基于同位素示踪和核磁共振方法揭示黑土有机质分子结构稳定机制

The stability of molecular structure is the core of soil organic matter (SOM) stability, the mechanism of which is required to adjust soil carbon pool. Long-term experiment is the important method to system analyse the mechanism of SOM turnover. In this study, the soil sampled from black soil region in northeastern China, Hailun State Key Agro-ecological Experiment Station, CAS. The examinated soils sampled from continuous maize cropped plots for 0(CK), 1, 5, 10, 15, 20 and 25 years. The soil samples were individed into aggregates and density frations. δ13C and 13C-NMR, FTIR were used to analyse the δ13C abundance and SOM molecular structure of bulk soil, aggregates and density frations. Based the data on SOM renew, half-life and recovery from δ13C analysis; and NMR spectroscopy identification results and FTIR, to reveal the mechanism of molecular structure change inside SOM. Principal component analysis was used to analyze the major factor to control the molecular structure and SOM stability. In the end, the mechanism of SOM molecular stability will be revealed based on aggregates and density fractions molecular charcters. This study will enrich the theory of SOM stability and provide scientific reference for increasing soil C storage.

有机质分子结构是土壤有机质稳定的核心，揭示土壤有机质分子结构稳定机制是有效调控土壤碳库的重要前提。长期定位试验是系统研究土壤有机质演变规律的重要手段。以东北黑土农田为研究对象，以中科院海伦站长期定位试验为平台，以连作0(对照)、1、5、10、15、20和25年玉米(C4)耕层土壤为供试材料，筛分水稳性团聚体和密度分组。利用核磁共振和红外分析技术，融合经典的δ13C自然丰度方法，分析全土、水稳性团聚体和密度组分中的有机质分子结构和δ13C丰度。应用δ13C方法揭示有机质更新率、半衰期、周转率和平均滞留时间等稳定性参数；根据核磁共振波谱和红外图谱的鉴定结果，探讨黑土有机质分子结构动态变化机制；采用主成分分析方法，明确影响黑土有机质稳定性的主控分子结构；最终从团聚体和密度组分有机质分子结构，揭示黑土有机质分子结构稳定机制。本研究可丰富有机质稳定性的理论内涵，并为提高土壤固碳潜力提供科学参考。

土壤有机质库是陆地表层生态系统中最大的碳库，是全球碳循环的重要组成部分，有机质分子结构表征是有机质稳定的核心。本项目以中国科学院海伦生态站长期连作定位试验土壤为供试材料，利用核磁共振和红外分析技术，融合经典的δ13C自然丰度方法，从全土、水稳性团聚体和有机质密度组分角度，系统研究黑土有机质稳定性和分子结构表征。.① 连作玉米增加黑土有机质的稳定性.长期连作密度组分有机质含量变化，轻组（LF）增加32.74%，闭蓄态（OF）组分减少16.72%，全土和矿质态（MF）组分含量保持稳定。长期连作玉米、大豆和小麦的土壤有机质更新率分别为0.422%、0.915%和1.29%，半衰期为小麦<大豆<玉米，这表明玉米连作增加土壤有机质稳定性。.② 大团聚体和LF组分的周转降低有机质稳定性.在水稳性团聚中，>2mm和1.0-2.0mm粒级团聚有机质更新率最大，而0.053~0.25mm和<0.053mm粒级团聚体有机质更稳定。土壤>2mm粒级团聚体有机质半衰期（大豆278年，玉米600年）远大于<0.053mm级（60年和124年）。在所有组分中，LF组分周转速率最快，降低有机质的稳定性，MF组分周转速率最慢，增加土壤有机质的稳定性。.③ 红外光谱揭示黑土有机质稳定性分子（官能团）机制.微团聚体中脂肪族、芳香族、含烷氧结构的物质含量相对较高，增加土壤有机质稳定性。长期连作玉米下，黑土有机质结构中脂肪族-CH、酚醇-OH 和多糖C-O增加，芳香族C=C 和羰基C=O减少，而＞2mm团聚体的-CH/C=C增加，脂肪族-CH增加，有机质结构趋于脂肪化和简单化，有机质稳定性降低。.④ 核磁共振揭示黑土有机质稳定性分子（碳骨架）机制.长期连作增加甲氧基碳/烷基碳和酮/醛(羰基)相对比例，降低烷氧基碳、异头碳、芳香碳相对比例。LF组分甲氧基碳/烷基碳相对比例增加，MF组分甲氧基碳/烷基碳和芳香碳增加，烷氧基碳呈下降趋势。大团聚体中非极性烷基碳、甲氧基碳/烷基碳和烷氧基碳增加，而异头碳、芳香碳、羧基/酰胺基酮/醛降低；微团聚体甲氧基碳/烷基碳和芳香碳增加，而酚羟基和酮/醛减少。