亞熱帶生態所發現土壤微界面有機質層增厚證據

　　長期以來，有機質在土壤和沉積物中長期保護機制被廣泛研究。但由于土壤的復雜性，科學家主要基于傳統的組分提取方法進行土壤有機質研究，并提出不同的有機質保護機制。在這些穩定性機制中，有機質的物理化學機制和生物保存機制間存在爭議。科學家通過生物標志物和同位素追蹤技術，發現微生物能產生多種且穩定的有機質，這突出了微生物過程在土壤有機質穩定性中的作用。但研究發現土壤物理化學組分和環境在有機質保存過程中起決定性作用，尤其是長期穩定；通過氯仿熏蒸處理后微生物群落和活性有差異的土壤，其最終礦化速率和空白相同，Kemmitt et al.（2008）提出“控制閥理論”（regulatory theory），支持有機質的物理化學控制穩定機制。上述爭論的焦點是生物和非生物控制因素控制有機質的生物利用性問題。為調和爭論，J. Lehmann and M. Kleber（2015）提出“土壤連續體概念性模型”（Soil Continuum Model, SCM）：土壤有機質是逐步分解的有機物連續體，各種物理、化學和生物共同決定其保存或礦化。因此，揭示土壤微環境中微生物-有機質-礦物間內在聯系和本質，可能是理解土壤有機質生物地球化學循環難題的關鍵。

　　目前，學術界關于土壤微觀尺度的生物地球化學過程研究很少，且尚缺乏用于土壤微環境構建的研究方法。土壤團聚體是土壤的基本骨架，其表面被認為是微生物-有機質-礦物互作熱點區域。在中國科學院亞熱帶農業生態研究所研究員吳金水和華中科技大學教授劉筆鋒的指導下，博士畢業生黃習知和華中科技大學博士李一偉結合微流控圖案化微陣列技術，構建包含土壤-微生物互作特點、且在一定尺度上克服土壤微觀異質性的土壤點陣芯片技術，結合X-射線光電子能譜實現土-水微觀界面過程的動態連續監測（Huang，SBB，2017，Huang，Scientific Report，2018）。科研人員研究典型黑土土-水微界面有機質的轉化及其溶液微環境動態耦合過程，發現在21天培養過程中，土-水界面有機質在礦物表面的Coating很快達到飽和（4天）；在后期培養過程中，通過氬離子團簇逐層刻蝕分析技術發現在Z軸方向上厚的微生物量碳（MBC>130nm）和有機無機復合物（20nm-130nm）仍在逐漸增加。這表明土壤有機質積累不是無序的在礦物界面上沉降或吸附固定，而是優先地在已有的有機無機復合物上增厚。隨著有機質層增厚，溶液中活性養分（有機碳和銨態氮）減少，胞外酶活性增加，養分可利用性和后期微生物代謝活性（微量熱儀）下降。

　　基于微界面連續觀察結果，研究人員提出土壤有機質穩定性的固-液耦合生物地球化學機制：微生物介導的有機質轉化過程有利于有機-無機復合物多層自組裝結構的形成；增厚的有機質層存儲可利用態養分，屏蔽內層有機質的降解，限制溶液中微生物代謝，促進有機質的穩定性。該機制耦合物理化學和生物學控制機制，為土壤有機質連續體模型（Soil continuum model）提供證據，對Z軸上增加土壤碳固定提出結構性啟示。該研究成果是自土壤芯片技術（SoilChip）提出以來的第三篇原創性論文，土壤芯片技術為理清土壤多過程耦合的復雜生物地球化學循環提供了研究方法，未來結合同位素示蹤技術和界面表征技術，可為認知土壤其他元素或污染物的歸趨提供基于微-納尺度過程的基礎性知識。

　　相關研究成果以Direct evidence for thickening nanoscale organic films at soil biogeochemical interfaces and its relevance to organic matter preservation為題，發表在Environmental Science:Nano上。研究工作得到國家自然科學基金、自然科學基金青年基金、亞熱帶所開放基金、中國博士后基金的支持。

　　論文鏈接 

　　土-水微界面多過程耦合的有機質循環模型示意圖