原名：Plant-or microbial-derived? A review on the molecular composition of stabilized soil organic matter

译名：来源于植物还是微生物？综述土壤稳定性有机质的分子组成

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：5.795

发表时间：2021.03.01

通讯作者：Gerrit Angst

通讯作者单位：捷克科学院生物中心土壤生物研究所与索瓦研究机构

1 引言

2 土壤稳定有机质

2.1 微生物源SOM

2.2 植物源SOM

2.3 植物与微生物源SOM

3 影响因素

3.1 温度和降雨量

3.2 底物质量

3.3 土壤类型，土壤深度和矿物

3.4 土壤动物

3.5 土地利用

4 结论和未来研究方向

1 引言

土壤有机质（SOM）是陆地最大的碳库，其碳储量超过大气和植被碳总和，SOM对于维持土壤肥力和缓解气候变化，进而为人类谋福利至关重要。尽管SOM很重要，现在的土壤管理措施中仅有一部分能通过有效管理SOM库来保护它们免于自然和人为扰动。例如，通过（有机）修复和植被管理能相对容易地调控不太稳定的SOM库，如颗粒有机质（POM）；而对于相对稳定的SOM库，这些管理措施的效应还不明确。这是因为还存在稳定SOM形成和结构方面的知识空白。

传统的概念认为SOM是由腐殖质组成，即富里酸和腐殖酸，最近发展起来的理论不断增加对这个概念的质疑。这个传统概念里的SOM组分是通过实验操作来定义的，不利于提高对SOM本质的理解。SOM是一个由不同大小和降解程度的有机化合物组成的连续体（多聚物和单体），通过这些化合物和环境相互作用保护一些有机生物分子免于被降解，使它们能稳定固存于土壤中。这样，在影响SOM组成和稳定的环境中，最好在分子水平上探究SOM的固定机制。

土壤有机质稳定主要有两个机制：通过形成矿物结合态有机质（MAOM）和团聚体稳定（从此处开始，这两种SOM就被概括为所谓的稳定SOM）。矿物结合态有机质通过SOM分子和矿质土壤组分的相互作用形成强（如，配位体交换）或弱的键（如，范德华力）而形成，可以增加对SOM的保护而免于被降解。黏粒级作用较小，主要是粉粒级矿物颗粒涉及这个过程，因为粉粒级矿物颗粒中有大量活性氧化物和层状硅酸盐表面。团聚体是矿物和有机化合物紧密结合的混合物，它可以阻碍微生物获取SOM，进而增加SOM稳定性。这些团聚体经常被分为大团聚体（>250-2000 μm）和微团聚体（53-250 μm），这些粒级的团聚体具有不同的稳定性、组成和形成机制。许多研究已经证实，通过结合连续筛分和密度分离方法，即物理分组方法，可以从全土中有效分离团聚体和MAOM。第三个具有争议的SOM稳定性机制是生化难降解性，生化难降解性是指化学性质对微生物利用有机底物的速率和程度的效应（如，与简单分子（如，葡萄糖）相比，复杂分子（如，木质素）能在土壤中留存更长时间）。然而，生化难降解性可能在降解初期或有机层中很重要，如林地或者泥炭地沉积物，但是在矿质土壤SOM的长期保护中仅起很小的作用。换句话说，本身具有“难降解性”的生物分子不一定会稳定固持于土壤中，相反地，“活性”生物分子不一定会被降解和矿化。因此，生化难降解性不是本综述讨论的重点。然而，如果一些生物分子的化学性质通过与土壤基质的物理化学相互作用而稳定，进而提高它们的稳定性，那么这些生物分子能被“选择性保护”。例如，在溶解性有机质的矿物吸附研究中，芳香物质和脂肪酸（如木质素单体）似乎能被选择性地保留在矿物表面。同样地，火山土中的多糖和蛋白质似乎能被选择性地保护在有机-金属复合物中。其它类型的研究经常表明，富含氮和微生物来源的生物分子，如氨基糖/氨基酸，似乎被选择性地结合在矿物表面。这些选择性保护的物理化学形式与MAOM的稳定机制和分子组成明显相关。

虽然大量研究测定了不同条件下（如，不同土地利用方式、气候条件和土壤深度）的MAOM和团聚体，但是关于它们的形成和组成，还没有一个明确的定论。最近，基于微生物残体累积在MAOM和团聚体中的证据表明，在有利于微生物有效利用有机质的环境条件中会形成更多稳定SOM。这个观点的核心是输入土壤的有机底物的“质量”，高质量底物被定义为，“碳-营养比”低且难降解化合物含量低的物质。因此，质量越高，微生物底物利用效率越高，所形成的微生物量越多，微生物量所形成的残体最终和土壤矿物相互作用形成团聚体和MAOM。关于SOM形成和稳定以微生物为核心的概念的有效证据在日益增加，这种以微生物为核心的观点和所观察到的植物生物分子也可以偏好地保留在稳定SOM库中的观点不完全一致。实际上，最近一些研究报道，即使在适宜微生物生长的条件下，植物源有机质对稳定SOM库也有很大的贡献，如MAOM。另外，其它概念和经验研究表明，土壤中微生物和植物源有机质的相对丰度取决于环境条件，包括土地利用和土地覆盖类型，环境条件可能决定了植物源物质的降解和稳定。此外，许多研究都只关注SOM的植物或微生物组分，现在还缺乏多尺度下更全面的研究，特别是与稳定SOM有关的研究。因此，虽然越来越多的观点认为稳定SOM是或者可能是由微生物分子组成，但是，最稳定的SOM是否以及在哪种环境中由微生物化合物组成还不清楚。

为了解决这些不确定性，并建立一个解释SOM动态的更根本的理论，我们综述了最近的关于稳定SOM的分子组成及其环境影响因子的研究。我们关注直接分离MAOM并定量分子生物标记物的研究，如涉及一些土壤物理组分并测定不同生物分子丰度的研究，这些生物分子主要或者只来源于植物（如，木质素，像角质和软木脂和中性糖的脂质生物多聚物）或者微生物（氨基糖和中性糖）。基于所选的文献，我们首先综述了植物和微生物源化合物对MAOM和团聚体的贡献；然后，通过综合分析整理23个研究的数据，我们讨论了影响植物和微生物源生物分子的相对丰度。对于所收集的数据，我们关注木质素和氨基糖生物标记物，因为SOM动态研究中经常应用这两种物质。如果能获取相应的数据，我们也（定量地）讨论其它生物标记物（如，中性糖和脂），因为可获取的研究很少定量团聚体和MAOM中的这些物质。最后，我们考虑了所揭示的模式的意义并讨论未来的研究方向。

2 土壤稳定有机质

2.1 微生物源SOM

土壤矿物的永久和可变电荷（大多是黏土矿物或铁/铝氧化物和氢氧化物）能使有机质官能团和矿物之间发生相互作用。特别是蛋白质，由于具有两亲性，可能会与矿物表面产生强结合作用，即蛋白质同时含有亲水和疏水性化合物使它们具有表面活性。蛋白质是微生物细胞壁的主要组成成分，这也是很多研究报道微生物源氨基糖和中性糖随矿物颗粒大小（特别是黏粒组分的MAOM）的降低而富集，但与土地利用方式和土壤类型无关的原因，即随活性表面丰度而增加。文献报道，森林土壤高密度组分中的¹⁴C年代和微生物源中性糖之间的强相关关系表明，微生物残体可能长时间滞留并具有较高的稳定性。

贡献MAOM中微生物残体富集的另一个因素可能是微生物群落也许偏好定殖于黏土表面间的微孔隙，进而减小微生物和底物，以及微生物残体和吸附位点之间的距离。最近的一个研究采用先进的核磁共振技术发现，细菌细胞能直接非特异性地吸附到粘土表面。一些研究结果显示，不同土地利用条件下MAOM中是细菌而非真菌氨基糖占优势（图1），这表明，活性矿物表面的细菌生物量和影响其增加的因子也许是决定稳定于MAOM中微生物残体量的重要因素。对已经发表的稳定SOM中氨基糖数据的再次评估结果显示（图1a），各组分的氨基糖含量具有巨大的差异，其中，黏粒和粉粒级的MAOM（59.2和65.8 mg g^-1 C）实际上低于大团聚体和微团聚体（~123.8 和102.1 mg g^-1 C）。除了结合在矿物表面，微生物量和残体也许会被埋入这些团聚体的小孔隙，在这种情况下，酶和生物就不能接触到有机质。这种截留也许能增加微生物残体的稳定性，并增加这些残体对团聚体SOM的贡献。然而，和微生物残体主导稳定SOM的推论相比，特别是MAOM，这些值相当低。这也许表明，微生物源的蛋白质和氨基酸，而不是氨基糖，解释了经常观察到的MAOM和团聚体中“微生物残体”或“微生物源碳”富集的现象。

基于可获取的文献，很难得到关于大团聚体或微团聚体是否以细菌或真菌残体为主导的定论，这似乎取决于生态系统性质。基于14个观测值的分析，氨基葡萄糖（真菌的）和胞壁酸（细菌的）的比例并没有为大团聚体或微团聚体是否富集真菌或微生物残体提供见解，而与黏粒级MAOM相比，两种粒级的团聚体似乎都以真菌残体为主。这个结果和真菌菌丝与团聚体形成具有相关性是一致的，特别是大团聚体的形成。

稳定SOM中微生物化合物的不完全提取可能会对它们的评估产生偏差，然而，我们发现还没有研究系统地定量不可逆地结合到矿物表面的氨基糖和中性糖含量，因此，还需要进一步的研究。

图１a）基于4个研究的14个大团聚体和微团聚体，以及8个研究23个粉黏粒级MAOM中的氨基糖含量观测值；b）基于相同数据来源的氨基葡萄糖和胞壁酸的比例。箱形图上的水平线是中位数，箱形图上下两条竖线间包含95%的数据，黑色点表示离群值，即高于或低于95%的数据范围。

2.2 植物源SOM

微生物残体含量随土壤有机质颗粒减小而增加，而与之相比，许多研究普遍认为木质素的贡献从POM到土壤矿质组分降低，且随颗粒大小的减小而降低（木质素是维管植物细胞壁的一种主要成分）。我们综合分析20个研究的数据，结果显示，覆盖草地、森林和农田的位点，POM中源于木质素的酚的平均含量是30.1±3.6 mg g^-1C（数据未展示），而粉粒级MAOM中是25.6±2.4 mg g^-1 C，黏粒级MAOM中是12.0±1.0 mg g^-1C（图．2）。实际上，在木质素的亚基与矿物表面发生反应前木质素要解聚，这就是MAOM中的木质素被高度氧化的原因。然而，一些研究表明，可以通过一些因素的作用来抵消MAOM中木质素的降低。例如，香草基单体比丁香酚基单体稳定。种植含有更多香草基的植物的土壤也许含有更多稳定性木质素，因为香草基在降解前期能固持更长时间，与矿物表面结合的机会更大。出人意料的是，从原状团聚体中提取木质素的研究很少，为数不多的研究表明，大团聚体比微团聚体有更高的木质素含量和更低的木质素氧化程度。

图2 基于三个大团聚体和微团聚体研究的6个观测值，10个粉粒级MAOM研究的41个观测值，以及黏粒级MAOM研究的60个观测值的木质素含量（mg g^-1C）。为了比较，基于7个研究的44个观测值的平均木质素含量是30.1±3.6 mg g^-1C。

中性糖和植物源糖（主要是半纤维素）显示了相似的变化，即它们的含量经常随颗粒大小的减小而降低。与其它形式的SOM相比，这些糖是微生物偏好的底物，如木质素，很可能贡献微生物残体的构建。半乳糖和甘露糖（微生物的）相对阿拉伯糖和木糖（植物的）的比例计算经常被用来评估植物和微生物源中性糖对SOM的贡献，该比例随颗粒大小的降低而增加。值得注意的是，MAOM中植物源中性糖（即木糖和阿拉伯糖）的含量（52-128 mg g^-1C）也许超过了木质素的含量，并且可能对稳定SOM有很大贡献（已经被报道过130 mg g^-1C的值）。

和木质素和植物源中性糖相似，已有报道显示，植物源脂质或者它们相对于微生物源脂质的丰度随颗粒大小的减小而降低，且从颗粒有机质到土壤矿质组分降低。然而，相对于不稳定的SOM库，有研究发现，一些植物源脂质累积在稳定SOM库中，包括长链n-链烷烃酸和某些角质和软木脂单体（含羟基和/或羧酸的组分）。和全土研究相一致，这表明通过有机-矿物相互作用而稳定的植物源脂质的稳定性取决于脂质生物多聚物的单体组成和化学性质。植物源脂质对MAOM中稳定碳的贡献在~2%和~10%范围内（即，每克碳~20-100 毫克脂质）。据我们所知，还没有从团聚体中提取这些化合物的研究。虽然应用土壤物理分组方法测定植物源脂质的研究很少，但上面呈现的数字表明，这些化合物对MAOM的贡献也许高于木质素。

上面这些植物源SOM的值很可能被低估了，因为大多数的提取方法都不能完全提取全土和土壤矿质组分中的木质素、角质和软木脂单体。例如，木质素吸附到不同铁氧化物和黏土矿物上的实验表明，有56%的木质素不可逆地被结合到这些矿物上了。另外两篇文献也报道过，研究中普遍采用碱水解法提取矿质土壤中的植物源脂质，但是其提取不完全。这些作者和其它作者已经发现，在一些位点和不同土地利用方式下，矿物溶解后仅能提取80%土壤可定量脂质，而在脂质水解和提取前很少有研究用矿物溶解。这些方法和分析上的缺陷可能会模糊我们对MAOM和团聚体组成的认知，MAOM和团聚体含有的植物源化合物比最近一些研究所认为的多。例如，当用同位素标记的方法（而不是木质素单体的提取和定量）追踪木质素对MAOM的贡献时，相对于植物凋落物中其它形式的碳而言，木质素源碳能被高强度地“选择性保护”。在我们含铁氧化物的热带土壤培养研究中，和凋落物源碳（31%）相比，木质素源碳（48%）滞留在土壤中的比例更大，仅6%木质素被矿化，而51%凋落物被矿化。在一个利用同位素追踪的相似培养研究中，与所添加的更“活性”形式的碳（如，植物凋落物中热水提取的生物分子）相比，酸-非水解性残体碳，包括木质素、角质和软木脂，能更大的程度地滞留在矿质土壤组分中。虽然这些培养实验没有识别植物源碳是否最终以它们的原始形式（如，木质素或角质），或者作为微生物利用植物源底物后的微生物分子形式保存起来，但是考虑到脂肪酸和酚酸对矿物表面的亲和性，一些植物生物分子的保存是可能的。

2.3 植物与微生物源SOM

前面部分所呈现的生物标记物本身的缺陷是，它们仅占一部分SOM。因此，这些生物标记物所提供的关于SOM组成的信息虽然有价值，但是不完整。计算SOM中微生物残体碳的比例能弥补这个缺陷，或者说这至少是能抵消部分缺陷的一个方法。通过定量氨基糖标记物，并基于分子计量，通过转换系数乘以它们的丰度可以获取这个比例。已经证实这个方法在狭窄置信范围内对不同土壤细菌和真菌残体碳的评估是可靠的。假设这个方法能合理评估微生物残体碳，那么，保留在SOM中的碳很可能主要是植物源碳，换句话说，可以通过定量非微生物残体碳来粗略评估SOM中的植物源碳。我们通过分析60篇已经发表的文章数据来评估大团聚体、微团聚体和粉黏粒级MAOM中的细菌、真菌和微生物残体碳（图3），包括来自森林和农田土壤的数据，结果表明，稳定SOM中微生物残体碳的平均值不超过50%（大团聚体47.2%，微团聚体49.7%，粉黏粒的MAOM 38.6%）。农田土壤的稳定SOM库以微生物残体为主，（大团聚体、微团聚体和粉黏粒分别占56.7、53.7和44.1%），而森林土壤则较少（大团聚体、微团聚体和粉黏粒分别占11.6、11.6和15.2%），这很可能是因为，与农田土壤相比，森林土壤条件不利于细菌生长（如，低pH和不同质量的凋落物）。农田土壤的这个值在Liang等(2019)和Khan等 (2016)研究相同土地利用方式下全土的值的范围内，它们比森林土壤全土的这些值低~12-21%。因为森林土壤以POM为主，这样，与其它生态系统相比，POM的微生物定殖和原位死亡会导致这个组分比团聚体或MAOM含有更多微生物残体。这些结果，部分基于相同的研究（纳入我们综合分析的三个研究和Liang等（2019）的全土数据），表明微生物残体对全土的贡献也许不能反映它对稳定SOM的贡献。

图3 根据Appuhn和Joergensen（2006），Engelking等（2007），Joergensen和Wichern（2008），以及Liang等（2019）计算的微生物残体碳，并区分细菌、真菌和其它碳（像植物源碳）。

值得注意的是，大团聚体和微团聚体比粉黏粒级MAOM含有更多真菌残体碳（显著水平是p＜0.1）；这又进一步证实真菌在团聚体形成中的作用，并强调了微生物残体碳与团聚体稳定的相关性。相比而言，与粉黏粒结合的有机质可能含更多细菌残体碳，而以其它来源碳为主导（可能是植物源碳）（图3）。这些值表明，微生物残体对稳定SOM的贡献比一些早期研究估计的高，但是也表明，这个贡献取决于生态系统（见下文），大量稳定SOM很可能来源于植物。一些热解GC-MS研究发现微生物和植物化合物相对平衡的贡献与组分无关，和这个解释一致。最近许多研究都强调稳定SOM库中的微生物残体，保守地陈述植物化合物直接吸附到矿物表面的路径和植物来源碎片是团聚体形成的核心，即团聚体的一个组成部分。

考虑到化学计量转换和湿化学提取法本身具有不确定性，应谨慎做出上面的解释。例如，土壤中的革兰氏阳性（+）转变为阴性（-）菌会导致低估细菌残体（细菌丰度因生态系统而不同）。另外，不能被微生物残体碳解释的碳不一定是植物源碳。此外，我们仅找到来自森林（和草地）位点的有限观测值。我们鼓励进一步研究森林和草地中氨基糖和微生物残体（和植物生物分子），如果测定微生物残体的同时，也测定革兰氏阳性（+）和阴性（-）菌的相对丰度也许能提高对微生物残体的解释，因为考虑到这个丰度和微生物残体相关。我们也认为，定量土壤的不同组分（如，POM相对MAOM）的总微生物残体的分布也许能提供很多信息。