茶园土壤短程有序矿物的形成及其固碳机制研究

The soil quality on tea (Camellia sinensis L.) plantations is one of the main factors affecting the tea yield and quality, and Soil organic matter (SOM) content is one of the critical factors influencing the formation and evolution of soil fertility. Considering the formation of organo-mineral complex is the main mechanism of SOM sequestration, we extracted and analyzed short-range-ordered minerals (SROs) which possess the huge specific surface area and the strong adsorption capability for organic matters. In order to understand the involvement of SROs in mechanism of SOM stabilization and storage, this new project is designed to research the following works: 1) verifying organo-mineral complex in nanoscale by combining with the traditional physical and chemical methods and synchronization in situ imaging technology; 2) identifying the composition of organic C in soil colloids using carbon 1s near edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectra; 3) characterizing the structure and morphology of SROs by using synchrotron based techniques, nano-scale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and two dimensional correlation spectroscopy (2D COS), illustrating the process that organic amendments, microorganisms and root activity promote transformation of minerals or oxides from more crystalline to SRO phases; 4) observing the spatial structure characteristics of SROs and organic matter in soil by using NanoSIMS, revealing the formation of the organo-SROs complex and the mechanism of C stabilization and storage. The results from the research work mentioned above can also provide the scientific theory basis for the study on understanding of the sequestration of SOM and provide novel information for application of organic fertilizers in tea cultivation.

茶园土壤环境的优劣是影响茶叶产量和品质的主要因素之一，土壤有机质是土壤肥力形成和演变的关键因子。我们以矿物-有机复合体为切入点，提取并表征土壤短程有序矿物，初步研究发现该矿物具有较大比表面积和较强吸附性能，与土壤有机质存储有关。为了更全面的了解该矿物参与土壤有机质稳定和提升的机理，本项目拟开展以下研究工作：结合传统的物理化学方法和同步原位成像技术，在纳米尺度研究矿物-有机复合体；利用近边X射线吸收精细结构谱分析有机碳组分；利用同步辐射技术、高分辨透射电子显微镜和广义二维相关光谱分析短程有序矿物的结构和形貌，揭示有机肥、微生物和根系活动促使土壤矿物从晶形向非晶形的短程有序矿物转化的机制；利用纳米离子探针技术原位研究土壤矿物和有机物的空间结构特征，探明形成矿物-有机复合体、持续稳定增加茶园土壤有机质的机制。该项目的完成为土壤有机质提升机制探讨提供新思路，为茶园有机肥代替化肥行动提供指导意见。

茶园土壤环境的优劣是影响茶叶产量和品质的主要因素之一，土壤有机质是土壤肥力形成和演变的关键因子。我们以矿物-有机复合体为切入点，提取并表征土壤短程有序矿物，初步研究发现该矿物具有较大比表面积和较强吸附性能，与土壤有机质存储有关。为了更全面的了解该矿物参与土壤有机质稳定和提升的机理，本项目以不施肥和化肥处理为对照，研究不同种类喝不同用量有机肥对茶园土壤矿物-有机界面过程的影响；综合短期室内盆栽培养实验、中期和长期茶园定位实验明确培肥调控土壤矿物-有机复合体化学结构和形貌的机制，揭示培肥提升土壤有机质和减排温室气体的机制。研究工作结合传统的物理化学方法、同步辐射原位成像技术在分子水平和原位空间分布特征层面展开研究，利用同谱和杂谱二维相关光谱技术从时间和空间层面及微尺度水平详细解析有机肥作用下茶园土壤中矿物-有机界面的物质结构变化。研究结果表明：接种蚯蚓配施不同有机物料可以提高土壤有机质含量，促进土壤团聚体的形成，同时增加茶苗干重、茶氨酸和茶多酚含量，提高茶叶品质。施菜饼肥对茶园土壤大团聚体的形成具有促进作用，有机肥处理提高了茶园土壤团聚体有机碳矿化速率，促进土壤微团聚体有机碳累积矿化量的提升。施用70%以上有机肥处理的土壤微团聚体中黏土矿物和大分子有机物更高的分散性可能有助于促进土壤微团聚体的稳定。茶园土壤中的微团聚体中矿物和大分子有机物（脂肪碳、芳香碳和多糖碳）呈高度异质性的分布规律，甲基和亚甲基 C-H等脂肪碳较为集中的吸附在土壤微团聚体边缘（也有少量的矿物存在），而铁铝矿物的Al-O，Fe-O等官能团聚集在微团聚体内部核心位置，同时表面也吸附了少量的有机质。黏土矿物选择性保护茶园土壤中脂肪族化合物，铁铝矿物更多的选择性地保护茶园土壤中多糖碳。该项目揭示了土壤中养分循环和矿物碳封存机制，为土壤有机质提升机制探讨提供新思路，为茶园有机肥代替化肥行动提供指导意见。