中亚热带森林土壤中羟基自由基对有机碳矿化的作用及机制

Mid-subtropical forest soil has the similar environment to produce hydroxyl radical with abundant rainfall and redox fluctuation condition. Hydroxyl radical is a strong, non selective oxidizer, which directly or indirectly involved in the mineralization of soil organic matter. However, the mechanism of hydroxyl radical in mineralization of soil organic carbon is unclear. Accordingly, forest soil with different parent material from Castanopsis carlesii natural forest and Cunninghamia lanceolata plantation are selecte as research object. The effect of soil respiration by hydroxyl radicals produced in the iron oxidation process after rainfall will be studied in stratified backfill soil column where the root is removed, and we try to reveal the contribution and mechanism of hydroxyl radical in soil organic carbon mineralization in mid subtropical forest using radical scavenging technology combined with the infrared spectrum (IR) and nuclear magnetic resonance (NMR) techniques via laboratory simulated experiments. This project provides a new perspective for understanding the mineralization of soil organic carbon in forest.

中亚热带雨水丰富，森林土壤干湿交替频繁，氧化还原波动大，具备羟基自由基产生的条件。羟基自由基是一种氧化性强、无选择性的氧化剂，直接或间接参与土壤有机质矿化，然而其在土壤有机碳矿化中的作用及机制尚不明确。本项目选择不同母质发育的米槠天然林和杉木人工林土壤为研究对象，在去除根系后的分层回填土柱上，观测降雨后铁氧化过程中产生的羟基自由基对土壤呼吸的影响；同时在室内模拟实验中，采用自由基捕获技术与红外光谱、核磁共振技术相结合，研究羟基自由基对有机碳矿化作用与有机碳的性质和结构的关系，揭示羟基自由基在中亚热带森林土壤有机碳矿化中的贡献及作用机制，为人们认识森林土壤有机碳矿化提供一个新的视角。

项目以中亚热带地区不同母质发育杉木林和米槠林土壤为研究对象，通过原位土柱实验和室内培养实验相结合，探讨土壤羟基自由基对土壤有机碳矿化的影响及机制。结果发现：（1）原位土柱实验发现羟基自由基与土壤呼吸关系不显著，并且室内培养实验表明羟基自由基对土壤有机碳矿化贡献约为2~5%，但在模拟羟基自由基对土壤有机碳分解的实验中则发现在羟基自由基存在情况下土壤木质素酚类单体的含量显著降低，并且指示土壤木质素分解程度的酚类单体的酸醛比值显著增加，说明羟基自由基对土壤呼吸贡献比重较小，但能够促进土壤难分解有机碳的分解；（2）原位土柱实验和室内培养实验均发现羟基自由基的产生量与土壤Fe(II)的含量呈显著正相关关系，并且羟基自由基的产生量随Fe(II)添加量的增加而增加，说明Fe(II)在土壤羟基自由基产生过程中发挥关键作用。（3）室内培养实验发现砂岩发育土壤铁的还原潜力大于花岗岩发育土壤，添加葡萄糖和乙酸能够促进土壤土壤铁还原，并且随着添加量的增加土壤Fe(II)产生量越大，而木质素添加对土壤铁还原影响不显著，此外添加米槠DOM对土壤铁还原的促进作用比杉木DOM大，说明碳数量和质量均是影响土壤羟基自由基的产生的关键因素。以上结果表明中亚热带森林土壤能够产生羟基自由基，而Fe(II)的氧化过程可能是其产生的重要途径，并且受土壤母质、有机碳的数量和质量的影响，虽然其对土壤呼吸贡献比重较小，但是其能够促进土壤难分解碳组分木质素的分解，将可能会对土壤呼吸产生间接的影响。项目研究有助于加深对土壤有机碳的非生物分解过程的认识，为人们认识森林土壤有机碳矿化提供新的认识。