片片落叶，也是抵抗全球变暖的能手

作者：马冲（中国科学院亚热带农业生态研究所）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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“天气凉了，树叶黄了，一片片叶子从树上落下来。”厚厚的落叶积在地面，它们的命运走向如何呢？其中一部分会被清洁工人收集，运送到固废处理厂；还有一部分则会残留在土壤中。那么留在土壤表面的那些落叶，会经历怎样的“叶生”呢？

古有“落红不是无情物，化作春泥更护花”，今有“秸秆还田促生长”，那么落叶是否也会像这些凋落的生物残体一样，变成供应土壤肥力的“大功臣”呢？它们除了供应土壤肥力，还对生态环境有着怎样的贡献呢？今天就给大家讲讲这里面的奥秘。

落叶（图片来源：Pixabay）

树叶组成知多少

我们司空见惯的落叶，其实主要由蜡质、脂类物质、木质素和蛋白质等有机化合物构成。木质素由于富含非常稳定的苯环结构，常被认为是最难分解的一类复杂有机化合物。蜡质和脂类物质的化学结构相对简单，它们通常在树叶的表面形成蜡质层和角质层，用来防止水分的蒸发。蛋白质相对前面几种有机化合物更容易分解，它大约包含6% 的氮以及少量的硫、锰、铜、铁等植物生长需要的元素（这里划个重点，我们后面要用到）。

木质素单体的苯环结构（图片来源：参考文献 [1] ）

落叶如何“更护花”

当叶子进入土壤中后，会被植食性动物如蝼蛄、植食性线虫、螨虫等食用，同时在微生物分泌的胞外酶作用下发生氧化反应。这里我们主要说微生物的作用，因为树叶对土壤肥力的贡献离不开微生物参与。如前所述，易被分解的有机物会在酶的作用下被分解释放出二氧化碳、水、能量和可供植物生长所需的无机营养元素。此外，土壤板结是一种常见的土壤障碍性因子，不利于扎根，成硬块状的土壤中长不出茁壮的植物。而残留在土壤表面的树叶经过耕作活动与土壤混合，起到了疏松土壤、增强土壤孔隙度的作用。

说到土壤的物理结构，就不得不提土壤团聚体（soil aggregate），我们肉眼就可以看到，土壤由一粒一粒微小的颗粒物组成，这些颗粒物在土壤学中叫做土壤团聚体，它被称为土壤的骨骼。土壤团聚体按照体积大小分为了大团聚体（直径2000微米到250微米之间）、微团聚体（直径250微米到53微米之间）和微细团聚体（直径小于53微米）。

很多科学家的研究证明，疏松多孔、植物长势良好的土壤，大团聚体的数量显著高于微团聚体和微细团聚体的数量，这说明大团聚体的增多是土壤具有疏松结构的先决条件，那么如何使大团聚体增多呢？不错，植物凋落物—落叶又要上场了。在微生物分解落叶的时候，会产生一些小分子有机物，它们含有多种活性官能团，可以将土壤中的小团聚体通过范德华力、氢键、静电吸附、阳离子键桥等键合形成大团聚体，从而促进了大团聚体的聚合和土壤疏松结构的形成。这就是落叶“反哺”之说背后的原因。

扫描电镜下的土壤大团聚体（上）和微团聚体（下）（图片来源：作者提供）

落叶有助于对抗全球变暖

这小小的落叶不仅增强了土壤肥力，对生态环境的可持续发展也有着不可小觑的贡献。

联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2014年的报告指出，在过去的三十年中，全球气温仍在持续上升，全球气温的上升已经给地球的生态环境、物种平衡造成了严重的负面影响。陆地生态系统温室气体CO2、CH4、N2O的大量排放是气候变暖的重要源头。为此，IPCC将提升土壤有机质含量作为应对全球气候变化的重要措施之一。

近几十年来全球温度变化（图片来源：参考文献 [2] ）

到了这里也许有人会问，提高土壤有机质含量和应对全球气候变化有什么联系呢？这就要从土壤的碳储量说起，美国学术出版社2003年出版的《环境土壤化学》一书中提到，全球大于2米深的土体中有机碳含量是大气碳库的3.2倍，是微生物碳库的4.4倍。因此，土壤作为陆地最大的碳库，即使其有机碳的微小变化，也会对大气CO2的浓度造成显著的影响。基于此，在2015年第21届联合国气候变化大会期间法国农业部部长提出了“千分之四计划：服务于粮食安全和气候的土壤”议题，认为只要全球2米深土壤的有机碳储量（22000亿吨）增加千分之四，就可以抵消当年全球矿物燃料的碳排放（89亿吨）。由此可见，提升土壤有机质含量对减缓全球气候变化有着举足轻重的作用。

那么如何提升土壤有机碳含量呢？除了要增加有机碳的投入以外，提高土壤有机碳的固持能力也是一个重要的方法。前面我们已经了解到，有机碳从土壤中以CO2的形式排放到大气最主要的一个环节就是微生物对土壤有机质的分解利用，所以限制微生物对有机质的利用是减少土壤CO2释放的最重要途径。那么如何限制微生物对土壤有机质的利用呢？

其中一个方法就要用到我们上面提到的土壤团聚体。土壤团聚体之所以被称为土壤的骨骼，是因为它具有一定的物理结构，它里面的孔隙直径可以从1.7纳米到75微米及以上不等，结构错综复杂，这些盘根错节的结构形成了有机质和微生物之间的天然屏障，极大地阻碍了微生物对有机质的摄取，保护了土壤有机质的“周全”。因此，落叶这种外源有机物的输入会促进团聚体的形成，增强土壤的碳固持能力，这便是落叶的生态功能。

当然，虽然土壤中的落叶对于土壤肥力和生态环境具有诸多的益处，但是并不代表着任其积于地面。花园中凋落的树叶通常需要被收集清理，这是因为大量落叶堆积于地面，短时间内不会被分解，反而会极大的影响美观，因此，地面的落叶需要被清理，残留的部分落叶仍然会行使它们对土壤肥力和生态环境的作用。

结语

好了，以上就是落叶在土壤中所经历的种种以及它对作物生长和生态环境的一些贡献。其实在地球表层的土壤-植物-大气体系中，还有很多未知等待我们去了解、探索，只有正确认识土壤、认识地球，才能更好地爱护我们的家园！

参考文献:

[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] 黄昌勇. 土壤学（第3版）. 中国农业出版社.

[4] 程琨, 潘根兴. “千分之四全球土壤增碳计划”对中国的挑战与应对策略.气候变化研究进展, 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] 马冲. (2018). 秸秆不同方式还田下农业土壤团聚体孔隙结构及其与有机碳积累的关系研究. 南京农业大学.

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