湖泊沉积物中粘土矿物对天然有机质的稳定化作用研究

The lake ecosystem is one of the major carbon sinks in global carbon cycle. The stabilizing effect of clay minerals on natural organic matter (NOM) would retard degradation and releasing of organic carbon, which is an important carbon sequestration mechanism of carbon long-term preservation in sediments.However, the composition of NOM in the sediments is complex, thermodynamic mechanism of clay minerals combining with NOM is not clear, the relationship between the pyrolysis characteristics of NOM and organic carbon structure is not very clear.This project intends to take eutrophic lakes in the southwest China as subject, use DSC/TGA-TFIR (GC/MS) to analyze NOM in sediments, and obtain thermal parameters such as the pyrolysis temperature, thermal reaction enthalpy and gas composition. Consequently identify heat absorption peak of organic matter and clay mineral binding.Apply XRD and NMR to scan sediments of different pyrolysis stages, and establish relationship of thermal characteristics with clay minerals morphology and organic carbon structure. And then explore vertical profile law of natural organic matter evolution in lake sediments. The research results are helpful to reveal the evolution process of lake sediments and the mechanism of carbon sequestration.

湖泊生态系统是全球碳循环中主要的碳汇之一，粘土矿物对天然有机质的稳定化作用是减缓有机碳降解释放，使其长期保存在沉积物中的重要固碳机理。然而沉积物中天然有机质的组成复杂，粘土矿物与天然有机质结合作用的热力学机理尚不清晰，天然有机质慢速热解特性与有机碳结构之间的关联性也不甚明确。本项目拟以西南地区富营养化湖泊为主，采用DSC/TGA-TFIR(GC/MS)联用技术分析沉积物天然有机质，获取热解温度、热反应焓值和逸出气组分等热特性参数，识别有机物-粘土矿物结合作用的特征吸热峰；结合不同热解程度沉积物的XRD和NMR图谱，构建热特性与粘土矿物形态、有机碳结构的关联性；进一步探讨湖泊沉积物天然有机质剖面演化规律。研究成果有助于揭示湖泊沉积物演化过程及固碳机理，对推动全球变化关键机制研究具有重要意义。

湖泊生态系统是全球碳循环中主要的碳汇之一，粘土矿物对天然有机质的稳定化作用是减缓有机碳降解释放，使其长期保存在沉积物中的重要固碳机理。然而粘土矿物与天然有机质结合作用的热力学机理尚不清晰，天然有机质慢速热解特性与有机碳结构之间的关联性也不甚明确。本研究通过特征天然有机质分离提取，实现了热分析技术与高分辨质谱技术结合分析，提供了分子结构主导有机质热解行为机理的新视角，从分子层面阐释了湖泊沉积物中有机质的剖面演变规律。1）阐明了TGA和DSC分析中主要系统误差的产生热滞后效应和反应平衡滞后效应，建立了最小化系统误差的实验方式，提高了热分析数据的准确性和重现性。2）将腐殖酸通过逐级提取技术分离成六个分子组成迥异的亚组分作为研究对象，通过TGA与FT-ICR MS结合分析阐释了腐殖酸热分解是由分子特征决定的逐步过程，分解过程主要可以分为碳水化合物主导阶段 (低于280°C), 脂类主导阶段 (280 - 450°C) 和缩合芳香结构主导阶段 (450 - 700°C)。3）揭示了不同年代湖泊沉积物中天然有机质的热稳定性及其各温度区间热解特征。4）成功分离提取了演化规律最显著的有机质组分，揭示了沉积物中含N、S的分子和芳香族分子更容易被分解，而不饱和脂肪族化合物更容易被粘土矿物保护下来的演化规律。为更进一步理解湖泊有机质演化和碳、氮地球化学循环提供分子层面信息。