碳在土壤中的奧秘一：緒論碳在土壤中的奧秘(一)：緒論丁凡，徐英德沈陽農業大學土地與環境學院碳是一種神奇的元素，地球上所有已知的生命都是以碳元素為基礎的。能成為生命體的基礎元素需要滿足3個條件：1.化合價適中，至少可以形成3個以上共價鍵；2.活潑性適中，既不能太惰性、也不能太活潑；3.此元素相互之間可以形成共價鍵。這樣才能形成復雜多樣的高分子化合物（如DNA分子），為生命的形成提供物質基礎，並為自然選擇提供可能。經過篩選，符合這樣條件的元素只有碳和硅。硅也有作為有機物骨架的潛力，但是硅和氧形成的化合物二氧化硅是固體，不易排出生命體外，

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因而不適合生命，而廣泛的分布在了岩石、砂礫之中。所以，最終碳元素勝出，其化學活性適中，價態剛剛好，自身可以和自身結合形成長鏈，

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從而成為了生命之源。土壤是一個富有生命力的王國，居住在裡面的部落包括土壤動物（如蚯蚓、跳蟲、□蟲等）、真菌、細菌、病毒等數以百萬計的生物。這些生物體吃什麼呢？答案是土壤中的有機物質。動植物殘體是土壤中有機物質的主要來源。土壤中具有較高的溫度和濕度，動植物殘體會被很快地分解殆盡。為了長期生存，土壤微生物會把動植物殘體轉化為土壤有機質（腐殖質），長期保存在土壤中，然後再緩慢釋放，供微生物享用，並等待下一次動植物殘體的到來。因此對土壤生物來說，

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動植物殘體是新鮮但無法長期保存的糧食，而土壤有機質是可以長期儲存但只能緩慢釋放的糧庫。碳在土壤中的奧秘無窮無盡。無論是動植物殘體，

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還是土壤有機質，能成為微生物食物的最主要原因是它們都是富含碳的有機物。碳元素一般以動植物殘體的形式進入土壤，經過復雜的微生物的分解和轉化過程，大部分分解成CO2排放到大氣中，最終只有很少量的碳進入到土壤有機質中而長期保留下來。小小的碳原子，在土壤中的一舉一動，卻可以影響很多宏觀事件，如氣候變暖、土地退化、人類貧窮等等。如果土壤碳入不敷出，土壤肥力會顯著降低，從而影響糧食安全；如果全球土壤碳全部被釋放出來，大氣中的CO2濃度將增加3倍，土壤將變成無生命的風沙，地球也會變成無生命的不毛之地。達·芬奇曾說過：“我們對腳下土壤的了解，遠不及對浩瀚的天體運動了解得多”。經過幾代土壤科學家的不斷努力，許多土壤碳的奧秘被陸續解鎖，但這也只是管中窺豹、冰山之一角，我們對碳在土壤中的核心過程─土壤有機質的形成和穩定機制仍然停留在猜想階段。想要完全揭開土壤碳的神秘面紗，無疑，未來路遠且長。我們嘗試參照經典科普讀物《十萬個為什麼》的寫法，以問題為導向，講述土壤碳的故事。我們提出了一些與土壤碳相關的有趣問題，這些問題的答案有的已經比較清楚，有的還懸而未決。接下來我們將逐個進行解析（但不限于這些問題）。我們寫這些博文不是為了告訴大家問題的答案，而是希望能引起大家對土裡土氣的土壤的興趣與關注。1. 土壤碳從哪裡來，最終到哪裡去？2. 土壤離天空那麼遠，為什麼土壤碳的變化會引起氣候變化呢？3. 土壤碳含量越高，植物生長越好嗎？4. 植物會從土壤中吸收碳嗎？5. 往土壤中添加大量的植物秸稈，會不會快速提升土壤碳含量？6. 哪些措施，能使土壤固定更多的碳？7. 土壤碳含量可以無限制的增加嗎？8. 細菌、真菌、病毒在土壤碳循環中起著什麼作用？9. 微生物既可以分解土壤碳，又可以保護土壤碳，這是為什麼？10.土壤碳為什麼會在土壤中保存千年之久？11.氣候變暖會不會導致土壤碳全部釋放出來？12.為什麼北方土壤中碳酸鈣含量較高，而南方土壤中很少含有碳酸鈣？13.喀斯特地區從地表土壤到地下上百米深的岩石，主要成分都是碳酸岩礦物，這麼多的碳從哪來的？14.沿海土壤中也含有大量碳酸鈣，為什麼？15.煤、石油、天然氣都是古代植物殘體演變而成的含碳有機物，為什麼有的地方產煤，有的地方產油，而有的地方產氣？16.不同生態系統（農田/草原/森林）中土壤的固碳能力一樣嗎？17.土壤碳和土壤有機質有什麼關系？18.為什麼很多農田土壤中的無機碳越來越少，甚至消失不見？19.從岩石變為土壤的過程中，碳是怎樣從無機態變為有機態的？20.地球上到底有多少碳被土壤保管？21.土壤中的碳和氮等其他小伙伴是如何相處的？22.土壤礦物為何能成為“護碳使者”？23.植物光合作用後，怎樣把碳交給土壤？24.我國哪的土壤有機碳含量最高？寒冷幹燥的北方還是溫暖潮濕的南方？25.黑炭、生物炭是什麼？“炭”和“碳”一樣嗎？26.幹旱、酸雨等不良氣候條件會給土壤碳帶來怎樣的影響？27.微生物死後給土壤留下了什麼遺產？28.土壤碳家族中有哪些活躍分子？哪些懶惰家伙？29.躲在土壤深層的碳也會損失嗎？客觀性原理（objectivity principle）是現實物理學的根本原理。客觀性原理表明：物質運動規律是客觀的，不依賴于觀察者的主觀意識。客觀性原理的現實意義在于消除量子論造成的認識論障礙，引導人們關注物理理論中的主觀因素並尋求解決方案。分析表明，物理理論中包含的主觀因素有數學模型的抽象性、物理單位的主觀性和坐標系選擇的任意性。客觀性原理的第一條規則要求物理理論模型具有客觀依據，第二條規則要求物理方程與標度無關，

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第三條規則要求物理方程與原點無關。客觀性原理的標度無關規則用于消除物理單位的主觀性，原點無關規則用于消除時空參考點的任意性，它們的操作規程簡單而且明確。物理理論的核心概念集包括物質、粒子、空間、時間和相互作用，理論模型的客觀性需要從部分和整體兩方面把握。部分把握要求每個核心概念的定義都有物理內容和現實基礎，整體把握要求理論模型具有簡單性、關聯性和有效性。例如，點粒子定義的是一個抽象幾何體，物理內容主要通過相互作用表現，還需要引進質荷（質量）和電荷概念。彈性粒子的定義則包含質量、體積、彈性和運動等物理元素。彈性與質量守恆規則關聯，質量、體積和運動則與相互作用規則關聯。彈性粒子的相互作用包括質量吸引和運動排斥（或體積排斥。理論證明，運動與體積密切相關，物體體積反映了粒子的運動強度）。與點粒子相比，彈性粒子相對復雜。但是，彈性粒子的基本元素都有物理內容，而且與其它核心概念密切關聯。波粒子（或場粒子）的基本元素（頻率、波長、相位，

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等）也有物理內容，但是，波粒子的相互作用規則（勢能或拉格朗日密度）非常復雜。與波粒子相比，基于彈性粒子構建的理論模型在整體上具有高度的簡單性和有效性。簡單有效性是一種古典的“思維經濟原則”，它有個形象的名稱，叫做“奧卡姆剃刀”。這個原則宣稱：如無必要，勿增實體。它主張只承認現實存在的東西，多餘的空洞概念應當被無情地“剃除”。例如，彈性粒子是有（靜止）質量和體積的三維物體。根據這一定義，奧卡姆剃刀首先剃光了規範場理論中的全部基本粒子，因為它們沒有靜止質量（規範場理論中基本粒子的質量是由局域規範對稱破缺機制產生的，這個機制是堆砌在一系列假設之上的假設）。奧卡姆剃刀接著剃除了全部經典物理粒子，因為它們是點粒子，沒有體積。彈性粒子是從宏觀現實抽象出來的模型，現實物理學將其推廣到微觀領域，于是修改質子和電子為有質量有體積的彈性粒子。質子的質量是Mp = 1.6726216×10-27kg，電子的質量是Me = 9.1093821×10-31kg，它們的體積尚未得知，但是質子的質量密度一定大于電子。需要強調的是：現實物理學中的質子和電子沒有電荷，

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現實物理學不需要電荷概念。質子和電子是兩種不可分割的原始粒子，一切物質都是由質子和電子構成的，如同計算機中的全部信息都是{1錛0}兩個字符構成的字符串。為了增加趣味性，我們借用戲劇化語言來修飾這些冰冷的事理敘述：無情的奧卡姆剃刀先將萬物割殺殆盡，只留下亞當（質子）和夏娃（電子）這對情侶粒子。順手一刀又切斷了聯系空間和時間的紐帶，傾覆了愛因斯坦精心架設的時空軌道。失去電荷外衣的遮蔽和時空度規的引導，這對情侶粒子茫茫然不知何物可依、何處可歸。那麼，

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上帝（自然）如何再創世界，引導亞當夏娃情侶粒子重歸伊甸樂園呢？這個問題帶有強烈的神學和哲學色彩。但在現實物理學中，宇宙從簡單到復雜的演化有著明確的規則和清晰的圖景。上帝制定的演化規則就是粒子的相互作用規律，上帝描繪的演化圖景就是物質的層次嵌套結構。彈性粒子的相互作用包括質量吸引和運動排斥。彈性粒子有平動、轉動和振動三種獨立的運動模式。在彈性粒子場論中，質量吸引由質量勢（F）表征，運動排斥由動量勢（A）表征。質量勢和動量勢都滿足泊鬆方程，質量密度（r）是質量勢的源，動量密度（j）是動量勢的源。彈性粒子場的作用力包括梯度（平動）力、旋度（轉動）力和散度（振動）力。梯度力表現為萬有引力和靜電力，旋度力表現為科裡奧利力和靜磁力，散度力表現為運動阻力。根據這些作用規則，質子和電子構成中子（如同地球和月亮構成的地月系統）、質子和中子形成原子核、原子核和電子形成原子、原子形成分子、分子形成分子團簇，等等。在更高的層次上，行星與衛星構成行星系、恆星與行星構成恆星系、恆星系構成如銀河系這樣的更大星系，等等。這樣的圖景稱之為物質的層次嵌套結構。層次嵌套結構的一般模型是：頂層粒子介層粒子基層粒子潛層粒子，其中是集合論的包含符號。在創建世界的過程中，上帝的作用是設計規則（相互作用）、創造粒子（質子和電子）以及推動宇宙（讓粒子動起來）。上帝的創世法術如此簡單、如此神奇！當然，這是上帝幹的活，絕非人力所及。簡單性是傳統自然科學、特別是經典物理學的基本指導原則。簡單性思想主要表現在三個方面：物質構成的簡單性，

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運動規律的簡單性和科學方法的簡單性。從牛頓的“三大定律”到愛因斯坦的“邏輯簡單性”標準，都認為自然受控于幾條簡單的運行規則。愛因斯坦說過：科學的偉大目標是從盡可能少的假設或者公理出發，通過邏輯的演繹，概括盡可能多的經驗與事實。邏輯簡單的東西不一定是物理上真實的東西。但是，物理上真實的東西一定是邏輯上簡單的東西。本體論意義上的簡單性是愛因斯坦堅定的信仰，認識論和方法論意義上的簡單性則是他畢生追求的目標。但是，人類的哲學思考在二十世紀末發生了重大變化。隨著自然界在眾多領域展現的隨機性、非線性和演化特征，特別是試圖統一物理學的嘗試屢遭挫折以後，人們開始懷疑簡單性的本體論意義，趨向于認同自然的復雜性。這種觀念的變化導致了人們在認識論方面放棄了簡單性原則，方法論方面不再從簡單性和真實性出發，而是不斷發明玄妙的物理概念和深奧的數學理論去描述復雜的現象與事實，以致現代物理學變成只有極少數人能夠理解的玄學。從始于簡單的經典力學到困于復雜的現代物理學，其根本原因在于人類還沒有認清世界簡單性的物質本源，

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沒有找到世界復雜性的根本原因。現實物理學堅持自然的簡單性原則，結合還原論和整體論方法，實現了客觀世界簡單性與復雜性的統一。首先，根據客觀性原理排除了物理理論中的人為主觀因素。第二，將自然界的物質構成還原為質子和電子兩種彈性粒子。第三，發展了運動狀態理論和熱力學理論，從還原論角度揭示了物體從微觀到宏觀的狀態變化規律。第四，發展了彈性粒子場論，從整體論角度揭示了物體的相互作用和運動演化規律。現實物理學的結果確鑿表明：物質的本源是簡單的，物質的運動規律和表達形式也是簡單的。自然界的復雜性和多樣性都是物質相互作用的結果，是系統結構層次性的反映。現實物理學將客觀世界的簡單性與復雜性在本體論、認識論和方法論意義上統一了起來。 論文下載：（英文） Outline of Real Physics. Global J. Sci. Front. Res. 2020錛20(3A):9-27（中文） 現實物理學綱要.pdf，