓度与功能组成及空间分布联系起来。（土壤有机质研究）潜在升尺度的另一种可能性是使用“有意图的模型”。已有预测模型已用于模拟（土壤有机质）的气候敏感性(Lugatoetal.,2021)、颗粒态（POM）和矿物结合态（MAOM）有机碳的固定容量（Cotrufo 等, 2019）、有机碳动态的微生物反馈（Woolf 和 Lehmann, 2019）、大陆有机质分子组成（Hall 等, 2020）和区域性根际激发效应（Keuper 等, 2020）等。我们期待将（土壤有机质）高分辨率原位测量信息纳入这些模型中，实现土壤有机质研究从微观剖析到宏观指导。

6结论和建议

本评述审视了如何利用最先进的技术来剖析有关土壤有机碳行为的新理论和假设。这里综述了有关土壤有机质固存的新理论，特别是有机化合物分子多样性、空间异质性和时间变异性间的相互作用的重要性。我们强调，对有机-矿物和有机-有机组合中发生的这些过程的机制的了解，需要非破坏性技术以最大程度地避免对样品的物理和化学完整性的干扰。

显然，有许多进一步研究的课题，特别是技术的取长补短方面，例如：

l 本评述中讨论的光谱和显微光谱技术的组合可用于确定3D土壤的2D表面化学和/或2D投影（图S1）。在这方面，开发3D技术，在保持其空间结构的物理上可代表的环境中研究有机碳生物地球化学循环，这是非常重要的。特别需要指出的是，以往的许多研究中宣称讨论了空间（分布）信息，实际上只报告了二维信息（严格来说，“空间”是指三维分析）；

l 与有机-矿物和有机-有机相互作用相关的机理，应该不同于基质和分解者间的空间共存关系。高分辨率观察分析可以确认来自更高尺度的研究而假设的机制，例如通过培养或批吸附实验。同时，高分辨率调查也可产生新的假设，需要在更大尺度上验证。例如，在亚纳米尺度上观察到的有机-有机相互作用（Peossinger等, 2020a）需要在微米尺度上进行测试（图1）；

l 目前应用NEXAFS-STXM的观察分析鲜有横向（x-y）20-30 nm分辨率和深度100-300 nm分辨率（样品片厚度）的报道，应用STEM-EELS的观察分析也鲜有横向分辨率达到0.1 nm 和深度达到50 nm的报道。这意味着我们还很不了解界面。未来的研究应该考虑涵盖更精细的光斑微域和分析深度的方法，并探索覆盖所有三个维度的方法（横向分辨率对应深度；图S1）；

l 我们需要采用EEL、NEXAFS甚而XPS等层析成像微形貌技术，以提高对亚微米和纳米尺度界面上碳键的认知水平，从而测试有机碳在矿物表面的连续吸附-解吸理论。最近，原子力显微镜已被证明可以直接测量有机-矿物界面上碳官能团的结合（Newcomb 等, 2017），有可能创建3D有机质微形貌的断层成像。

我们鼓励更多的研究以更好地了解土壤中有机碳的复杂行为，这是解决有机化合物分子多样性、空间异质性和时间变异性间（CST）的相互作用及其重要性所必需的。更好地理解土壤有机质的本质，可以优化土壤有机碳固定封存，以满足“千分之四”全球土壤增碳计划的目标。了解土壤类型如何影响土地利用或土地管理下土壤有机碳的稳定性，对于发展大尺度决策支持机制是至关重要的。

参考文献（略）

后记：关于土壤有机质的本质认识在最近5年多来获得了显著的进展，近10年来团队对秸秆有机质以及生物质炭的土壤有机质作用的研究，适时提出了土壤有机质实际上是生命来源有机化合物在土壤中处于输入与分解、结合与保护的平衡中，瞬时的有机质状态是有机碳含量、分子组成及结合状态的综合表现，含量、库分配及分子多样性可以诠释土壤有机碳持留的本质。继2019年在地球科学进展上发表评述文章以来，相继研究和发表了关于稻田气候变化下有机质的团聚体结合和分子组成变化、秸秆不同处理还田的分子组成及其多样性变化、喀斯特土壤植被恢复下有机碳积累的库分配及分子多样性变化等相关工作。我们把这个评述翻译出来，呈现给广大同仁参考，期望推进中国土壤学界对土壤有机质的探索，为学术繁荣，更为土壤健康和固碳减排做出进一步贡献。