“烂泥”二字，在日常里上不得台面。所谓“烂泥扶不上墙”，多用来形容不争气的年轻人。但烂泥在环境中可是个宝贝。地球百分之七十一的地方都被水覆盖，水面之下，尽是烂泥。大部分的烂泥都隐藏在海洋和冰川区域，人类罕至。然而，在稻田、湖泊、河流地下的一小部分，却支撑起了人类文明最昌盛的景观。
烂泥是俗语，在学术上，”烂泥“叫做水饱和土壤，或者淹水土壤，每年都有大量的相关研究发表。
烂泥中有很多神奇且有趣的现象，比如在国际最大实验室交友平台Researchgate上，曾经有人铺了这么一个问题:
简单翻译一下：为什么不管土壤最开始是酸性的还是碱性的，只要开始淹水，土壤变还原性之后，土壤的pH值都会往中性移动？
是不是很神奇？不管最开始土壤是酸性还是碱性，只要往里面加大量的水，然后等待几天，等土壤里面的氧气消耗掉了，土壤的pH都会变成中性。这就好像有一种药，吃下去能让胖子变瘦，瘦子长肉，还没有任何副作用！
那么这个是怎么发生的呢？
自然土壤pH值范围大概在4到10之间，太酸或太碱会一毛不长。酸碱过高的土壤可以通过人工调节。跟溶液酸碱调节不同的是，调节土壤pH不能直接往里面加强酸强碱。土壤具有很大的酸碱缓冲能力且不容易混匀，直接加酸或者碱容易把土壤弄得酸一块碱一块。
最常用的方法就是给酸性土壤加石灰石（CaCO3），给碱性土壤加单质硫（S）。碳酸钙是一种强碱弱酸盐，中性条件下溶解度很低。但是在酸性环境中，溶解性会大大增加，因为氢离子和碳酸根反应生成碳酸，溶解的同时提升了pH。
加硫造成土壤酸化的机理稍微复杂一点，需要涉及到氧化还原反应。单质硫本身不具备调节酸碱的作用，但是在土壤里氧气的作用下，会发生氧化反应，生成硫酸根和氢离子，反应式如下：
S 2H2O O2 → 4H SO42-
一个硫带来了4个氢离子，从而酸化了土壤。
从土壤调节pH的反应过程可以看到，土壤的pH值取决土壤溶液里面的离子组成。如果离子是强碱弱酸组合，比如以钙镁等为阳离子，碳酸根等为阴离子，那么土壤就呈碱性；如果是强酸弱碱组合，比如以氨氢等为阳离子，硫酸根硝酸根等为阴离子，那么土壤就呈酸性。
氧化还原过程的本质是电子在不同物质间的传递，与酸碱值并没有直接关系。但是氧化还原反应往往伴随着离子组成的变化，从而改变了其pH值。比如上一个硫氧化的反应，左边都是中性的，右边产生了氢离子和强酸离子硫酸根，带来的结果就是土壤酸化。
氧化还原反应也可能碱化，比如
CH3COOK 2O2 → H2O 2CO2 KOH
当然，也可能对pH值没有影响，比如氢气和氧气反应生成水。
那么当淹水后，土壤里发生了什么样的氧化还原变化呢？
从时间上来看，氧气首先挤出土壤孔隙，然后硝酸根，铁锰氧化物，硫酸根等依次还原，分别生成水，亚硝酸根甚至氨，二价铁锰离子，和硫化物。从空间上来看，因为表层水中总含有少量氧气，这些氧气从表层水往泥中扩散，自上而下形成如下图所示的氧化还原梯度（横坐标所在位置为土水界面）。在不同深度，根据氧化还原电位发生着不同的氧化还原反应，简化的反应方程式如图中右侧所示。
图摘自：Introduction to Geomicrobiology, Kurt O. Konhauser, 2006
如果土壤开始呈酸性，我们可以假设土壤中大量存在各种酸（CH3COOH, H2SO4, HNO3)。把这些酸带入上面的反应式中：
CH3COOH 2O2→2H2O 2CO2；
CH3COOH 1.6HNO3→2CO2 0.8N2 2.8H2O；
CH3COOH H2SO4→H2S 2H2CO3；
随着还原反应的进行，这些中强酸都变成了弱酸（碳酸，硫化氢）等，于是pH值升高，从酸性变到中性。
如果土壤开始呈碱性，最常见的情况是土壤里存在大量的钙镁（比如(CH3COO)2Ca, Ca(OH)2)。这些离子并不直接参与氧化还原，但是钙很容易跟有机物氧化形成的碳酸根结合，生成溶解度很低的碳酸钙；镁有可能和还原条件下大量产生氨形成同样溶解度很低的鸟粪石，最终的反应结果还是土壤往中性变化。
当然，在烂泥中的实际反应过程会更加复杂，氧化还原物质的组成，有机物结构，微生物活动等等都可能改变里面的反应过程。作为一个复杂的环境体系，烂泥中还存在很多神奇又重要的现象值得去深究，这些研究不仅能拓宽我们对地球上人迹罕至的70%的烂泥区域的理解，也能为全球气候变化和粮食安全贡献一份力量。
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