深土层中粘土矿物-有机质作用机制及其对土壤圈碳循环的启示

To obtain better understanding of effect of chemical compositions of organic matters, clay mineralogy, and environmental media on interaction mode between organic matter and clay mineral，and stabilty of organic matters in deep soils under different climate and pedogenesis conditions, experimental study on interactions between organic matter and clay mineral and stabilty of organic matters in typical deep soil profiles in temperate and subtropical climate zones in China is undertaken using modern microscopic analysis methods and techniques. In addition, study is also undertaken to make clear the evolution of interaction mode between organic matter and clay mineral and stabilty of organic matters with deep (or time) of the soil profile, by combining the results of evolution of chemical composition and structure of organic matters and interaction mode betwwen organic matter and clay mineral in different horizons of the deep soil profiles, and therefore, shed light on the effect of organic matters in deep soils on the pedosphere cycling process of soil carbon.

采用现代微观测试技术手段，对我国温带、亚热带地区典型土壤剖面深土层中有机质与粘土矿物之间的结合机制及其稳定性，开展深入系统的实验研究，查明不同气候环境、不同成土作用条件下深土层中有机质的化学组成特征、粘土矿物学性质、以及环境介质条件等对有机质-粘土矿物之间结合状态及稳定性的影响；结合对土壤剖面不同层位中有机质组成、结构以及有机质-粘土矿物结合方式演化研究，弄清土壤剖面中有机质及其与粘土矿物结合形式与有机质稳定性随深度（时间）演化的原因，揭示深土层中有机碳对土壤圈碳循环过程的影响。

深土层中有机质的存在形式及稳定性研究，有助于更加准确地了解土壤中有机碳存在的信息，揭示成土作用过程中土壤有机碳的迁移、转化、及其对全球气候变化响应的动力学过程。本项目对温带气候条件下代表性剖面（湖北高山湖泊有机质土、广西与安徽强烈风化淋淀土）的成土作用过程、深土层中有机质与粘土矿物之间的结合机制等开展深入系统的研究，探究不同成土作用条件下，影响深土层中有机质的化学组成结构特征、以及环境介质条件对有机质-粘土矿物结合关系及有机质与稳定性的影响。研究成果表明，有机质土壤剖面中还原性环境条件是决定土壤有机质是否可以稳定存在的主要原因，此外，粘土矿物可以与有机质形成集合体的物理作用或与粘土矿物表面成键的化学作用方式保护有机质的稳定，与粘土矿物表面结合的有机质有烷基碳脂肪族、氧-烷基碳糖类、以及芳基碳及羧基碳类化合物等，芳香族化合物易于与粘土矿物结合成键，其含量随着深度的增加而增加，多糖类物质更易于被微生物降解而多分布于土壤剖面上部。在风化作用强烈的淋淀土剖面中，EDTA和NH4OX选择性溶解2：1粘土矿物层间的有机质，证实2：1粘土矿物的层间存在Fe-、Al-有机质层间化合物，而且这些有机质分子含有CH3(CH2)、C=O、COO-、以及N—H基团，其分解氧化反应的温度近于300 °C；强烈的风化成土作用导致有机质形成分子量更小的稳定的有机质分子，从而导致粘土矿物层间有机质的形成。发现早期形成的与粘土矿物表面结合的有机质，在新成有机质的扰动作用下可能导致深土层中有机质的矿化分解。由于老有机质多为具有强吸附力的有机分子（主要为芳香族），这些吸附的分子降低了可供吸附的位点以及矿物表面电荷，新输入有机质分子可以与矿物表面老有机质分子发生交换，土壤剖面有机质通量和有机质分布的驻留效应，主要取决于其与粘土矿物之间的吸附性能、及其与粘土矿物表面之间的化学作用。这些研究成果对于理解成土作用过程对深土层中有机质的化学组成特征、以及对有机质-粘土矿物之间结合状态及稳定性的影响（比如：提供了有效提高土壤有机质稳定性的途径-即利用新成土壤尤其侵蚀出露的土壤，这既改善土壤质量、同时有助于抑制有机质的矿化防止温室气体进入大气），对于全面系统地理解成土作用过程与陆地环境碳循环的响应机制，对于粘土矿物学、土壤科学、乃至于全球变化研究等，均具有十分重要理论意义和实际应用价值。