纵观腐殖质相关研究的历史,其局限性和争议主要表现为以下几个方面[7,12-14]:(1)提取方法还存在争议:提取腐殖质过程中加入的碱液会改变土壤的电离环境,使有机质氧化而改变了自身结构与化学组成[15],可能已不能客观代表土壤中真实存在的有机质。(2)提取不充分:土壤有机组分因与矿物质胶结在一起,单独分离土壤有机质的过程非常困难[7]。因此,利用能提取出的这部分腐殖质研究所得出的结果代表整体难免会降低其可信度[14,16-17]。(3)腐殖质真实分子结构的困扰:明晰腐殖质的化学结构历来是腐殖质相关研究的难点。近年来,核磁共振等技术的引入在一定程度上推动了该方面的研究,但还具有很大的局限性,不能得出较为详细的腐殖质分子结构信息。(4)腐殖质的形成过程不完全明确:不仅形成腐殖质的来源物质众说纷纭[18-19],而且微生物在腐殖化过程中的作用尚未形成统一观点,目前存在微生物合成学说、微生物多酚学说、厌氧发酵学说等多种理论假设,但在土壤中究竟何种有机化合物通过怎样的途径逐步转化为腐殖质尚无定论。
一直以来,这些质疑并没有得到完美的解释,并且没有任何独立的实验能直接证明腐殖质是土壤中单独存在的有机组分[7]。近年来,逐渐应用到土壤学领域的X-射线光谱显微镜等原位分析手段可以在土壤不受扰动状态下进行直接观测,识别出土壤中有机物形态特征及空间变异性[17]。基于该项技术,Lehmann等[17]在土壤微团聚体表面并未发现与化学浸提出的腐殖物质类似的富含芳香/羧酸盐化合物的特征,而识别出的土壤有机组分多是植物或微生物体碎片。此外,Myneni等[20]也利用光谱证据证明了碱性提取物中的有机物质是以较小化合物的组合形式存在。Kelleher和Simpson[12]则通过核磁共振分析得到分子混合模型,发现传统意义的土壤腐殖质在很大程度上其实是微生物、植物分子聚合物以及它们的降解产物所组成的复杂混合物。通过这些研究可以初步推断,土壤有机质实际上可能是生物小分子相互作用而形成的分子缔合物或不同大小有机碎片组成的混合物[7,21]。此外,Lehmann和Kleber[7]总结认为新的研究所定义的“有机质”(以小分子有机化合物为主)所表现出的特征同样能够完美解释碱液浸提“腐殖质”具有的性质(如颜色、分子量、芳香性和氮杂环数量等)。
在土壤腐殖质概念受到广泛争论的同时,其形成的腐殖化过程自然也受到了质疑。植物残体分解产生的小分子化合物再次形成大分子的腐殖质这一过程至今并未在自然土壤系统中被证实[7];且一些研究[22-23]表明土壤腐殖质也可以拥有较快的分解速率。基于土壤有机质研究的最新成果并综合植物残体腐解过程中的不同保护机制,Lehmann和Kleber[7]提出了土壤有机质连续体模型(Soil Continuum Model)的概念,即植物残体向土壤有机质的转化是从大的植物生物聚合物到小分子化合物的微生物逐级分解过程,因而土壤有机质的存在形式是从大的植物碎片到逐渐分解成的小分子化合物的连续体(图1)。在该模型中,外源有机物料在被微生物利用的过程中体积不断减小,热动力学梯度逐渐下降,而极性组分、可溶性组分和离子化组分相应增加。并且,随着分子复杂程度的逐渐下降,有机化合物更易于与矿物表面结合或进入团聚体内部而增加其稳定性。但也有研究认为尽管土壤微生物可将腐殖质完全或部分分解,与此同时也会产生新的腐殖质使有机质得以更新[18]。总之,传统的腐殖化理论和有机质连续体模型均承认动、植物碎片在输入土壤后,会先经过物理化学作用而破碎,进而通过胞外酶等降解成相对更小的组分。但在后续的过程中,有机质连续体模型更多的是基于原位光谱显微技术[12,17]所得到的证据进行考量,因此提出了与腐殖化过程不同的理论模型。