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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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亞熱帶生態(tài)所發(fā)現(xiàn)土壤微界面有機質(zhì)層增厚證據(jù)

2020-08-31 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所

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　　長期以來，有機質(zhì)在土壤和沉積物中長期保護機制被廣泛研究。但由于土壤的復(fù)雜性，科學家主要基于傳統(tǒng)的組分提取方法進行土壤有機質(zhì)研究，并提出不同的有機質(zhì)保護機制。在這些穩(wěn)定性機制中，有機質(zhì)的物理化學機制和生物保存機制間存在爭議。科學家通過生物標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)定的有機質(zhì)，這突出了微生物過程在土壤有機質(zhì)穩(wěn)定性中的作用。但研究發(fā)現(xiàn)土壤物理化學組分和環(huán)境在有機質(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，其最終礦化速率和空白相同，Kemmitt et al.（2008）提出“控制閥理論”（regulatory theory），支持有機質(zhì)的物理化學控制穩(wěn)定機制。上述爭論的焦點是生物和非生物控制因素控制有機質(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）：土壤有機質(zhì)是逐步分解的有機物連續(xù)體，各種物理、化學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-有機質(zhì)-礦物間內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)，可能是理解土壤有機質(zhì)生物地球化學循環(huán)難題的關(guān)鍵。

　　目前，學術(shù)界關(guān)于土壤微觀尺度的生物地球化學過程研究很少，且尚缺乏用于土壤微環(huán)境構(gòu)建的研究方法。土壤團聚體是土壤的基本骨架，其表面被認為是微生物-有機質(zhì)-礦物互作熱點區(qū)域。在中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員吳金水和華中科技大學教授劉筆鋒的指導(dǎo)下，博士畢業(yè)生黃習知和華中科技大學博士李一偉結(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、且在一定尺度上克服土壤微觀異質(zhì)性的土壤點陣芯片技術(shù)，結(jié)合X-射線光電子能譜實現(xiàn)土-水微觀界面過程的動態(tài)連續(xù)監(jiān)測（Huang，SBB，2017，Huang，Scientific Report，2018）?？蒲腥藛T研究典型黑土土-水微界面有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化及其溶液微環(huán)境動態(tài)耦合過程，發(fā)現(xiàn)在21天培養(yǎng)過程中，土-水界面有機質(zhì)在礦物表面的Coating很快達到飽和（4天）；在后期培養(yǎng)過程中，通過氬離子團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）和有機無機復(fù)合物（20nm-130nm）仍在逐漸增加。這表明土壤有機質(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)先地在已有的有機無機復(fù)合物上增厚。隨著有機質(zhì)層增厚，溶液中活性養(yǎng)分（有機碳和銨態(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質(zhì)穩(wěn)定性的固-液耦合生物地球化學機制：微生物介導(dǎo)的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化過程有利于有機-無機復(fù)合物多層自組裝結(jié)構(gòu)的形成；增厚的有機質(zhì)層存儲可利用態(tài)養(yǎng)分，屏蔽內(nèi)層有機質(zhì)的降解，限制溶液中微生物代謝，促進有機質(zhì)的穩(wěn)定性。該機制耦合物理化學和生物學控制機制，為土壤有機質(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。

　　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基金、自然科學基金青年基金、亞熱帶所開放基金、中國博士后基金的支持。

　　論文鏈接

　　土-水微界面多過程耦合的有機質(zhì)循環(huán)模型示意圖

　　長期以來，有機質(zhì)在土壤和沉積物中長期保護機制被廣泛研究。但由于土壤的復(fù)雜性，科學家主要基于傳統(tǒng)的組分提取方法進行土壤有機質(zhì)研究，并提出不同的有機質(zhì)保護機制。在這些穩(wěn)定性機制中，有機質(zhì)的物理化學機制和生物保存機制間存在爭議?？茖W家通過生物標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)定的有機質(zhì)，這突出了微生物過程在土壤有機質(zhì)穩(wěn)定性中的作用。但研究發(fā)現(xiàn)土壤物理化學組分和環(huán)境在有機質(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，其最終礦化速率和空白相同，Kemmitt et al.（2008）提出“控制閥理論”（regulatory theory），支持有機質(zhì)的物理化學控制穩(wěn)定機制。上述爭論的焦點是生物和非生物控制因素控制有機質(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）：土壤有機質(zhì)是逐步分解的有機物連續(xù)體，各種物理、化學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-有機質(zhì)-礦物間內(nèi)在聯(lián)系和本質(zhì)，可能是理解土壤有機質(zhì)生物地球化學循環(huán)難題的關(guān)鍵。
　　目前，學術(shù)界關(guān)于土壤微觀尺度的生物地球化學過程研究很少，且尚缺乏用于土壤微環(huán)境構(gòu)建的研究方法。土壤團聚體是土壤的基本骨架，其表面被認為是微生物-有機質(zhì)-礦物互作熱點區(qū)域。在中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所研究員吳金水和華中科技大學教授劉筆鋒的指導(dǎo)下，博士畢業(yè)生黃習知和華中科技大學博士李一偉結(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、且在一定尺度上克服土壤微觀異質(zhì)性的土壤點陣芯片技術(shù)，結(jié)合X-射線光電子能譜實現(xiàn)土-水微觀界面過程的動態(tài)連續(xù)監(jiān)測（Huang，SBB，2017，Huang，Scientific Report，2018）?？蒲腥藛T研究典型黑土土-水微界面有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化及其溶液微環(huán)境動態(tài)耦合過程，發(fā)現(xiàn)在21天培養(yǎng)過程中，土-水界面有機質(zhì)在礦物表面的Coating很快達到飽和（4天）；在后期培養(yǎng)過程中，通過氬離子團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）和有機無機復(fù)合物（20nm-130nm）仍在逐漸增加。這表明土壤有機質(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)先地在已有的有機無機復(fù)合物上增厚。隨著有機質(zhì)層增厚，溶液中活性養(yǎng)分（有機碳和銨態(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質(zhì)穩(wěn)定性的固-液耦合生物地球化學機制：微生物介導(dǎo)的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化過程有利于有機-無機復(fù)合物多層自組裝結(jié)構(gòu)的形成；增厚的有機質(zhì)層存儲可利用態(tài)養(yǎng)分，屏蔽內(nèi)層有機質(zhì)的降解，限制溶液中微生物代謝，促進有機質(zhì)的穩(wěn)定性。該機制耦合物理化學和生物學控制機制，為土壤有機質(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。
　　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基金、自然科學基金青年基金、亞熱帶所開放基金、中國博士后基金的支持。
　　論文鏈接
　　土-水微界面多過程耦合的有機質(zhì)循環(huán)模型示意圖
　　

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