基于热质联用技术的土壤团聚体有机质组成和稳定性研究

Soil organic matter (SOM), although accounts for only a small portion of soil solids, plays a key role in regulating soil quality and soil functions. Conventional methods for measuring SOM composition and content are tedious and can only provide limited information. The applied reagents often have chemical reactions with soil samples, which may damage SOM structures. Thermal analysis is able to measure the content and characterize the thermal stability of SOM, without damaging their structures. Mass spectrometry can produces the spectra of the masses of the atoms or molecules during SOM decomposition. The objectives of this program are to measure SOM content, thermal stability, and characterize SOM composition within bulk soil samples and aggregates using simultaneous thermo-gravimetry, differential scanning calorimetry, and mass spectrometry. The results of SOM chemical structure and composition will be evaluated with the data from nuclear magnetic resonance. Finally, the relationships between thermal stability and chemical stability of SOM within aggregates will be examed. The outcome of this program will be helpful to understand the formation and stability mechanisms of soil aggregates.

土壤有机质虽然仅占矿质土壤总量的很小比例，但对土壤质量及功能的调节起着关键作用。传统方法测定有机质类型分组步骤繁琐，只能反映部分有机质的信息。试剂可能与样品反应破坏土壤结构和组成，测定结果不能反应有机质真实状况。热分析技术利用有机质热稳定性进行分组和测定，可在不破坏土壤结构情况下同时进行分组和含量测定；质谱分析仪则通过分解或逸出的气体的质谱信息获取有机质的定性特征。本项目拟采用热分析-质谱联用技术确定土壤及团聚体有机质的含量、热稳定性和化学组成，即通过加热过程中土壤在一定温度范围内的失重曲线得到有机质含量，依据热稳定性对有机质进行分类，利用质谱仪分析释放出气体的组成，并据此确定有机质组成。我们也将尝试利用核磁共振技术获得不同团聚体有机质的化学结构组成，对热质联用技术的测定结果进行评估。在此基础上，建立热稳定性和化学稳定性之间的联系，为热质联用技术研究团聚体形成和稳定机制提供理论基础。

热分析技术利用有机质热稳定性进行分组和测定，可在不破坏土壤结构情况下同时进行分组和含量测定，应用前景广阔。本项目以长期定位试验土壤为研究对象，采用热分析技术、热分析-质谱联用技术研究土壤及团聚体有机质的含量、分类及热稳定性，同时利用固体核磁技术获取有机质官能团组成，并把有机质热稳定性和化学稳定性联系起来。结果表明，整土及团聚体加热后有机质分解的起始温度和结束温度大致为200℃和550℃，其中划分热易分解有机质和热难分解有机质的温度大致在350℃，热分析技术测得总有机质含量与碳氮仪法存在线性相关关系，在大规模测定有机质含量并对有机质进行简单分类方面热分析技术可替代碳氮仪法。与TG-T50（有机质分解一半时的温度）相比，Exo1/Exot（热易分解有机质含量与总有机质含量的比值）对有机质热稳定性变化的反应更敏感，用该指标评价有机质热稳定性可能更为合理。通过对土壤中占绝对优势的大团聚体（0.25-2 mm）进一步分离，并用热分析技术测定包被其中的微团聚体（mM，0.05-0.25 mm）发现，在大团聚体的物理保护下，包被态微团聚体的热易分解和热难分解有机质均比自由态微团聚体显著提高，但热易分解有机质更能响应施肥处理对有机质固持的影响。另外，不管是否受物理保护，微团聚体的热易分解有机质含量要显著低于热难分解有机质，说明热难分解有机质对团聚体有机质的积累和固存的贡献较大。应用13C CP/TOSS技术获得核磁图谱表明，测试土壤及其团聚体有机质包含7类官能团，不同土样同一官能团差异性可通过核磁图谱的信号强弱反映出来，但这些差异性很难通过对图谱的积分相对比例反映出来。进一步分析发现，热易分解有机质和热难分解有机质与核磁获得各官能团均存在极显著相关关系，Exo1/Exot与生物稳定性指标也存在显著相关性，因此，热分析方法可以在一定程度上替代化学和生物学方法来探讨有机质稳定性及其稳定机理。