土壤中的有机质包括生物分子和腐殖质。生物分子主要来源于生物死亡的细胞和排泄物或植物被雨水淋滤冲洗进入土壤中的部分生物分子 。此外,土壤有机质还包括大的动物排泄物和微生物分泌液 。在这些分泌液中最重要的是简单的羧酸,如乙酸、草酸 、蚂酸(HCOOH) 、酒石酸(2,3-COOH (CH(OH))2COOH)、柠檬酸和苯酚。苯酚上的OH官能团可以游离出来,因此,它们对土壤酸化和风化有一定影响。这些简单的有机酸通常在土壤植物根系周围有较高的浓度,土壤溶液中的平均含量低于 1 mmol (Drever et al., 1994) 。由于土壤中存在简单酸性物质和较复杂的腐殖酸,因此,大多数土壤是弱酸性的,土壤中酸性物质存在对土壤风化有较大影响 。大多数生物分子由于细菌作用可以迅速发生代谢反应,其在土壤中的滞留时间非常短,一般是几天或更短。相反,稳定的腐殖质在土壤中可以存在几千年之久 。
土壤腐殖质可分为胡敏酸、富里酸和胡敏素三种成分 。土壤中富里酸和胡敏酸成分上的差异比水体中两者的差异大,胡敏酸比富里酸富碳和氮,贫氧 、硫和氢。富里酸中羧基等极性官能团含量较高,因此,富里酸的溶解度较高,土壤富里酸分子量一般小于 2× 103道尔顿,而土壤胡敏酸的分子量则超过 106 道尔顿 。据此,胡敏酸的化学分子式可近似表示为C187 H189 O89 N9 S ;富里酸为 C68 H91 O48 N3 S 。与活的生物体进行对比发现,胡敏酸和富里酸的氢 、氧和氮与碳的比值较低。因为,腐殖质最终来源于生物分子,这表明H、O和N在腐殖质形成过程中损失了 。胡敏素为土壤中的不溶有机质,一般比富里酸和胡敏酸富碳和氮,而贫硫 。从上述分子式中可以推测,在腐殖质中存在不饱和碳链,这可以部分解释腐殖质的稳定性。土壤胡敏酸的另一种可能的结构如图8-17 所示 。土壤腐殖质成因还不十分清楚,其中芳核结构较多表明了腐殖质中最重要的组分是木质素和丹宁 。如前所述,具芳核结构的有机物很稳定,它们可被微生物作用发生部分降解,单体或小分子聚合体在黏土矿物 、金属离子或细菌的催化作用下,发生缩合作用。腐殖质上的一些其他化合物,如氨基酸 、烃类、烷烃等可能主要来自于结合在腐殖质上的脂肪酸,土壤微生物也可能提供了重要的来源。
图8-17 土壤胡敏酸结构示意图
(据Stevenson,1982)
有机物,特别是草酸一类的羧酸在土壤灰化作用过程中发挥着重要作用 。土壤表层羧酸含量较高,羧酸能够与Fe和 Al 形成可溶络合物,这些络合物被流水带入土壤剖面下部,在此处,羧酸被细菌氧化,Fe和Al以氢氧化物的形式发生沉淀,因此,造成土壤剖面上部Fe和Al的贫化而在下部剖面富集的现象 。
有机酸在岩石风化反应中起了非常重要的催化作用:①可在固体表面形成络合物,特别是螯合物的形成可削弱矿物晶体内部金属与氧的结合力,从而促使金属从其固体表面移出;②在溶液中与金属离子形成络合物,降低化学反应的自由离子活度,增加反应自由能ΔG;③降低溶液pH (Drever et al.,1994;Bennett et al.,1994)。此外,在Fe 、Mn和氢氧化物的还原反应中,有机物质可以作为还原剂,是电子供体 。
野外和室内研究结果都说明了有机酸的浓度可以加速风化速度 (Bennett et al., 1994) 。但是,在大多数环境中,有机酸浓度都较低,对风化速度的影响比较小 (Drever et al.,1994)。含油岩石中,溶解于水中的有机酸可使碳酸盐和硅酸盐溶解,从而增加岩石的孔隙度,加速石油运移和成藏 。
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