寻找腐殖物质

来源：中科院之声

提到腐殖物质，人们首先会想到腐殖物质家族的一员——腐殖（植）酸。腐殖酸及其相关产品不仅在农业领域发挥重要力量，在环境、工业和医药等多个领域也有一席之地。

那么，腐殖物质到底是什么呢？腐殖物质是土壤、沉积物和天然水体中的植物和微生物残留物在腐烂和转化过程中形成的一系列复杂且多相的混合物。在腐殖物质大家庭中，根据其溶解性特征可分为三类成员：溶于任意酸碱溶液的富里酸、只溶于酸性溶液的胡敏酸和酸碱都不溶的胡敏素。其它的称呼如腐殖酸、黄腐酸和腐黑物等等都是别称。

别小看腐殖物质，没有它，土壤就会失去活力，继而庄稼缺乏营养，也就没有了我们赖以生存的谷物粮食，想想都好可怕。

图1 土壤中的腐殖物质（图片来自于网络）

科学家一直在探索腐殖物质。研究早就发现施肥尤其是有机物料可以提高土壤中的腐殖物质含量，可是如果你再追问腐殖物质这位大神到底长啥样，科学家们就不淡定了。元素分析仪、傅里叶红外光谱、核磁共振波谱技术等等十八般武器上阵也没能完全揭开这位大神的真面目——这物质不是黑洞胜似黑洞！

雪上加霜的是，一部分科学家开始抛弃腐殖物质了：这玩意儿在土壤中根本就不存在！学界一片哗然。这让二百多年来一直研究腐殖物质的科学团体组织和正在市场上卖力销售的企业情何以堪。

但是，等等，高级核磁共振技术了解下？这世上不是缺少美，而是缺少发现美的眼睛。高级核磁共振技术就是努力寻找腐殖物质的眼睛。有了它，就像给传统技术开了外挂，戴上了高倍显微镜，以前看不清楚的东西一下子就一目了然了。

图2 高级核磁共振技术和传统核磁共振技术

光有技术还不行。由于腐殖物质不是一天两天就能形成的，室内实验一般拿它没辙。这时候，拥有多年历史的国家级重点野外科学观测实验站——封丘站、桃源站闪亮登场。封丘站的潮土代表了北方小麦-玉米轮作制度下的旱地土壤；桃源站的水稻土代表了南方丘陵区早稻-晚稻种植制度下的水田土壤。

研究发现，不管哪种腐殖物质都含有相对易分解和相对顽固的碳结构。富里酸中含有一种多糖类或多肽类成分，这种结构奈何不了微生物，微生物一高兴就能“吃掉”它。胡敏酸中含有相对较多的芳香族结构，这种结构就好比一块难啃的骨头，微生物不好消化。胡敏素中也有很多糖类结构，但是这些碳穿上了“战衣”（无机物等形成的包裹物），微生物也只能嗟叹而返。

高级核磁共振技术的本领当然远远不止这些。它能将复杂的碳结构一层一层剥开。腐殖物质中的烷氧碳，绝大多数都是质子碳，非质子碳就很少。质子碳就像是猎物逃跑时身上多余的挂件，容易被捕猎者即微生物趁机逮住；非质子碳则将自己武装得密不透风，降低了“被捕猎”的概率，典型的例子就是黑炭。

利用高级核磁共振技术还能避免“冤假错案”，如一些碳明明是难降解的芳香碳，怎么传统的技术将它当作易降解的异头碳呢？这让一些挑食的微生物哭笑不得。

进一步研究发现，生态系统的差异、施肥管理措施的不同都能引起腐殖物质结构的一定变化。水稻土质地较粘，胡敏酸和胡敏素富集了大量的烷基碳结构；潮土连续多年施用有机肥后胡敏素中的脂肪族性增加而芳香性降低，反映了胡敏素不断累积其母体来源（主要为植物组织）中的糖类成分。

腐殖物质的结构是土壤环境、微生物和人为管理措施综合的一种结果，对土壤中发生的各种化学过程和整个地球生态系统的响应都有重要的指示意义。

图3 腐殖物质的结构表征及其变化

通过高级核磁共振技术，我们得以一窥腐殖物质巧妙的变化规律。当然，高级核磁共振技术不是万能的，腐殖物质的神秘面目还有待进一步探索。

上述相关研究发表在国际期刊 Journal of Agricultural and Food Chemistry 和 Soil & Tillage Research 上。

来源：中国科学院南京土壤研究所