埋藏土壤中腐殖物质组成和化学结构的长时间尺度演化

土壤腐殖物质（HS）是土壤有机质中最主要和最稳定的部分，其组成和化学结构显著影响土壤的物理、化学和生物学性质。土壤有机物质的腐殖化过程缓慢而长期。因此，只有在长时间尺度上开展研究，才有可能阐明其演化规律。目前对于HS演化的研究主要集中在各组分数量特征在短时间尺度上的动态变化方面，而在长时间尺度上HS组成和结构演化的研究非常有限。本项目拟以HS（胡敏酸、富里酸和胡敏素）为主要研究对象，以陕西洛川和甘肃西峰两个黄土／古土壤剖面为HS的载体，利用元素化学分析、核磁共振波谱、红外光谱、热解－气相色谱／质谱等现代分析手段，通过对不同年龄黄土／古土壤中HS各组分的数量特征和元素组成、结构特征的系统研究，试图查明80万年以来埋藏土壤中HS组成随时间的演化规律，探讨HS化学结构与埋藏时间的关系，进而揭示腐殖化作用的总趋势，并为评价土壤有机质在长时间尺度上的稳定性乃至参与全球碳循环的能力提供科学依据。

本项目利用核磁共振、红外光谱、X-射线衍射、TOC、元素化学分析等现代分析测试手段，对于从陕西洛川剖面和宝鸡剖面S8及其以上各层黄土和古土壤中提取的胡敏酸（HA）、富里酸（FA）、胡敏素（HM）以及粘粒矿物等进行了系统的研究。研究结果表明：.（1）HA、FA和HM与TOC的相关系数均在0.95以上，这间接地说明腐殖物质（HS）是黄土和古土壤中有机质的主体。本项目的实践证明，提取耕作土壤中HS的常规方法也适用于黄土和古土壤。换言之，黄土/古土壤可以作为在长时间尺度上研究有机质稳定性的理想对象。.（2）总有机碳（TOC）、稳定性有机碳（StOC）、矿物保护性有机碳（MOC）和化学保护性有机碳（ROC）以及HA、FA和HM均与高岭石有很好的相关性。这些形式的有机质与络合态氧化铁（Fep）、无定形氧化铁(Feo)和无定形氧化铝（Alo）以及络合态氧化铝（Alp）的相关性也有较好的相关性。这说明上述无机物质对有机质（特别是其中的HS）的长期保存都具有积极的作用，但它们的贡献大小不同，大致顺序是：高岭石>Fep>Feo>Alo>Alp。它们对有机质的保护可能既有物理方式的也有化学方式的。.（3）无论是黄土还是古土壤，TOC、StOC以及HA、FA和HM含量均有沿着剖面从上到下逐渐降低的趋势。同时，StOC/TOC比值则有逐渐增大的趋势。在S4以下，它们的变化幅度逐渐减小。这可能暗示着，在埋藏时间超过375 ka以后，不稳定有机碳逐渐分解殆尽，留存下来的主要是稳定性有机碳。L7和S8中仍含有一定量的有机碳说明，埋藏土壤中的有机碳至少可以保存762 ka。.（4）HA和FA之C/H比值和O/C比值均随着埋藏时间的增加而略微增大，表明它们的缩合度和氧化度有增大的趋势。核磁共振波谱和红外光谱结果显示，HA和FA均以芳香族碳为主，且HA中芳香族碳含量略高于FA。FA的E4/E6比值随着埋藏时间的增加而降低，而HA的E4/E6比值在较小的范围内波动。这说明FA的腐殖化程度逐渐增强，而HA的腐殖化程度已基本达到顶峰。总之，HA和FA的化学组成和结构方面的信息显示，HS的演化方向可能是FA→HA。.本项目的研究结果为评价土壤有机质在长时间尺度上的稳定性、阐明有机质的稳定机制以及HS的化学组成和结构随时间的演化规律提供了科学依据。