世界粮食日，一起来认识保障粮食的“营养小金库”

今天是世界粮食日

“民以食为天”

粮食在整个国民经济中

始终具有不可替代的基础地位

超过98%的人类粮食来源于土壤

今天，我们邀请

环境科学与工程学院

王俊坚副教授

为大家科普

保障粮食的“营养小金库”

——土壤有机质

它们从植物、动物等生命体分解而来

又反过来为生命的生长提供养分

土壤处处可见，与我们的生活息息相关。它可供植物生长，也能净化地下水和改善河流的水质，为人类提供粮食和干净的水源。没有土壤，人类也就无法生存。土壤由很多物质组成，其中，有一种神奇的物质叫作“土壤有机质”，它由植物、动物和微生物等生命体逐步分解而产生。地球上大多数土壤只含0.5%~5%的有机质，但是它们对土壤非常重要，总结起来有六大作用。

土壤有机质为土壤提供肥力，是营养小金库。

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土壤有机质为土壤提供肥力，是营养小金库。土壤有机质表面有大量带电的活性点位，可以结合植物所需的营养物质，如氮（N）、磷（P）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、硫（S）和其他微量元素。当土壤水分中的营养元素被植物吸收后，土壤有机质这个小金库可以把营养物质源源不断地释放到土壤水分中，保障植物的营养来源。另外，土壤有机质中还有一些小分子，是一些微量营养元素的搬运工（螯合剂），协助其把这些营养元素转移到植物体内。土壤如果没有了有机质，就无法成为花草树木茁壮成长的温床。

土壤有机质能结合有毒有害的无机污染物、有机污染物。

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土壤有机质还能结合有毒有害的无机污染物、有机污染物，包括重金属和有机农药等（图1）。如果土壤被很少量的污染物污染了，土壤有机质可以结合污染物， 不让农作物吸收，这样我们就可以放心地吃粮食、蔬菜和瓜果。另外，土壤有机质像海绵一样吸收污染物，减少污染物向地下水或者水库的转移，保障我们的饮用水安全。不过，如果土壤被严重污染，土壤有机质就像吸满脏水的海绵，不但不能再吸收更多污染物，反而会溢出污染物到我们的饮用水源或者被农作物吸收。所以我们一定要保护好土壤，不让它受到污染。

图1   土壤有机质结合污染物

土壤有机质黏结小颗粒

为土壤团聚体。

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土壤有机质非常特别，它可以像胶水一样，把土壤中的小颗粒黏结在一起（土壤团聚体），这样土壤就不容易被水冲走或者被风吹走，也就是我们常说的，不容易发生水土流失（图2）。此外，团聚体丰富的土壤松紧适宜、通水透气，有助于植物的根更好地生长和吸收氧气、水分和养分。

图2   土壤有机质黏结小颗粒为土壤团聚体

土壤有机质可以利用其吸热和传热特征影响土壤的温度。

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土壤有机质还可以利用其吸热和传热特征影响土壤的温度 （图3）。土壤有机质一般呈黑色或者棕色，因此可以吸收更多的热。尤其是在寒冷地区，深色的土壤有机质帮助土壤表面吸收更多的热量，可以促进植物种子的发芽。除了改变热吸收能力，土壤有机质也可以减弱热量传递。在炎热的地区，土壤表层的有机质传热慢，使深层土壤保持较低温度，土壤深处的小生物们依旧可以舒适地生活。

图3   土壤有机质影响土壤温度

土壤有机质有时还可以帮助侦破犯罪案件。

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土壤有机质有时还可以帮助侦破犯罪案件（图4）。土壤有机质的组分非常复杂，里面包含成千上万个不同的分子，而不同来源的有机质有各自特殊的分子组成特征。这些具有特定指示作用的分子常常被叫作“生物标记物”。只需要采集犯罪嫌疑人鞋底或衣服上的少量土壤，通过分析这些标记物，就可以判断犯罪嫌疑人的行踪，为破案提供有用信息。

图4   土壤有机质“生物标记物”协助追踪

土壤有机质还会影响地球的气候变化和人类的命运。

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土壤有机质还会影响地球的气候变化和人类的命运（图5）。工业革命以来，化石燃料的燃烧向大气排放了大量的二氧化碳（CO₂），使地球温度上升，并引起了一些极端气候事件。相比之下，全球土壤有机质在分解过程中的二氧化碳排放量大概是化石燃料燃烧的好几倍，假如将来土壤有机质变得越来越不稳定，可能会排放出更多的温室气体，那我们就会面临更严重的全球变暖风险。

图5   土壤有机质影响地球气候变化

土壤有机质是稀缺资源，1厘米厚的富含有机质的土壤需要数百年才能形成，但土壤发生退化可能只需几天时间。土壤质量退化，包括土壤侵蚀和土壤污染等，已经成为全世界面临的严峻问题。在未来的几十年，我们将面对很多重大的科学技术挑战：

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全球耕地面积锐减，人口持续增长，如何用更少的耕地养活更多的人口？

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如何科学地使用肥料，使土壤更肥沃而又不会增加环境污染？

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如何高效地修复被污染的土壤与地下水？

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如何降低全球变暖过程中土壤的温室气体排放？

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如何维持好土壤中的生物多样性，充分认识土壤中上万种特殊微生物，并且将它们的特殊功能应用于其他的科学领域？

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土壤的化学本质是什么？是否可能快速、绿色地生产土壤这种资源？

现代土壤科学

是一门仅仅发展了100多年的新学科

这些挑战同时也是学科发展的机遇

相信在科学家们的共同努力下

未来土壤科学将进一步成熟

并为人类社会的持续繁荣提供充分的保障

本文作者：南科大环境科学与工程系副教授 王俊坚

王俊坚，南方科技大学环境科学与工程学院副教授，美国克莱姆森大学博士。研究领域为天然有机质形成、演化、碳循环效应与环境质量效应研究。

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来源：《十万个高科技为什么（第一辑）》

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