亞熱帶生態(tài)所找到土壤微界面有機(jī)質(zhì)層增厚的直接證據(jù)

2020-08-19 黃習(xí)知      】

  在過去幾十年中,有機(jī)質(zhì)在土壤和沉積物中長期保護(hù)機(jī)制被廣泛研究。然而,由于土壤的復(fù)雜性,土壤有機(jī)質(zhì)研究主要基于傳統(tǒng)的組分提取方法,并提出了截然不同的有機(jī)質(zhì)保護(hù)機(jī)制。在這些穩(wěn)定性機(jī)制中,有機(jī)質(zhì)的物理化學(xué)機(jī)制和生物保存機(jī)制之間存在較大爭議。生物標(biāo)志物和同位素追蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),微生物能直接產(chǎn)生多種多樣且穩(wěn)定有機(jī)質(zhì),從而突出了微生物過程在土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性中的作用。但是,越來越多的研究發(fā)現(xiàn)土壤物理化學(xué)組分和環(huán)境在有機(jī)質(zhì)保存過程中起決定性作用,尤其是長期穩(wěn)定。更令人驚訝的是,通過氯仿熏蒸處理后微生物群落和活性有巨大差異的土壤,其最終礦化速率和空白相同,Kemmitt et al. (2008) 提出了著名的“regulatory theory”控制閥理論,支持有機(jī)質(zhì)的物理化學(xué)控制穩(wěn)定機(jī)制。實(shí)際上,這些爭論的焦點(diǎn)在于生物和非生物控制因素如何控制有機(jī)質(zhì)的生物利用性問題。為了調(diào)和這些數(shù)十年?duì)幷?,J. Lehmann and M. Kleber(2015)提出土壤連續(xù)體概念性模型(Soil Continuum Model, SCM):土壤有機(jī)質(zhì)是逐步分解的有機(jī)物連續(xù)體,其中各種物理、化學(xué)和生物共同決定了其保存或礦化。因此,揭示土壤微環(huán)境中微生物-有機(jī)質(zhì)-礦物之間的內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)可能是理解土壤有機(jī)質(zhì)生物地球化學(xué)循環(huán)難題的關(guān)鍵。

  目前土壤微觀尺度的生物地球化學(xué)過程研究非常少,而能夠用于土壤微環(huán)境構(gòu)建的研究方法還處于空白狀態(tài)。土壤團(tuán)聚體是土壤的基本骨架,其表面被認(rèn)為是微生物-有機(jī)質(zhì)-礦物互作熱點(diǎn)區(qū)域。在中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究員和華中科技大學(xué)劉筆鋒教授的指導(dǎo)下,博士畢業(yè)生黃習(xí)知和華中科技大學(xué)的李一偉博士另辟蹊徑,結(jié)合微流控圖案化微陣列技術(shù),成功構(gòu)建了既包含土壤-微生物互作特點(diǎn)又一定尺度上克服土壤微觀異質(zhì)性的土壤點(diǎn)陣芯片技術(shù),結(jié)合X-射線光電子能譜首次實(shí)現(xiàn)了土-水微觀界面過程的動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(Huang,SBB,2017,Huang, Scientific Report, 2018)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步系統(tǒng)的研究了典型黑土土-水微界面有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化及其溶液微環(huán)境動(dòng)態(tài)耦合過程。研究發(fā)現(xiàn)21天培養(yǎng)過程中,土-水界面有機(jī)質(zhì)在礦物表面的Coating很快達(dá)到飽和(4天)。但在后期培養(yǎng)過程中,通過氬離子團(tuán)簇逐層刻蝕分析技術(shù)發(fā)現(xiàn)在Z軸方向上厚的微生物量碳(MBC,>130nm)和有機(jī)無機(jī)復(fù)合物(20nm-130nm)仍在逐漸增加。這表明土壤有機(jī)質(zhì)積累并不是無序的在礦物界面上沉降或者吸附固定,而是優(yōu)先地在已有的有機(jī)無機(jī)復(fù)合物上增厚。隨著有機(jī)質(zhì)層增厚,溶液中活性養(yǎng)分(有機(jī)碳和銨態(tài)氮)減少,胞外酶活性顯著增加,養(yǎng)分可利用性顯著下降,后期微生物代謝活性(微量熱儀)也顯著下降。

  基于微界面連續(xù)觀察結(jié)果,我們提出了土壤有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性的固-液耦合生物地球化學(xué)機(jī)制:微生物介導(dǎo)的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過程,為有機(jī)-無機(jī)復(fù)合物多層自組裝結(jié)構(gòu)形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ);增厚的有機(jī)質(zhì)層反過來不僅存儲了可利用態(tài)養(yǎng)分,還屏蔽了內(nèi)層有機(jī)質(zhì)的降解,進(jìn)而限制了溶液中微生物代謝,共同促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性。該機(jī)制很好地耦合了物理化學(xué)和生物學(xué)控制機(jī)制,為土壤有機(jī)質(zhì)連續(xù)體模型(Soil continuum model, 2015, nature)提供了直接可觀察的證據(jù);同時(shí),為Z軸上增加土壤碳固定提出了結(jié)構(gòu)性啟示。該成果是土壤芯片技術(shù)(SoilChip)提出以來的第三篇原創(chuàng)性論文,土壤芯片技術(shù)為理清土壤多過程耦合的復(fù)雜生物地球化學(xué)循環(huán)提供了微觀可控的研究方法,未來結(jié)合同位素示蹤技術(shù)和先進(jìn)的界面表征技術(shù),可為認(rèn)知土壤其他元素或者污染物的歸趨提供基于微-納尺度過程的基礎(chǔ)性知識。

  研究近期以題為Direct evidence for thickening nanoscale organic films at soil biogeochemical interfaces and its relevance to organic matter preservation發(fā)表在Environmental Science:Nano上。該研究得到了國家自然科學(xué)基金,自然科學(xué)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(jī)質(zhì)循環(huán)模型示意圖

 

  

  

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