长期免耕旱地土壤有机质特征及稳定机制研究

The efficiency of no-till (NT) on soil organic matter (SOM) sequestration and the relevant stabilization mechanisms remain unclear. These situations might be attributed to the spatial heterogeneity of SOM and complex chemistry constituents. It is critically necessary to reveal the distribution pattern of SOM within aggregate fractions, and to analyze SOM chemistry composition within different soil structure units. In this project, we will collect soil samples down to 40 cm layer to separate the stratification effect (i.e., top layer vs. subsurface soil) from three long-term NT experiments in Northern China. Firstly, SOM biomarkers and nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy were used to quantify the changes in SOM composition within the different fractions separated. Then, the synchrotron-based micro-tomography and micro morphological techniques will be employed to quantitatively study the 3D microstructure of aggregates. Finally, the components of aggregates will be examined in situ by synchrotron-based X-ray absorption near-edge fine structure spectroscopy (NEXAFS) and scanning transmission X-ray microscopy (STXM). Thus, the associated SOM form, spatial arrangement, and quantity will be determined. Taken together, we will well understand the SOM mechanisms regarding the physical protection through aggregate and mineral and their inherent recalcitrance. In this project, we will elucidate stabilization mechanisms of SOM at the micrometer and molecular levels, and the results will enrich and develop SOM sequestration theory in the upland ecosystem.

免耕措施碳增汇效应及土壤有机质（SOM）稳定机制尚未形成共识，这与SOM高度空间异质性和化学组分复杂性有关。研究SOM在团聚体内部分布格局和形态特征，解析分子水平上有机质化学组分有助于回答免耕能否促进固碳减排。本研究选择我国北方旱地长期免耕试验，采集不同深度土样（0-40 cm）以区分层化效应造成的差异性。首先利用分子水平的有机质化学方法（生物标志物、NMR等），分析不同土壤结构体尺度下（土体、团聚体、矿质颗粒）有机质的化学特性（组分、来源及降解过程）；利用同步辐射显微CT和微形态技术定量分析团聚体微结构特征。再结合近边精细吸收谱（NEXAFS）和扫描透射X射线显微技术等，原位分析团聚体内胶结物质分布、形态及数量特征。在此基础上，综合探讨长期免耕措施下有土壤有机质物理保护和生物化学保护机制及其关联性。本研究在微米和分子水平上研究有机质保护机制，相关结果将丰富和发展有机质周转和固碳理论。

以免耕以代表的保护性耕作被视为固碳减排和提升土壤质量的气候智慧型农业措施。然而长期免耕是否会增加土壤有机质（SOM）和碳库储量，现有研究结果具有较大不确定性，并且其稳定机制在国际上尚未形成共识。本项目基于我国北方地区旱地长期定位试验，利用土壤有机质化学分子组成（生物标志物、核磁等）和热重分析（TG-DSC）、同步辐射微CT 等技术，从分子水平和能量角度阐释SOM的分子组成、化学结构及其与热稳定性的关联性，并从微孔隙角度阐释土壤结构稳定性。本项目取得以下成果：（1）在区域尺度上阐释了我国长期免耕后土壤固碳效应及其与相关因子分析，并在田块尺度进行了实例分析；利用固定深度法，在整个土壤剖面中免耕较翻耕的固碳效应为5.1%，而等效重量法则降低为3.8%；并发现土壤固碳效应与秸秆还田、种植强度和粘粒含量密切相关；同时，利用荟萃分析方法揭示了免耕和秸秆还田对我国土壤碳循环酶活性影响，发现在实施免耕和秸秆还田后，在SOC和粘粒含量较低或干旱指数较高的地区，对于转化酶活性的提高具有重要意义；（2）利用生物标志物法和NMR技术，揭示了长期实施保护性耕作改变了土壤剖面和不同粒级尺度下土壤有机质的分子组成和结构特征，主要包括游离态脂类化合物的分子组成、来源及降解程度，木质素酚类的组成和降解程度和特定官能团结构的改变；（3）基于同步辐射微CT技术，定量分析了长期保护性耕作措施下耕层结构特征（孔隙度、孔隙大小分布、连通性、团聚体分布及稳定性等），少耕和免耕提高了大团聚体含量及稳定性，孔隙连通性，改善了孔隙形态，有利于生物性孔隙的增加；（4）利用热分析技术（TG-DSC），研究了不同耕作措施下SOM的热稳定性特征，得出相关热稳定参数与NMR获取的特定官能团在某种程度上具有较好的关联性，两者结合更好地反映不同耕作措施下土壤有机质的稳定性和降解特征。