吉林农业大学窦森教授土壤有机质团队在土壤腐殖质组成和结构特征方面取得系列进展

导读：

认识土壤有机质的本质及其生态系统服务功能是土壤学研究的核心命题之一。腐殖物质(HS)作为土壤有机质的主体，是一类天然存在的物质，其组成、结构十分复杂且具有不同于其形成前体的化学组成与结构特征（特异性）。关于HS概念的有效性、自然界HS的存在以及HS提取方法的合理性近年受到质疑，我们通过使用葡萄糖、纤维素、木质素、秸秆和锯屑等不同来源的前体作为底物，研究了几种微生物的形成类腐殖物质的过程，得到HS的前体物质或单纯培养的产物并不具有土壤HS的特征的结论。同时，土壤团聚体和HS之间的相互作用直接决定了土壤碳封存和稳定性。我们进一步研究了不同耕作方式对 0-20 cm和 20-40cm土层的水稳性土壤团聚体中土壤腐殖质组成和胡敏酸 (HA) 结构特征的影响。耕作处理包括免耕 (NTS) 和常规耕作 (CTS)，两者都进行了玉米秸秆还田，以及常规耕作无玉米秸秆还田 (CT)。用荧光光谱、傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 和13 C 核磁共振波谱 ( 13C NMR）来表征各土壤团聚体分组中HA的结构特征，表明大团聚体中HA具有最高的H/C、ΔlgK和IR2920/1720比值;而微团聚体和粉粒/黏粒组分的HA则具有较低的H/C比值，NTS耕作方式在有效提高土壤碳汇和稳定性方面效果更好。主要结果如下：

使用葡萄糖、纤维素、木质素、秸秆和锯屑等不同的前体作为底物，研究了几种真菌(如木霉菌、黑曲霉、青霉菌及其混合菌株)形成类腐殖质的过程(Wang et al., 2014)，结果表明，新形成的类胡敏酸 (HLA) 的H/C摩尔比均高于1.5，与土壤提取的HA (1.0) 不同。因此，不能得出腐殖物质 (HS) 的前体物质或单纯培养的产物真的具有土壤HS的特征的结论。

▲图1 葡萄糖、纤维素、木质素和从微生物残体(MR)和土壤中提取的成分的Van-Krevelen分布，用于评估腐殖物质的来源(改编自Wang et al. (2014)，FA=富里酸；HA=胡敏酸)（来源：ScienceDirect）

在耕作方式与秸秆还田对土壤团聚体中腐殖质组成和胡敏酸结构特征的影响的研究中发现，无论在哪种耕作方式或土壤深度下（CT处理除外），基本上大团聚体(> 0.25 mm)组分的HA的H/C比值明显更高(图2)。ΔlgK、IR2920/1720比值和O/C比值更低。特别是NTS处理下> 0.25 mm的团聚体中的HA，其脂族化合物增加、分子结构简化(Dou et al., 2008)、疏水C的比例更大，(De Mastro et al., 2019)。微团聚体和粉粒/黏粒组分的HA则具有较低的H/C比值、ΔlgK、IR2920/1620和IR2920/1720比值。H/C、IR2920/1720比值和ΔlgK值越低，HA分子结构越复杂，芳构化程度越高(Ndzelu et al., 2020)。在所有耕作处理中，NTS处理在0-20 cm土层的大团聚体组分中的HA具有最高的H/C比值、ΔlgK和IR2920/1720比值；而CTS处理在20-40 cm土层中HA的H/C最高。相反地，CT处理缩小了各粒级土壤团聚体中HA的ΔlgK值、H/C比值和IR2920/1720 比值。所有耕作处理都降低了微团聚体和粉粒/黏粒部分中HA的ΔlgK值和H/C比值。

在所有耕作处理中，大量腐殖质C储存在大团聚体 (> 2 mm) 和粉粒/黏粒 (< 0.053 mm) 部分中，突出了这些团聚体在C封存与稳定中的重要性。NTS处理更有利于提高土壤团聚体中腐殖质C的含量。荧光和 FTIR 光谱表明，所有耕作系统的 < 0.053 mm 团聚体部分的芳香族和酚类C较多，羧基C较低，表明该部分HA的分子结构复杂。NTS处理增加了> 2 mm 的团聚体中HA的脂肪族、甲氧基和疏水性碳，这表明土壤的碳稳定性得到改善。13C NMR结果表明，NTS增强了0-20 cm土壤HA中的烷基、含氧烷基和甲氧基/含氮烷基C（图3）。综上所述，NTS耕作方式在有效提高土壤碳汇和稳定性方面效果更好。

▲图2 不同耕作方式下胡敏酸在0-20 cm和20-40 cm 土层不同土壤团聚体粒径组分中的Van-Krevelen分布（来源：ScienceDirect)

▲图3 不同耕作方式下0-20 cm和 20-40 cm 土层的土壤胡敏酸的¹³C 核磁共振谱（来源：ScienceDirect）

参考文献：

[1] S Dou #*, J Shan#, X Song* , R Cao, M Wu, C Li and S Guan. Are humic substances soil microbial residues or unique synthesized compounds? A perspective on their distinctiveness，Pedosphere 2020, 30 (2), 159–167.

[2] Ndzelu, B.S., Dou, S.*, Zhang, X.W., Zhang, Y.F., Ma, R., Liu, X., Tillage effects on humus composition and humic acid structural characteristics in soil aggregate-size fractions. Soil & Tillage Research 2021, 213, 105090.

[3] Ndzelu, B.S., Dou, S.*, Zhang, X.W., Changes in soil humus composition and humic acid structural characteristics under different corn straw returning modes. Soil Research 2020, 58, 452–460.

[4] Ndzelu, B.S., Dou, S.*, Zhang, X.W., Corn straw return can increase labile soil organic carbon fractions and improve water-stable aggregates in Haplic Cambisol，Journal of Arid Land 2020, 12(6), 1018-1030.

[5] Zhang, X.W., Dou, S.*, Ndzelu, B.S., Guan, X.W., Zhang, B.Y., Bai, Y., Effects of different corn straw amendments on humus composition and structural characteristics of humic acid in black soil. Communications in Soil Science and Plant Analysis 2019, 51:1, 107-117.

联系作者:

窦森，教授，吉林农业大学资源与环境学院，Email：dousen1959@126.com