Soilorganicmatterisstabilizedbyorgano-mineralassociationsthroughtwokeyprocesses:Theroleofthecarbontonitrogenratio

摘要

在长期的农业生产过程中，土壤中有机质（OM）的损失导致土壤原有的肥力下降，并释放温室气体。尽管有机-矿物结合对于土壤中OM的稳定性非常重要，但关于有机-矿物结合的认识仍然有很多不足。

我们使用纳米级二次离子质谱(NanoSIMS)研究了紫花苜蓿(Medicagosativa)和狼尾草(Cenchrusciliaris)的13C和15N标记残体在澳大利亚温带地区的变性土中培养d后的残留情况和稳定性。

我们发现，新增加的OM通过两种机制形成有机-矿物结合体。首先，新加入的OM与已有OM结合的矿物形成缔合。但是，以这种方式结合的OM，并不受植物残体C/N的影响，因为两种植物残体碳氮比不一样而新增加的OM量相似。其次，我们观察到富含N的微生物代谢产物直接附着在不包含OM斑块的矿物颗粒表面上，从而产生了新的有机-矿物结合体，因而可以进一步稳定OM。

本研究获得的信息对于通过有机-矿物结合来理解OM的稳定性具有重要的参考价值，提高了使用碳氮比较窄的覆盖作物形成新的有机-矿物结合体来增加土壤中OM稳定性的可能性。

结果

标记植物残体碳氮含量及同位素比值。

土壤碳氮含量及IRMS获取的土壤稳定同位素比值。

图1：

1.左侧图片是SEM，右侧图片是左侧图片虚线框处的NanoSIMS；

2.a-b无添加；

3.c-f30d和d狼尾草；

4.g-j30d和d苜蓿；

5.图中灰度为16O，红色标记为12C和12C14N。

大多数OM都在矿物表面，大多数矿物表面上并没有OM，OM存在的位置说明是OM优先积累的位置。

图2：

土壤OM覆盖度：土壤OM区域（12C和12C14N）与矿物颗粒（16O）面积的比值；Control为未添加植物残体，未培养的初始土壤。

植物残体的添加轻微的增加了OM的覆盖度，但这三个处理并无显著差异。

图3：

对图1虚线框区域的自由稳定微团聚体进行NanoSIMS分析。

图例中竖红线是Control土壤中13C/12C(0.)和12C15N/12C14N(0.)的平均丰度，表示自然丰度；16O（灰度，最右侧，表示矿物）图像作为参考。

图片中斑块颜色与自然丰度一致说明之前存在OM，并没有受到培养的影响；大多数OM都是自然丰度，但有一些黄色或橙红色的斑块说明有新的OM积累；新的OM有两种分布模式：OM斑块15N富集但13C是自然丰度，比如图中的白色箭头所指的斑块；另一种是图中灰色箭头所指，15N富集的OM斑块在新的矿物表面（之前不存在OM）形成，该斑块表示新形成的OM来源于微生物产物（N-richmicrobialproducts）。

图4：

不同处理各时间点theregionsofinterest(ROIs)的箱线图；Control表示自然丰度：13C/12C的平均值为0.以及12C15N/12C14N的平均值为0.。

结论

总的来说，本研究为土壤中OM的形成和稳定提供了重要的视角。我们结果证明，新的OM稳定性是通过微生物产物直接吸附在矿物表面或与现有的矿物-有机质键相结合形成的。然而，植物残体的碳氮比并没有影响与现有的矿物-有机质键相结合的OM的形成量。

本研究获得的信息对于理解土壤中OM的循环和稳定是至关重要的，这些过程影响土壤肥力、碳汇和土壤温室气体的排放。

此外，本研究的发现提供了一种可能性，即使用碳氮比较窄的覆盖作物有可能在土壤中形成新的有机-矿物组合体，从而增加土壤中的有机质及其稳定性，虽然这个碳氮比并没有影响通过现有的矿物-有机质键结合的OM的形成。

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