东北黑土有机质稳定的矿物学机制

Soil organic carbon stocks and the ability to sequester carbon is determined by soil organic matter stability (SOM). The sorption and protection of chemical interactions between clay mineral and SOC plays an important role in SOM stabilization process. However, the process and mechanism of SOM stabilized on soil minerals, especially the clay mineral, is poorly understood in northeast of China. The objective of this project is to clarify the relationship and interactions between clay mineral composition and SOM stability. In this project, soils with different OC content are collected under a long-term experiment in Hailun station and the historical soil samples. The sorption capacity and structure of clay types are investigated to establish the variation of SOM content and clay mineral composition in the way by X ray diffraction, thermo gravimetric analysis (TGA), fourier transform infrared (FTIR) and nuclear magnetic resonance (NMR). The adsorption behavior between clay types and humic acid is assessed using functional group and ligand exchange during thermal analyses and kinetics. The effect of clay composition on the stabilization of SOM is also illustrated through an incubation experiment which is conducted by 13C labelled glucose and plant litter. This project is useful for an in-depth understanding of mechanisms of OC stability in Mollisol. Furthermore, it could provide scientific instruction for improvement of soil fertility and SOM stocks in northeast of China.

土壤有机质的稳定性决定着土壤固定和储备有机碳的能力。粘土矿物对土壤有机质的吸附和保护作用是提高有机质稳定的重要过程，但目前仍缺乏东北黑土有机质与粘土矿物的相互作用以及稳定机制的研究。本项目以海伦站长期定位试验高、中、低有机质含量黑土以及其历史土壤为研究对象，应用X射线衍射、红外光谱、热重差热分析与核磁共振等现代分析技术，研究有机质稳定性在不同有机质含量黑土中的变化特征，揭示有机质数量的消长与粘土矿物对其保护能力的关系；通过热力学和动力学分析方法，解析粘土矿物吸附腐殖酸后官能团和配位方式等微观结构的变化，明确粘土矿物对有机质稳定性的保护机制；结合13C同位素示踪技术，探讨添加外源有机物后，粘土矿物-腐殖酸矿化速率的变化特征，阐明粘土矿物结合态土壤有机质的保护机制，从而为黑土区的地力提升、退化土壤有机质储量的恢复和有机碳保护提供科学指导。

土壤有机质的稳定性是决定土壤储备有机碳能力的关键因素。粘土矿物对土壤有机质的吸附和保护作用是提高有机质稳定的重要过程，但目前仍缺乏东北黑土有机质与粘土矿物的相互作用以及稳定机制的研究。本项目以海伦站长期定位试验中不同有机质含量的草地，农田和裸地黑土为研究对象，从团聚结构对土壤有机碳物理保护角度出发，结合13C同位素示踪技术，探讨团聚结构被破坏和添加外源碳或者氮后，有机质稳定性在不同有机质含量黑土中的变化特征。研究结果表明，与农田与裸地相比，草地土壤有机碳含量最高，而粘粒所占比例最低。草地土壤大团聚体遭到破坏后，土壤有机碳矿化水平提高了20%。外源添加物显著提高了土壤有机碳矿化速率，但是团聚体的破坏没有影响土壤有机碳的激发效应。激发效应主要发生在培养初期的第三天，伴随可利用有机碳的消耗，激发效应减弱。因此，土壤有机碳的稳定性与土壤可利用性有机碳密切相关。利用马弗炉高温燃烧，将草地土壤团聚体的不同粒级中的有机碳去除，明确与有机碳结合的矿物对土壤固碳能力的贡献。通过矿物与玉米秸秆提取的可溶性有机碳结合，揭示团聚体不同粒级中的矿物对有机质的吸附及固定能力。30天的室内培养结果表明，未吸附可溶性有机碳的2-0.25mm和<0.053 mm粒级的矿物结合态有机碳矿化的有机碳最少；吸附可溶性有机碳后，2-0.25mm粒级矿化的有机碳最多。此项研究结果明确了黑土有机碳含量变化与稳定性的关系，阐明了不同团聚体粒级对土壤有机碳固定的贡献，为揭示黑土有机碳稳定机制提供了基础数据。