典型母质发育红壤的微团聚体结构与界面特征研究

Soil is a dynamic and hierarchically organized system comprising of complex and heterogeneous micro-interfaces interacting with each other. Biogeochemical processes at micro-interfaces are fundamental for the overall soil development, and also are primary driving forces for the key ecosystem behaviors. Our proposed study will examine four typical parent developed red soils in tropics and subtropics. We will separate nanoparticles and micro-aggregates from each soil by different particle size fractions. Scanning electron microscopy/Transmission Electron Microscopy(SEM/TEM), BET surface area and zeta potential analysis, are used to identify the physical characteristics of the micro-interfaces; while Nuclear magnetic resonance(NMR), X-ray diffraction(XRD), Synchrotron radiation technology are applied to assess their chemical constituents and distributions of key states; also molecular biotechnologies are utilized to reveal the succession of metabolic and community structure diversities of microorganisms at soil micro-interfaces. The objective is to gain a mechanistic understanding of the architectures of soil micro-interfaces and the relevant physical, chemical, and biological processes acting at and within these interfaces.

土壤是一系列复杂、各异性的微界面相互作用构建的动态变化且层次分明的组织体系，微界面上的生物地球化学过程是土壤整体发育基础和关键生态环境行为的主要驱动力。本研究调查四种热带亚热带典型母质发育红壤，从中分离不同粒径纳米颗粒及微团聚体。利用扫描/透射电镜、比表面积仪和zeta电位分析等技术表征微界面的物理结构特征，应用核磁共振、X射线衍射、同步辐射等技术识别微界面的化学组成及其关键形态分布，以及使用分子生物学技术探究土壤微界面微生物新陈代谢演替和群落结构多样性等规律。本研究为揭示土壤微界面构建机理，阐明其结构内外部物理、化学、生物过程提供科学依据。

土壤是一系列复杂、各异性的微界面相互作用构建的动态变化且层次分明的组织体系，微界面上的生物地球化学过程是土壤整体发育基础和关键生态环境行为的主要驱动力。本研究以热带亚热带四种典型母质发育红壤为实验对象，利用湿筛、超声和连续离心的分级法，将土壤分为50-250 μm、5-50 μm、1-5 μm和0.1-1 μm四个粒径组分。利用X射线衍射（XRD）鉴定了不同粒径组分的矿物组成，随着粒径的减小，矿物晶型以晶态逐渐向非晶态转变，产生衍射能力较弱的无定型态物质。在物理结构上，比表面积、孔容及孔面积随着粒径的减小而增加，中孔及微孔提供了较大的孔面积。表面化学特性上，随着粒径减小，pH有略微增长，但并不显著；Zeta电位（绝对值）呈现先下降后上升的趋势，在1-5 μm组分中达到最小值，然而在0.1-1 μm组分中上升；在大多数土壤中，有机物，游离态和无定形态铁锰含量呈现上升的趋势。FTIR图谱显示小粒径组分中稳定性有机质组分芳香族、脂肪族等可能具有更高的比例。使用Biolog法表征土壤不同粒径组分中微生物群落功能多样性，不同粒级组分的单一碳源利用能力依次为0.1-1 μm> 1-5 μm> 5-50 μm> 50-250 μm，0.1-1 μm组分具有较强的土壤微生物代谢活性。功能多样性指数显示小粒径组分（0.1-1 μm和1-5 μm）中微生物群落多样性和最常见微生物种群丰富度要高于大粒径组分（5-50 μm和50-250 μm）。最终，测定了不同粒径组分中的Cd、Pb全量及其形态。大多数土壤中，不同粒径组分中的Cd、Pb全量随着粒径减少而增加。土壤中Cd主要以可交换态存在，随着粒径的减小，交换态Cd含量增加，残渣态Cd减少。土壤中Pb主要以残渣形式存在，随着粒径的减小，有机结合态Pb含量增加，残渣态Pb减少。多元统计回归分析结果显示，随着粒径的减小，重金属分布的影响因素从表面化学性质（Zeta电位和pH）过渡为部分土壤组成组分（氧化物和有机质）。因此，我们研究明确了土壤微界面结构及各组分的物理化学生物特性，及其对重金属在土壤中的赋存形态的影响，为进一步揭示污染物在环境中的迁移转化行为提供科学依据。