作者：馬沖（中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

——

“天氣涼了，樹葉黃了，一片片葉子從樹上落下來(lái)?！焙窈竦穆淙~積在地面，它們的命運(yùn)走向如何呢？其中一部分會(huì)被清潔工人收集，運(yùn)送到固廢處理廠；還有一部分則會(huì)殘留在土壤中。那么留在土壤表面的那些落葉，會(huì)經(jīng)歷怎樣的“葉生”呢？

古有“落紅不是無(wú)情物，化作春泥更護(hù)花”，今有“秸稈還田促生長(zhǎng)”，那么落葉是否也會(huì)像這些凋落的生物殘?bào)w一樣，變成供應(yīng)土壤肥力的“大功臣”呢？它們除了供應(yīng)土壤肥力，還對(duì)生態(tài)環(huán)境有著怎樣的貢獻(xiàn)呢？今天就給大家講講這里面的奧秘。

落葉（圖片來(lái)源：Pixabay）

樹葉組成知多少

我們司空見慣的落葉，其實(shí)主要由蠟質(zhì)、脂類物質(zhì)、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等有機(jī)化合物構(gòu)成。木質(zhì)素由于富含非常穩(wěn)定的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，常被認(rèn)為是最難分解的一類復(fù)雜有機(jī)化合物。蠟質(zhì)和脂類物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，它們通常在樹葉的表面形成蠟質(zhì)層和角質(zhì)層，用來(lái)防止水分的蒸發(fā)。蛋白質(zhì)相對(duì)前面幾種有機(jī)化合物更容易分解，它大約包含6% 的氮以及少量的硫、錳、銅、鐵等植物生長(zhǎng)需要的元素（這里劃個(gè)重點(diǎn)，我們后面要用到）。

木質(zhì)素單體的苯環(huán)結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [1] ）

落葉如何“更護(hù)花”

當(dāng)葉子進(jìn)入土壤中后，會(huì)被植食性動(dòng)物如螻蛄、植食性線蟲、螨蟲等食用，同時(shí)在微生物分泌的胞外酶作用下發(fā)生氧化反應(yīng)。這里我們主要說(shuō)微生物的作用，因?yàn)闃淙~對(duì)土壤肥力的貢獻(xiàn)離不開微生物參與。如前所述，易被分解的有機(jī)物會(huì)在酶的作用下被分解釋放出二氧化碳、水、能量和可供植物生長(zhǎng)所需的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素。此外，土壤板結(jié)是一種常見的土壤障礙性因子，不利于扎根，成硬塊狀的土壤中長(zhǎng)不出茁壯的植物。而殘留在土壤表面的樹葉經(jīng)過(guò)耕作活動(dòng)與土壤混合，起到了疏松土壤、增強(qiáng)土壤孔隙度的作用。

說(shuō)到土壤的物理結(jié)構(gòu)，就不得不提土壤團(tuán)聚體（soil aggregate），我們?nèi)庋劬涂梢钥吹剑寥烙梢涣Ｒ涣Ｎ⑿〉念w粒物組成，這些顆粒物在土壤學(xué)中叫做土壤團(tuán)聚體，它被稱為土壤的骨骼。土壤團(tuán)聚體按照體積大小分為了大團(tuán)聚體（直徑2000微米到250微米之間）、微團(tuán)聚體（直徑250微米到53微米之間）和微細(xì)團(tuán)聚體（直徑小于53微米）。

很多科學(xué)家的研究證明，疏松多孔、植物長(zhǎng)勢(shì)良好的土壤，大團(tuán)聚體的數(shù)量顯著高于微團(tuán)聚體和微細(xì)團(tuán)聚體的數(shù)量，這說(shuō)明大團(tuán)聚體的增多是土壤具有疏松結(jié)構(gòu)的先決條件，那么如何使大團(tuán)聚體增多呢？不錯(cuò)，植物凋落物—落葉又要上場(chǎng)了。在微生物分解落葉的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一些小分子有機(jī)物，它們含有多種活性官能團(tuán)，可以將土壤中的小團(tuán)聚體通過(guò)范德華力、氫鍵、靜電吸附、陽(yáng)離子鍵橋等鍵合形成大團(tuán)聚體，從而促進(jìn)了大團(tuán)聚體的聚合和土壤疏松結(jié)構(gòu)的形成。這就是落葉“反哺”之說(shuō)背后的原因。

掃描電鏡下的土壤大團(tuán)聚體（上）和微團(tuán)聚體（下）（圖片來(lái)源：作者提供）

落葉有助于對(duì)抗全球變暖

這小小的落葉不僅增強(qiáng)了土壤肥力，對(duì)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展也有著不可小覷的貢獻(xiàn)。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2014年的報(bào)告指出，在過(guò)去的三十年中，全球氣溫仍在持續(xù)上升，全球氣溫的上升已經(jīng)給地球的生態(tài)環(huán)境、物種平衡造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。陸地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體CO2、CH4、N2O的大量排放是氣候變暖的重要源頭。為此，IPCC將提升土壤有機(jī)質(zhì)含量作為應(yīng)對(duì)全球氣候變化的重要措施之一。

近幾十年來(lái)全球溫度變化（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn) [2] ）

到了這里也許有人會(huì)問(wèn)，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和應(yīng)對(duì)全球氣候變化有什么聯(lián)系呢？這就要從土壤的碳儲(chǔ)量說(shuō)起，美國(guó)學(xué)術(shù)出版社2003年出版的《環(huán)境土壤化學(xué)》一書中提到，全球大于2米深的土體中有機(jī)碳含量是大氣碳庫(kù)的3.2倍，是微生物碳庫(kù)的4.4倍。因此，土壤作為陸地最大的碳庫(kù)，即使其有機(jī)碳的微小變化，也會(huì)對(duì)大氣CO2的濃度造成顯著的影響?；诖耍?015年第21屆聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)期間法國(guó)農(nóng)業(yè)部部長(zhǎng)提出了“千分之四計(jì)劃：服務(wù)于糧食安全和氣候的土壤”議題，認(rèn)為只要全球2米深土壤的有機(jī)碳儲(chǔ)量（22000億噸）增加千分之四，就可以抵消當(dāng)年全球礦物燃料的碳排放（89億噸）。由此可見，提升土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)減緩全球氣候變化有著舉足輕重的作用。

那么如何提升土壤有機(jī)碳含量呢？除了要增加有機(jī)碳的投入以外，提高土壤有機(jī)碳的固持能力也是一個(gè)重要的方法。前面我們已經(jīng)了解到，有機(jī)碳從土壤中以CO2的形式排放到大氣最主要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的分解利用，所以限制微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的利用是減少土壤CO2釋放的最重要途徑。那么如何限制微生物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的利用呢？

其中一個(gè)方法就要用到我們上面提到的土壤團(tuán)聚體。土壤團(tuán)聚體之所以被稱為土壤的骨骼，是因?yàn)樗哂幸欢ǖ奈锢斫Y(jié)構(gòu)，它里面的孔隙直徑可以從1.7納米到75微米及以上不等，結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，這些盤根錯(cuò)節(jié)的結(jié)構(gòu)形成了有機(jī)質(zhì)和微生物之間的天然屏障，極大地阻礙了微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的攝取，保護(hù)了土壤有機(jī)質(zhì)的“周全”。因此，落葉這種外源有機(jī)物的輸入會(huì)促進(jìn)團(tuán)聚體的形成，增強(qiáng)土壤的碳固持能力，這便是落葉的生態(tài)功能。

當(dāng)然，雖然土壤中的落葉對(duì)于土壤肥力和生態(tài)環(huán)境具有諸多的益處，但是并不代表著任其積于地面?；▓@中凋落的樹葉通常需要被收集清理，這是因?yàn)榇罅柯淙~堆積于地面，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)被分解，反而會(huì)極大的影響美觀，因此，地面的落葉需要被清理，殘留的部分落葉仍然會(huì)行使它們對(duì)土壤肥力和生態(tài)環(huán)境的作用。

結(jié)語(yǔ)

好了，以上就是落葉在土壤中所經(jīng)歷的種種以及它對(duì)作物生長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境的一些貢獻(xiàn)。其實(shí)在地球表層的土壤-植物-大氣體系中，還有很多未知等待我們?nèi)チ私狻⑻剿?，只有正確認(rèn)識(shí)土壤、認(rèn)識(shí)地球，才能更好地愛護(hù)我們的家園！

參考文獻(xiàn):

[1] Mathieu Thevenot., et al. (2010). Fate of lignins in soils: A review. Soil Biology and Biochemistry42: 1200 – 1211.

[2] IPCC, 2014: Climate Change 2014: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Core Writing Team, R.K. Pachauri and L.A. Meyer (eds.)]. IPCC, Geneva, Switzerland, 151 pp.

[3] 黃昌勇. 土壤學(xué)（第3版）. 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社.

[4] 程琨, 潘根興. “千分之四全球土壤增碳計(jì)劃”對(duì)中國(guó)的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略.氣候變化研究進(jìn)展, 2016, 12(5): 457 – 464.

[5] Elliott E T, Coleman D C.(1988). Let the Soil Work for Us. Ecological Bulletins (39):23 – 32.

[6] 馬沖. (2018). 秸稈不同方式還田下農(nóng)業(yè)土壤團(tuán)聚體孔隙結(jié)構(gòu)及其與有機(jī)碳積累的關(guān)系研究. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué).

歡迎添加客服微信

深圳科普將定期推出

公益、免費(fèi)、優(yōu)惠的活動(dòng)和科普好物！