【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】長期以來，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。但由于土壤的復(fù)雜性，科學(xué)家主要基于傳統(tǒng)的組分提取方法進(jìn)行土壤有機(jī)質(zhì)研究，并提出不同的有機(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)制間存在爭議。
 

　　科學(xué)家通過生物標(biāo)志物和同位素追蹤技術(shù)，發(fā)現(xiàn)微生物能產(chǎn)生多種且穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)，這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；通過氯仿熏蒸處理后微生物群落和活性有差異的土壤，其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(jī)質(zhì)的物理化學(xué)控制穩(wěn)定機(jī)制。上述爭論的焦點(diǎn)是生物和非生物控制因素控制有機(jī)質(zhì)的生物利用性問題。為調(diào)和爭論，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，各種物理、化學(xué)和生物共同決定其保存或礦化。因此，揭示土壤微環(huán)境中微生物-有機(jī)質(zhì)-礦物間內(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，學(xué)術(shù)界關(guān)于土壤微觀尺度的生物地球化學(xué)過程研究很少，且尚缺乏用于土壤微環(huán)境構(gòu)建的研究方法。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)研究所研究員吳金水和華中科技大學(xué)教授劉筆鋒的指導(dǎo)下，博士畢業(yè)生黃習(xí)知和華中科技大學(xué)博士李一偉結(jié)合微流控圖案化微陣列技術(shù)，構(gòu)建包含土壤-微生物互作特點(diǎn)、且在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-射線光電子能譜實(shí)現(xiàn)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)。科研人員研究典型黑土土-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，發(fā)現(xiàn)在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)；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)積累不是無序的在礦物界面上沉降或吸附固定，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，胞外酶活性增加，養(yǎng)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(xù)觀察結(jié)果，研究人員提出土壤有機(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)化過程有利于有機(jī)-無機(jī)復(fù)合物多層自組裝結(jié)構(gòu)的形成；增厚的有機(jī)質(zhì)層存儲(chǔ)可利用態(tài)養(yǎng)分，屏蔽內(nèi)層有機(jī)質(zhì)的降解，限制溶液中微生物代謝，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性。該機(jī)制耦合物理化學(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)提供證據(jù)，對Z軸上增加土壤碳固定提出結(jié)構(gòu)性啟示。該研究成果是自土壤芯片技術(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)提供了研究方法，未來結(jié)合同位素示蹤技術(shù)和界面表征技術(shù)，可為認(rèn)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(chǔ)性知識(shí)。
 

　　相關(guān)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(fā)表在Environmental Science:Nano上。研究工作得到國家自然科學(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。