CREST新文 | 昆士兰大学Peter Kopittke团队：探索土壤有机质的本质

导 读

澳大利亚昆士兰大学Peter Kopittke团队在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为“探索土壤有机质的本质（Probing the nature of soil organic matter；DOI: 10.1080/10643389.2021.1980346，Published online: 26 Sep 2021）”的重磅综述。这篇综述由来自四大洲 10 个科研机构的著名科学家、青年学者 (本文第一作者) 以及土壤生物地球化学和土壤有机质方面杰出专家领衔撰写。其中四位作者是土壤和环境科学领域前1%的高被引科学家, 包括美国康奈尔大学Johannes Lehmann教授、澳大利亚新南威尔士州第一产业部Lukas Van Zwieten教授、澳大利亚新南威尔士大学Stephen Joseph教授和澳大利亚昆士兰大学Peter Kopittke 教授。

土壤碳封存是一种源于自然的碳中和（负排放）技术，同时有助于土壤健康和农业生产力。土壤科学界正在远离基于“腐殖质”的土壤有机质 (SOM) 性质的传统假设，这些假设是基于操作上定义的，并未得到现代原位光谱显微技术的证明。新理论表明有机化合物的分子多样性、它们的时空变化的相互作用控制着 SOM 的形成和持久性。对有机矿物和有机组合反应过程的机制认知需要无（微）创技术，以最大限度地减少对样品物理和化学完整性的干扰。在此，我们提出了一个理论结合实际的评论，其中原位方法的组合可作为潜在的解决方案，以更好地探索 SOM 的持久性和动态及其对微米和纳米区间土壤养分分布的影响。我们根据现有方法的发展及其未来应用来探索基础理论。我们也列举了土壤科学领域之外的跨学科方法以供演绎和归纳分析的参考。我们展示了跨尺度的不同概念如何相辅相成，以及高分辨率研究对于解决新生代问题的重要性。  

图1 图文摘要

主要内容

土壤中的有机碳库超出大气和植被的总和。土壤有机质 (SOM) 在维持土壤健康、可持续作物生产、水质（例如吸附污染物和最大限度地减少养分流失）、人类健康（污染物固定和增加微量元素有效性）和减缓气候变化（碳封存）方面发挥着至关重要的作用。土壤碳封存是恢复土壤健康的关键战略，这也有助于维持农业生态系统的生产力和适应极端条件的能力。因此，土壤固碳提供了多种好处，值得采取高层政策举措来支持这一结果。

为了优化土壤碳封存的现存储量格局，我们需要更详细地了解 SOM稳定性以及可持续性内在的机理。传统的化学方法往往破坏土壤空间结构。最新方法在测量 SOM 的复杂分子结构的过程中无需改变有机碳的结构。这篇评论提出了重要的系统梳理和新见解，并拓展了之前的评论。本综述中列举的原位方法侧重于避免化学提取或样品处理过程中造成的误差。其中包括光谱显微技术，可以提供土壤中有机碳物种形成的原位空间信息。

图2探索土壤有机物的本质

在这里，我们提出了一个理论驱动的方法综述，其中讨论微生物碳循环过程、土壤团聚、有机矿物和有机反应对SOM 团聚体时空变化的影响。本综述重点关注 SOM 稳定性，通过演绎和归纳法来诠释：(1) 有机碳官能团的分子多样性；(2) 有机碳的空间异质性；（3）分子多样性与空间异质性之间的相互作用和时间影响（图2）。我们探讨每种分析方法所存在的局限性和缺陷，以及对目前尚未有理论解决方案的问题进行了展望。

总结与展望

这篇综述系统性地研究了如何利用最先进的技术来探索有关 SOM 稳定性的当前理论和假设。这篇综述讨论了关于 SOM 持久性的新理论，例如有机化合物分子多样性之间相互作用的重要性，以及它们的空间异质性和时间变异性。该评论强调，对有机矿物和有机组合中发生的这些过程的机械理解需要无创技术，以最大限度地减少对样品物理和化学完整性的任何干扰。我们鼓励进一步研究以更好地了解土壤中碳的复杂行为，这是解决有机化合物分子多样性之间的相互作用及其空间异质性和时间可变性的重要性所必需的。通过更好地了解 SOM 的性质，它将优化土壤碳封存，以实现碳中和倡议。该信息对于制定大规模决策框架至关重要，以了解在土地管理实践或土地利用变化后土壤类型将如何影响有机碳的稳定性。

作者简介

第一作者：

翁喆 （Han），博士，博士生导师，澳大利亚昆士兰大学研究员，澳大利亚谷物研究发展组织联合澳大利亚同步加速器研究员。以第一作者发表Nature Climate Change (IF 21.722), Science of Total Environment (IF 7.963)以及Soil Biology and Biochemistry (IF 7.609)等SCI论文。主要从事土壤碳中和、土壤有机质以及生物炭方面的研究。

通讯作者：

Peter Kopittke，博士，教授，博士生导师，澳大利亚昆士兰大学土壤环境科学课题组组长，澳大利亚研究委员会“未来学者”，前澳大利亚土壤科学学会昆士兰州主席，2018年JK Taylor 土壤科学金奖。主要从事农业生产、水化学和废物处理方面研究，目前的研究重点：(i) 通过在土壤中高效和环保地使用肥料来改善植物营养，(ii) 微量金属对植物的毒性，以及 (iii) 通过叶面施肥方式克服营养限制。

|供稿：翁喆

|编排：代子雯（CREST期刊推广员）

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