東北地理所在模擬侵蝕條件下黑土溶解性有機質的化學多樣性和固碳潛力方面取得進展
土壤溶解性有機質（DOM）化學多樣性是指土壤中DOM分子的化學組成和性質的多樣性。土壤侵蝕導致的亞耕層（B層）暴露會顯著影響土壤的含水量、pH值和養分有效性等，進而對DOM的動態變化產生影響。了解侵蝕土壤中影響DOM化學多樣性的具體因素，對于預測在這些變化條件下DOM和土壤有機質（SOM）的反應性和動態至關重要。因此，明晰不同侵蝕程度下0-10、10-20和20-30 cmB層中的DOM化學多樣性的變化情況及其DOM的降解程度，探究影響B層DOM化學多樣性變化的關鍵因素，將有助于加深對土壤中DOM分子持久性和多樣性的認識，從而促進對侵蝕土壤中碳循環的預測。
本研究基于2015年在中國科學院東北地理所海倫黑土水土保持監測研究站建立的長期原位模擬侵蝕試驗，采用30 cm（未侵蝕）、20 cm（輕度侵蝕）和10 cm（嚴重侵蝕）深度的耕層（A層）處理進行研究。利用傅里葉變換離子回旋共振質譜（FT-ICR-MS）測定和計算土壤DOM中七種化合物（類脂、類蛋白質、類碳水化合物、不飽和烴類、類木質素、類單寧和稠環芳香烴化合物）的相對豐度、CHONS型化合物的相對比例以及DOM的降解程度等；并輔以宏基因組測定土壤微生物群落和碳降解功能基因特征。研究結果顯示，與未侵蝕處理相比，輕度侵蝕處理顯著增加了0-10 cm、10-20 cm和20-30 cm B層中的溶解性類木質素化合物的24-63%；而嚴重侵蝕處理分別顯著增加了10-20 cm和20-30 cm B層中的溶解性類木質素化合物的41%和22% （圖1）。同時，相對于未侵蝕處理 ，輕度和嚴重侵蝕處理都顯著降低了10-20 cm和20-30 cm B層中的類脂和類蛋白質化合物含量，降低幅度為69-87%（圖1）。值得注意的是，黑土DOM化學多樣性的變化主要受土壤理化性質控制，而非微生物性狀（圖2）。以降解指數和吉布斯自由能表示出來的DOM降解程度與類木質素的積累有正相關性，說明惰性化合物中的類木質素也可以降解（圖3）。因此，侵蝕黑土在B層的固碳潛力較小。為了防止玉米-大豆輪作中土壤退化，建議在易受侵蝕的黑土中，將有機和無機肥料組合施用于20-30 cm的土壤深度，以增加B層土壤的固碳潛力。
圖1基于van Krevelen圖的DOM組分的化學式核密度圖。顏色越深表示分子密度越高。
圖2 DOM組分與土壤理化因子的級聯關系
圖3 模擬侵蝕A層下B層黑土溶解性有機質的化學多樣性的變化及其影響因素
研究成果近期發表在農林科學國際重要期刊Soil Biology and Biochemistry（IF=9.8）上，東北地理所土壤資源與利用學科組周萌助理研究員為第一作者，農田分子生態學科組李彥生副研究員為通訊作者，劉曉冰研究員、隋躍宇研究員和張興義研究員也參與該研究工作。研究得到國家重點研發計劃項目（2021YFD1500803）、中國科學院先導項目（XDA28100200、XDA28070302）、中國科學院國際合作項目（131323KYSB20210004）和國家自然科學基金青年項目（42307437）等聯合資助。
論文信息：
Meng Zhou,Yang Xiao,Yansheng Li*,Jian Liu,Yueyu Sui,Xingyi Zhang,Xiaobing Liu. Simulated erosion of A horizon influences the dissolved organic matter chemodiversity and carbon sequestration of B horizon in Mollisols. Soil Biology and Biochemistry,2024,109648.
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109648
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