004模拟增温对矮嵩草草甸土壤有机-矿质复合体形成及稳.pdf

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1、 申请代码 A0802 受理部门 收件日期 受理编号 国家自然科学基金国家自然科学基金 申申 请请 书书 (2 0 1 0(2 0 1 0版版)资助类别：联合资助基金项目 亚类说明：面上项目 附注说明：大科学装置联合基金 项目名称：模拟增温对矮嵩草草甸土壤有机-矿质复合体形成及稳定性的影响 申 请 人：崔骁勇 电话：01088256497 依托单位：中国科学院研究生院 通讯地址：北京市石景山区玉泉路甲 19 号 邮政编码：100049 单位电话：010-88256081 010-88256048 电子邮箱： 申报日期：2010年2月20日 国家自然科学基金委员会 11079055 国家自然科学

2、基金申请书 2010 版 第 2 页 版本 1.001.987 基本信息基本信息 3l0qJmgpWzE 申申 请请 人人 信信 息息 姓名 崔骁勇 性别 男 出生 年月 1970 年 11 月 民 族 汉族 学位 博士 职称 教授 每年工作时间（月）7 电话 01088256497 电子邮箱 传真 国别或地区 中国 个 人 通 讯 地 址 北京市石景山区玉泉路甲 19 号 工作单位 中国科学院研究生院/资源与环境学院 主 要 研 究 领 域 生态学，土壤学，环境科学，植物营养学 依托单位信息依托单位信息 名称 中国科学院研究生院 联系人 王艳 电子邮箱 电话 010-88256081 010

3、-88256048 网站地址 合作研究单位信息合作研究单位信息 单 位 名 称 项项 目目 基基 本本 信信 息息 项目名称 模拟增温对矮嵩草草甸土壤有机-矿质复合体形成及稳定性的影响 资助类别 联合资助基金项目 亚 类 说 明 面上项目 附注说明 大科学装置联合基金 申请代码 A0802:上海光源 C0311:土壤生态学 基地类别 研究年限 2011 年 1 月 2013 年 12 月 研究属性 基础研究 申请经费 40.0000 万元 摘摘 要要 (限限 400400 字字)：气温升高对土壤有机质稳定性的影响直接关系到大气温室气体浓度的变化，目前急需阐明主要生态系统土壤有机质稳定性对增温的

4、响应及其机理。本项目以对气候变化敏感的青藏高原高寒矮嵩草草甸为研究对象，采用同位素示踪、基于同步辐射光源和微谱学的STXM-NEXAFS 联用等技术，通过野外人工增温、海拔梯度取样和室内培养等手段，对比分析不同温度下青藏高原高寒矮嵩草草甸生态系统主要植物地上部凋落物分解过程中产生的溶解有机质（DOM）的化学结构特征、DOM 与提取人工合成的铁铝矿物作用形成的有机-矿物复合体的表面成分、DOM 与土壤中提取的粘土矿物作用形成的有机-矿物复合体的表面成分、土壤微团聚体中有机质的化学成分、土壤有机质中新碳与老碳的分子组成变化，从微观尺度探索温度升高对该类重要生态系统土壤有机-无机复合体的形成与稳定性

5、的影响，为准确把握全球变化下高寒草甸生态系统的碳收支变化提供基础。关关 键键 词词(用分号分开，最多 5 个)土壤有机碳；稳定性；增温；高寒草甸；青藏高原 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 3 页 版本 1.001.987 项目组主要项目组主要参与者参与者（注:项目组主要参与者不包括项目申请人，国家杰出青年科学基金项目不填写此栏。）编号 姓 名 出生年月 性别 职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮箱 项目分工 每年工作时间（月）1 吴静 1971-3-3 女 高级工程师 硕士 中国科学院研究生院 01088256469 样品制备 10 2 谭红朝 1982-1-9 男 博士生 硕士

6、中国科学院研究生院 01088256497 上机试验 10 3 李鹏 1984-3-6 女 博士生 硕士 中国科学院研究生院 01088256497 野外采样 8 4 吴伊波 1983-10-25 女 博士生 学士 中国科学院研究生院 01088256497 nb_ 室内培养 6 5 张妍 1986-1-6 女 硕士生 学士 中国科学院研究生院 01088256150 zhangyan- 矿质合成 5 6 李玉爽 1987-11-8 女 硕士生 学士 中国科学院研究生院 01088256497 数据分析 6 7 8 9 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生 7 2 0 0 3 2

7、说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人），总人数由各分项自动加和产生。国家自然科学基金申请书 2010 版 第 4 页 版本 1.001.987 经费申请表经费申请表 （金额单位：万元）科目 申请经费 备注（计算依据与说明）一一.研究经费研究经费 30.3000 1.科研业务费 18.2000 （1）测试/计算/分析费 7.5000 土壤性状分析、DOM 性质的分析、14C 年代测定等（2）能源/动力费 2.0000 分担增温试验平台耗电的部分费用（3）会议费/差旅费 5.5000 到青藏高原取样和到上海分析的差旅费及6人次国内会议费（4）出版物/文献/

8、信息传播费 2.8000 论文出版费、资料费、文献检索费、专业通信费等（5）其他 0.4000 2.实验材料费 7.2000 （1）原材料/试剂/药品购置费 6.6000 浸提、配置铁铝矿质和密度梯度离心等用试剂，过滤等用的耗材，样品运输费用（2）其他 0.6000 3.仪器设备费 4.2000 （1）购置 2.4000 恒温培养箱 1 台、台式离心机 1 台（2）试制 1.8000 有机物分解过程中产生的 DOM 提取装置 4.实验室改装费 0.7000 5.协作费 0.0000 二二.国际合作与交流费国际合作与交流费 3.2000 1.项目组成员出国合作交流 1.8500 2 人次赴澳大利

9、亚合作交流 2.境外专家来华合作交流 1.3500 接待 1 名境外专家 三三.劳务费劳务费 4.5000 课题组中的在校研究生的劳务性费用 四四.管理费管理费 2.0000 按 5%计算 合合 计计 40.0000 与本项目相关的 其他经费来源 国家其他计划资助经费 0.0000 其他经费资助（含部门匹配）0 其他经费来源合计其他经费来源合计 0.0000 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 5 页 报告正文报告正文（一）立项依据与研究内容（一）立项依据与研究内容：1.项目的立项项目的立项依据依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民

10、经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）研究研究意义意义 CO2、N2O 等温室气体排放造成的全球气候变暖已经成为人类目前面临的最严峻的挑战之一（IPCC 2007）。土壤有机质（Soil Organic Matter，SOM）是地球陆地表面最大的有机碳、氮库，是大气碳库的 3.3倍，生物碳库的 4.5倍，每年由 SOM分解（“矿化”）释放的 CO2量比人类活动释放的总量还多（IPCC 2007）。自然生态系统的氮素 98%来自于土壤有机质的矿化（Lambers et al.2008）。气温升高条件下土壤有机质稳定性的微小变化就有可能引发大气中CO2浓度

11、的大幅改变和生态系统氮营养的改变；模型运行的结果也证明，SOM循环过程的微小不确定性都会对 GCM对未来气候变化的预测产生很大的影响（Friedlingstein et al.2006）。试验也证明，有机质矿化和氮营养的改变是控制很多生态系统对全球变化的响应的关键因素（Elser et al.2007）。因此阐明重要生态系统土壤有机质的稳定性机制及其对温度升高的响应对于准确把握大气温室气体浓度的变化和气候变化的趋势具有重要的科学意义。虽然土壤有机质对温度变化的敏感性的重要意义已经广为知晓，但是目前还缺乏有效的试验手段，有限的研究结果也并不一致，甚至相互矛盾（Fang et al.2005;Fe

12、ng et al.2008）。造成这一问题的重要原因在于土壤有机质本身是高度异质化的复合体，它的各种组分对温度的响应差异极大，大部分的有机质是通过植物凋落物或根系以已知结构的化合物的形式进入土壤的，而且大部分在几个月内就会被矿化，将碳素以 CO2的形式重新排放进入大气圈，并提供生物氮素。但是还有一部分有机质会通过和土壤矿质颗粒表面的相互作用而稳定下来，有的甚至可以稳定数千年。但是，现有的技术尚不能对所有的组分逐一分离研究，只能采用物理、化学的方法将 SOM粗略地分为少数几个组分（Zhou et al.2010），并认为各组分是相对均一的。但正如 Feng et al.（2008）报道的那样，被

13、归入易降解有机质（labile organic matter）的两个组分：叶片表皮中浸出的碳（cuticular carbon）和木质素碳（lignin carbon）对温度升高有着完全相反的响应，前者随着温度的升高分解速率加快，而后者正相反，表明在分子水平上 SOM 不同组分稳定性的温度敏感性也不同。其他一些研究看到 SOM各组分的降解对温度的响应却是相似的，没有显著差别（Fang et al.2005）。更为复杂的是，52%98%的 SOM 是以有机-矿质复合体的形式存在的，而不是单纯的化合物，而对有机-矿质复合体中 SOM矿化的温度响应还鲜有报道。因此，深入探究 SOM的结构、解析 SO

14、M各组分与土壤矿质颗粒的相互作用对阐明 SOM稳定性的机制、深入理解生态系统和全球尺度上碳氮等重要生命元素的生物地球化学循环及温室气体排放有着很重要的意义，可为寻求提高 SOM的稳定性和增加稳定性 SOM数量的方法提供参考。国家自然科学基金申请书 2010 版 第 6 页 国内外研究进展国内外研究进展 在上个世纪全球平均气温增加了 0.6，预计这个世纪还将升高 1.45.8（IPCC 2007）。在地质历史上三叠纪与侏罗纪的过渡期大气 CO2浓度升高导致气温上升了34 C，并引起了生物物种组成的巨大改变，有研究预测气温升高引起的生态系统碳收支变化将进一步加剧温度升高的趋势（Friedlings

15、tein et al.2006），因此气温升高对生态系统碳、氮周转的影响受到了极大的关注，今年美国生态学会年会上就有 300多篇关于增温的研究报告，其中一半以上与碳过程相关，其中又有相当部分关注土壤有机质的变化。多年来在 Nature、Science等著名期刊上也持续刊登温度升高与土壤有机碳、氮的文章，其中大部分是基于模型的计算（如 Piao et al.2008），或者是综合分析温度不同的生态系统的土壤碳、氮过程（如 Yang et al.2008），而最近 10多年以来在生态系统水平上的温度控制试验受到了越来越多的重视（Kimball&Conley 2009），其研究结果加深了我们对温度升

16、高与碳、氮周转关系的理解。但无论是模型研究还是试验研究，所得结果之间的差异很大（Hu et al.2009）。土壤有机碳的形成与稳定性土壤有机碳的形成与稳定性 在地球表层 1 m深的土壤中约含有 1500 Pg（1015 g）的有机碳，3 m深度内的土层约含有 2300 Pg有机碳，比大气与全球生物的碳储量之和还要多。传统认为气候变化、土地利用方式的变化等主要影响土壤表层 30 cm范围内的有机质含量，而对下层土壤有机质在影响甚微，因为其在小于 100年的时间尺度上是很稳定的。基于这一观点，很多生态系统生物地球化学循环模型只考虑表层 20-30 cm深度内的土壤对各种因子的响应。但是近来有研究

17、发现有机质在土壤中的分布深度远大于植物根系，30 cm以下土层中的有机质在控制土壤碳储存能力、稳定性以及对环境因子的响应上可能有着重要作用。根据其形成过程可以把 SOM分为两个部分：上层土壤中的 SOM是直接来自于植物地上和根系的凋落物，经过微生物降解而形成的（包括四种可能的途径：木质素蛋白质假说；化学聚合假说；细胞自溶假说；微生物合成假说），这主要是一个生化过程；下层土壤中的 SOM 可能是上层淋溶下来的以及微生物原位活动产生的溶解有机质（Dissolved Organic Matter，DOM），与土壤中的粘土矿物吸附稳定而形成的，这主要是一个物理过程。目前对前一个过程的了解已经相当详尽，

18、但对第二个过程则较少，有证据表明该过程在 SOM的存储和周转中起决定性作用。SOM主要来自于植物地上和地下部凋落物，根分泌物和土壤微生物等的残体也提供了部分碳和其他元素（Zhou et al.2010）。不同来源产生的 DOM在土体中的迁移是有机物形成、剖面分布和稳定化的主导过程。DOM 在迁移过程中可以被土壤矿物或原有的土壤有机质吸附，稳定化并形成新的 SOM，这一过程在长的时间尺度上可能控制着土壤有机质的固持能力和容量。例如，Baisden&Parfitt（2007）测定大规模核爆炸试验前后三个时期（1959、1974和 2002年）同一地点的土壤样品，发现 40-100 cm下层土壤的1

19、4C 富集已经累计达到了 200，认为 50 cm以下土层内的 SOM 中大约1040%是由 DOM贡献的。Gill et al.对 Colorado矮草草原进行了14C 标记，十年之后取样表明有 17.5%的14C 进入到 50cm以下的土壤中。Kalbitz&Kaiser（2008）的实验显示由 DOM形成的土壤有机质占 SOM总量的 1950%。国家自然科学基金申请书 2010 版 第 7 页 土壤有机-矿质复合体（微团聚体）被认为是土壤中稳定性碳保存的地方，有研究发现稳定性 SOM的大部分是保存在微团聚体中的（Kong et al.2005），关于土壤微团聚体形成和其中的 SOM 长期

20、稳定的机制有两种不同的假说，其中之一认为有机质和矿质表面多价金属通过配位体形成有机-矿质微团聚体（20250 m）。有机-矿质间相互作用的性质和结合强度依赖于矿质颗粒的类型和表面积。另一些研究者则认为微团聚体是有机质残骸（debris）被细的矿质颗粒包裹形成的。目前人们普遍认为 DOM吸附在土壤矿物表面是其在沉积物和土壤中保存的主要机制。与存在于溶液中的 DOM或者没有吸附在矿物上的 SOM 相比，被矿物表面吸附的有机物的降解速度更慢，降解的程度也相对比较低。DOM 主要是通过它所含的羧基及苯酚功能团与矿物表面的羟基配位形成表面螯合体而被矿物表面吸附的，DOM 与矿物间的静电引力也有一定的作用

21、。在很多土壤中铁的氧化物和氢氧化物是 DOM 的主要吸附剂，通过吸附能够在土壤固相上保存相当多的 SOM，并对 DOM 的降解过程产生着很大的影响。铁的氧化物如 ferrihydrite,geothite 和 haematite对 DOM的吸附受 pH和竞争性无机阴离子如 SO42-、PO43-等的强烈影响，它们专一性选择吸附 SOM 中的芳香性分子及高分子组分，这些吸附反应很少是可逆的（凌婉婷等 2009）。尽管对 SOM 和铁的氧化物等矿物间吸附机理的研究已经取得了很大的进展，但是迄今仍然没有阐明吸附于土壤矿物上的 DOM 免于生物降解的原因及其在土壤有机质稳定化中的作用。一些矿物颗粒在集

22、聚过程中能形成的中等大小的空隙（210 nm），有人推测吸附的 DOM 就是进入了矿物中微小空隙里，而水解性胞外酶无法进入这样小的空隙，使得 DOM免于被降解（Kaiser&Guggenberger 2003）。SOM吸附稳定的另一可能的机制是在有机分子和矿物之间形成多重键，通过多重键的结合降低了 SOM从矿化表面解吸的可能性，并且还可以改变被吸附 SOM 的分子构象，从而形成复杂的难降解的结构以及团聚体。土壤矿物的螯合作用也降低了 SOM表面的活性功能团，进而影响 SOM的降解。目前引入了几种现代实验分析技术来研究 SOM 的特性，包括（1）化学裂解（chemolysis）；（2）热裂解（p

23、yrolysis）；（3）热化学裂解（thermochemolysis）；（4）稳定性同位素和放射性同位素分析；（5）包括核磁共振、红外光谱、质谱等在内的谱学技术（慈恩等 2007，2008；Zhou et al.2010）。这些技术的应用使我们对 SOM结构的认识取得了长足的进步，但是它们大多局限在研究从 SOM 中提取的腐殖质部分，而实际上土壤原位 SOM更多是以有机-矿质复合体的形式存在的。因此对原位土壤有机-矿质颗粒中的有机质的研究就显得格外重要。非破坏性的微观分析技术，比如SEM（scanning electron microscopy），EDX（energy dispersive

24、x-ray analysis），XPS（x-ray photoelectron spectroscopy）等能够获得 SOM的形态、或者化学组成、微观异质性、SOM与矿物物理结合的信息，但应用一种技术不能够同时得到这些信息。基于同步辐射光源发展起来的 STXM（扫描透射 X射线显微术）新技术能够通过X射线的精确聚焦及高亮度的软 X射线，提供样品微小尺度上的物理和化学信息。而且 STXM与调谐单色器联结，就能获得样品的 NEXAFS（近边吸收精细结构谱学）谱。经过适当的数学处理就可以得到有机质在整个土壤微团聚体内的原位空间分布。近年来这项微谱学（microspectroscopy）技术已经应用于

25、 SOM的研究，对土壤团聚体纳米尺度上的碳化学结构及其聚合（assembly）过程进行研究，包括应用微谱学技术研究水溶液中 SOM在微观尺度上的变化、联合应用 STXM和 NEXAFS 技术研究了纳米尺 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 8 页 度上（200 nm厚的土壤黑碳切片）土壤颗粒表面的各种形式的碳的分布和水分散的土壤胶体颗粒的化学异质性。同步辐射源上的 STXM-NEXAFS 广泛应用于聚合物（polymer）纳米结构的解析以及生物材料中碳的分布上。在这类研究中，需要控制辐射量以避免 C=O 键破坏。聚合物层状样品和黑碳中碳的浓度高（700 g kg-1），对 NEXAFS

26、数据滤波后就可以得到高信噪比的图像。含碳 300500 g kg-1的腐殖质过 2 m滤膜后留下的有机-矿质颗粒也有强的碳光谱信息（Solomon et al.2005）。但是由于 SOM在微观尺度上的分布是高度异质的，1s的 C 信号可能会被矿质吸收干涉的信号显著掩盖，因此目前还难以将与矿质结合的 SOM与含碳量比较低（5150 g C kg-1）的有机质颗粒区分开来。Kinyangi et al.（2006）对这个问题进行了有效的处理。他们看到，在土壤微团聚体的有机-矿质复合体中，从外向内碳的氧化程度降低，而烃类碳的含量及其复杂性增加。在团聚体的空隙处及矿质表面的裂缝存在氧化态碳包被（co

27、ating），而芳香性及烃类疏水性有机物聚合成颗粒状碳，占据 25 m 的空隙。这表明有机质在微团聚体中的分布非常复杂，既有与矿质表面结合的氧化态形式，也有以颗粒碳形式存在的芳香性和烃类碳。Wan et al.（2007）应用 STXM-NEXAFS 光谱研究了不经任何处理的土壤微团聚体颗粒的碳及各种元素的分布（Si、Al、Ca、Fe、K、Ti）及它们之间的关系。结果也显示土壤有机质一般以两种形态存在，一种是颗粒形式（10100 nm），另一种是片状包覆在粘土矿质和铁氧化物表面的形式。SOC 颗粒含有较高比例的芳香性碳，而且不同土壤类型碳的主要形式也不同，在黑土（Phaeozem）中，主要的有

28、机碳是苯酚和羧基碳，在始成土（Cambisol）土中主要是羧基碳，老成土（Ultisol）中主要是芳香性、苯酚和羧基碳。综上表明，同步辐射源上的 STXM-NEXAFS 已经成为研究 SOM 的有力工具，利用这项技术可以获得土壤微团聚体内有机质的化学组成、分布及其与矿质的相互作用等微观尺度上的详细信息。土壤有机氮与土壤有机氮与 SOM稳定性的关系稳定性的关系 氮是植物最重要的营养元素之一，土壤氮的供应状况在很大程度上决定了植物的生产力。氮也是引起环境污染的重要元素，与水体富营养化和大气污染密切相关。空气中的 N2O 作为一种温室气体，其单分子增温潜力比 CO2高 298倍（IPCC 2007）

29、。虽然大气组成的近 78%为 N2，但是在土壤有机质中氮的矿化对区域乃至全球植物的生产和氮的周转更为重要（Lambers et al.2008）。通常土壤中 90%以上的氮是有机态氮，存在于土壤有机质中，与碳一样，SOM中以不同形式存在的氮其稳定性有很大的不同，矿化速率相差巨大，因此通过分析土壤有机质氮的存在形式及其稳定性，对于理解有机质的稳定性和生态系统氮素的循环过程极其重要。但是还没有在分子水平上确定能够矿化的有机氮组分，甚至土壤有机氮的化学性质也并不十分清楚，土壤中 1/3到 1/2的有机氮被划分为“未知氮”（unknown N），关于这部分有机氮的化学性质的报道互相矛盾，其主要原因在于

30、缺乏精确的化学分析方法。目前主要有四种分析方法来分析土壤有机氮：（1）湿化学法（wet chemistry），在 6N HCl下水解，有机氮水解为水解性 N、NH3-N 和一些不能鉴别的 N，有时候在水解物中还能含有一些氨基酸；（2）居里点裂解气相色谱/质谱法（Curie-point pyrolysis-gas chromatography/mass spectroscopy，Cp Py-GC/MS）和裂解-场离子质谱法 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 9 页 （pyrolysis-field ionization mass spectrometry,Py-FIMS），以及它们的联合

31、使用；（3）波谱法，如15N NMR；（4）X射线光谱法，如 XPS，XANES。蛋白质类物质是土壤有机氮的主要成分已经成为了共识，但是对非蛋白质类氮化合物的种类、数量、分布及其降解性等还存在不同的看法。目前已知土壤有机氮中有其中相当一部分是杂环化合物，如吡啶（pyridine）、吡咯（pyrrole）等。但是湿化学方法和波谱法（如 NMR）都不能有效鉴别这些物质，而利用 NEXAFS 可以解析土壤中“未知氮”中的杂环氮化合物。应用湿化学方法研究发现杂环氮化合物占土壤中有机氮的 25%，采用 GC/MS，Cp-GC/MS，Py-FIMS 方法研究发现杂环氮化合物约占土壤有机氮的 35%，这些结

32、果也和植物材料中杂环氮化合物的含量范围一致。但是 Py-MS法的结果受到质疑，因为在样品处理中的加热过程中可能使材料中的其它含氮物质发生结构重排或者分解而产生杂环氮化合物，如有些研究用15N NMR波谱法没有检测到杂环氮或者只有在火烧影响到的土壤中测到杂环氮（Knicker et al.2005）。但也有人认为15N NMR没有测出杂环氮是因为土壤中15N 的自然丰度很低（约 0.37%），15N NMR的灵敏度不足以检测出来，而且肽键、胺基、嘧啶氮的信号会和吡咯、吲哚和嘌呤的信号重叠，从而产生干扰。同步辐射基础上的 NEXAFS 是可以在分子尺度上获得感兴趣元素的电子和结构信息的谱学技术。N

33、EXAFS 是基于电子激发的，因而是一种非破坏性的方法，可以在不改变含氮化合物的种类和分子的结构的情况下测定化合物的数量等特征（Vairavamurthy&Wang 2002）。而且 NEXAFS 能检测到所有存在的氮，不像15N NMR只能测定含有一定丰度15N 的化合物。在 90年代早期，N K-edge NEXAFS 首先在化石燃料中有机结合态氮的化学结构的鉴定中得到应用，最近又成功地用于星际间物质、材料科学、碳燃烧技术以及生物样品中氮的结构表征的研究上。Vairavamurthy&Wang（2002）第一次将该技术应用于环境样品中的地球化学大分子物质的鉴定，他们注意到杂环氮约占化学分馏

34、得到的腐殖质和沉积物总氮的 30%，暗示在有机质转化的早期阶段可能会有非生物过程形成杂环氮，用同样的技术也在原状土壤样品中检测到杂环氮分子的存在。Lehmann et al.（2007）研究表明杂环氮化合物在土壤总氮中占有相当的比例，尤其是在土壤的最稳定组分中（most stable fraction）。杂环氮在有机-矿质复合体中富集，可能是有机质的稳定组分，与土壤中氮的稳定及保存有关。这些最近的研究提供了有力的证据，不仅表明杂环氮存在于土壤中，而且也说明同步辐射基础上的谱学是研究土壤有机氮化学和结构信息的强有力工具。土壤有机质降解对温度的敏感性土壤有机质降解对温度的敏感性 Kirschbau

35、m于 1995年在土壤学领域的最重要期刊“Soil Biology and Biochemistry”上发表的有机质降解对温度依赖性的文章，指出了土壤碳与全球变暖之间存在重要的相互作用，因而引起了广泛的关注，成为引用率极高的经典文献。Bosatta&gren利用热力学理论进一步阐述了土壤有机质的降解过程及其与温度的关系，但是到目前为止对这一问题仍然没有取得一致的认识。野外土壤呼吸的测定或者是室内培养矿化试验有些认为有机质分解随着温度升高而加速、有些人为对温度变化不敏感（Davidson&Jannsens 2006;Kane&Vogel 2009）。国家自然科学基金申请书 2010 版 第 10

36、 页 根据有机质的稳定程度和周转时间，可以把有机质分成不同的库。比如有人提出的容易分解的代谢性凋落物库（easily degradable metabolic litter pool）、难以分解的结构性凋落物库和另外三个土壤有机质库：即由微生物生物量和代谢物组成的活性库（active SOM pool，周转快，15 年周转一次）、由部分稳定化有机质组成的慢性库（slow SOM pool，周转时间为 2050 年）、由难以降解的有机质组成的惰性库（passive SOM pool，周转时间长达 2001500 年）。可以采用物理、化学等方法粗略地区分出这些库，但是不同方法得到的结果相差很大（T

37、rumbore 2009）。土壤有机质的不同组分可能对温度有着不同的敏感性（Davidson&Janssens 2006），目前争论的焦点之一是难降解和易降解的 SOM对温度的敏感性有没有不同？如果有，哪一类更敏感？差异有多大？这个问题直接关系到土壤有机质对全球变暖的作用大小。有研究表明难降解的（recalcitrant）有机质比易降解的（labile）有机质对温度更敏感，但也有研究认为两者的敏感性几乎没有差别（Fang et al.2005）。另外一个焦点问题是土壤的“老碳”和“新碳”组分对温度的敏感性问题。目前的研究主要是通过由 C3植被转变为 C4植物后土壤矿化释放的 CO2的13C 同

38、位素丰度变化或者 FACE模拟 CO2浓度升高试验来研究的（Hopkins et al.2008)，由于方法的不同，结论也相差很大，甚至相同土壤培养得到的结果也不一样（Conen et al.2008)。例如在室内培养同一农田上层的土壤，一个实验看到老碳和新碳对温度的敏感性没有差别，而另一个则显示老碳比新碳更敏感（Vanhala et al.2007)。事实上，“老碳”并不等同于难以降解的碳（Vanhala et al.2007)，限制微生物获取的因素以及影响微生物活性的因素，如物理和化学的保护、干旱、水淹、冰冻等都能减缓它的降解（Davidson&Janssens 2006；潘根兴等 200

39、8)。如果消除这些外界限制条件，可能这些受保护的老碳也能很快被降解。Billett et al.（2007）就发现英国的泥炭地向大气中释放的CO2就来源于泥炭中的老碳。阻碍上述焦点问题解决的一个重要因素是现有的研究都没有做到对“老碳”和“新碳”、或者“难降解碳”和“易降解碳”的科学区分，甚至对老碳的主要成分是易降解碳还是难降解碳也还不是很清楚（Vanhala et al.2007）。由于缺乏在适当尺度下足够精确的研究方法，导致这方面的研究基本还是空白。二次离子质谱法（SIMS）早在 2002 年就被应用在土壤学的研究中，研究表明飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS，Time-Of-Fligh

40、t Secondary Ion Mass Spectrometer)可以用来定量、原位描述添加的15N 和13C 被土壤微生物所利用的过程（Cliff et al.2007）。但是 Cliff等的试验也看到即使使用高流量的离子束（600 pA）也不能达到足够高的分辨率（200 nm）。NanoSIMS 技术具有非常高的分辨率，可以达到 50 nm，为这一领域带来了希望。1999年 NanoSIMS 的原型机最早安装在哈佛医学院，目前在世界各地已经装备了大约20台。最新的 NanoSIMS 50可以达到 50 nm的精度。随着该仪器的推广，已经出现了不少利用 NanoSIMS 研究生物样品的工作

41、。如固氮蓝细菌细胞吸收营养元素的过程的跟踪成像（Clode et al.2009）。应用15N 标记试验研究土壤底质中富集15N 的细菌细胞，Herrmann et al.（2007）还对 NanoSIMS 技术应用于生物地球化学循环和土壤学研究做了详尽的综述。十多年前就有研究通过二次离子质谱得到了14C/12C 的图谱，但是还很少有应用 NanoSIMS 观察14C 同位素图像的研究，如果在在纳米尺度上得到14C/12C 图谱，就可以计算土壤有机碳的年龄。从而可以从微观尺度更直接地研究单一碳组分对 国家自然科学基金申请书 2010 版 第 11 页 温度的敏感性，为解决上述焦点问题提供契机。

42、我国在土壤有机质的稳定性方面开展了大量的研究工作，并从物理保护、化学结合、生物学机制等方面在团聚体尺度上也开展了较多的固碳机理的研究，尤其是对水稻土固碳的研究（潘根兴等 2008）。通过对不同种植年限、施肥水平、耕作措施的水稻土团聚体的碳含量分析，发现2 m的复合体有机碳含量受耕作年限影响不大；随着耕作年限延长，2 m复合体有机碳所占比例升高，1050 m复合体有机碳分配系数则呈下降趋势（慈恩等 2008）。不同施肥处理中粒径 2 m和 2000200 m的有机无机复合体的有机碳含量最高，粗团聚体对新增有机碳的有物理保护作用（周萍等 2008）。在化学组成上，钙结合的有机质主要存在于粗聚合体中

43、，而铝结合的有机质主要存在于粒径 2 m 的细颗粒中，对有机质对抗耕作的稳定性有重要作用（周萍等 2009a）。CPMAS13C-NMR波谱分析发现，稳定性颗粒态有机质的稳定性与烷氧 C、芳香 C 和酚基 C 含量直接关系（周萍等 2009b；Zhou et al.2010）。水稻土胡敏酸的芳化度随耕作年限增加有所提高（慈恩等 2008）。随复合体粒径增大，黑土复合体有机碳含量、腐殖质提取率、游离态腐殖质含量及游离态胡敏酸的腐殖化度等均有降低趋势（赵兰坡等 2005）。上述研究对于认识土壤有机质对管理措施的稳定性和我国耕作土壤的碳固定潜力有重要意义（史吉平等 2003；潘根兴等 2008），但

44、是对有机质的温度敏感性尚没有涉及，而且在高寒草地的研究还是空白。低温伴随的短生长期是高寒草甸生态系统生物量生产和碳素固定的关键制约因子，低温导致土壤有机质周转速率低下，使得氮素的供应不足是限制高寒草甸植物生长的另一重要因素（Piao et al.2006;石福孙等 2008）。因此，如果增温引起土壤有机质周转加速，将可能促进生态系统碳的损失和释放，但是同时又将通过促进植物生长而加强碳的固定。两年的野外模拟实验显示，增温提高了 040 cm土层溶解有机碳（DOC）的含量，并且与地上凋落物的木质素/N之比以及根系生物量密切相关（Luo et al.2009）。青藏高原高寒草甸生态系统碳的源汇功能在

45、增温后到底如何变化？这一关键问题只有通过对土壤有机碳、氮的温度稳定性的长期野外试验研究才能得到答案。因此本课题拟以青藏高原高寒矮嵩草草甸群落为研究对象，采用 STXM-NEXAFS和 NanoSIMS 等先进技术，在微观尺度上对土壤有机质的稳定性机制、土壤微团聚体的有机-矿质复合体中各种碳/氮组分的原位分布等进行研究，利用野外的大范围均匀增温试验平台和海拔梯度以及室内不同温度下的培养试验，在分子水平上揭示（1）原位土壤微团聚体内部和表面碳氮的化学形式、空间分布；（2）与土壤矿质颗粒发生作用的有机物种类、分布规律等；（3）有机质与土壤矿质的相互作用对 SOM的稳定性的意义；（4）“老碳”、“新碳

46、”与“难降解碳”、“易降解碳”的关系，及在分子尺度上它们对温度的敏感性。主要参考文献：主要参考文献：Baisden WT,Parfitt RL.2007.Bomb 14C enrichment indicates decadal C pool in deep soil?Biogeochemistry 85:59-68.Billett MF,Garnett MH,Harvey F.2007.UK peatland streams release old carbon dioxide to the atmosphere and young dissolved organic carbon to r

47、ivers.Geophysical Research Letters 34:1-6.Bosatta E,Agren GI.1999.Soil organic matter quality interpreted thermodynamically.Soil Biology and Biochemistry 31:1889-1891.国家自然科学基金申请书 2010 版 第 12 页 Clode PL,Kilburn MR,Jones DL,Stockdale EA,Cliff III JB,Herrmann AM,Murphy DV.2009.In Situ Mapping of Nutrie

48、nt Uptake in the Rhizosphere Using Nanoscale Secondary Ion Mass Spectrometry.Plant Physiology 151:1751-1757.Cliff JB,Bottomley PJ,Gaspar DJ,Myrold DD.2007.Nitrogen mineralization and assimilation at millimetre scales,Soil Biology and Biochemistry 39:823-826.Conen F,Karhu K,Leifeld J,Seth B,V anhala

49、P,Liski J,Alewell C.2008.Temperature sensitivity of young and old soil carbon Same soil,slight differences in 13C natural abundance method,inconsistent results.Soil Biology and Biochemistry 40:2703-2705.Davidson EA,Jannsens IA.2006.Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks t

50、o climate change.Nature 440:165-173.Elser JJ,Bracken MES,Cleland EE,Gruner DS,Harpole WS,Hillebrand H,Ngai JT,Seabloom EW,Shurin JB,Smith JE.2007.Global analysis of nitrogen and phosphorus limitation of primary producers in freshwater,marine and terrestrial ecosystems.Ecology Letters 10:1135-1142.Fa