土壤溶解性有机质及其表面反应性的研究进展

溶解性有机质（DOM）是土壤溶液中的一个重要的组成部分,在土壤化学和生物过程中起着十分重要的作用。虽然DOM在天然有机质中所占的比例并不高,但它将土壤中的矿物质、有机质联系在一起,并能调控环境污染物的迁移转化与归宿,因此国内外学者都很重视溶解性有机质对土壤环境中污染物环境行为影响的研究。综述了DOM的分类和分离技术,DOM的结构及其表征方法,DOM的表面反应性以及对有机污染物、重金属在土壤中吸附、迁移的影响等,并提出了有待于进一步研究的一些问题。     

藏北高寒草地土壤有机质化学组成对土壤蛋白酶和脲酶活性的影响

土壤酶作为生态系统的生物催化剂, 是土壤有机体的代谢驱动力, 在土壤物质循环和能量转化过程中起着重要作用。该研究以藏北5种不同类型高寒草地(高寒草甸、高寒草原、高寒草甸草原、高寒荒漠草原和高寒荒漠)为研究对象, 利用热裂解气质联用技术(Py-GC/MS)分析不同类型草地土壤有机质化学组成, 并建立其与土壤蛋白酶和脲酶活性之间的相互关系。结果表明, 5种高寒草地土壤(0-15 cm)的酶活性表现出一定差异性, 高寒荒漠草原土壤的脲酶活性显著高于蛋白酶活性, 而其余类型高寒草地的脲酶和蛋白酶活性之间的差异未达到显著水平; 蛋白酶活性在5种高寒草地土壤之间的差异显著, 而脲酶活性在5种草地土壤之间的差异未达到显著水平。相关分析发现, 土壤蛋白酶活性与土壤有机质烷烃、烯烃和芳香烃的相对丰度和糠醛:吡咯的值密切相关, 土壤脲酶活性与土壤有机质化学组成之间相关性未达到显著水平。综上所述, 高寒草地类型和土壤有机质化学组成是影响高寒草地土壤蛋白酶活性的重要因素, 而对土壤脲酶活性的影响均未达到显著水平, 其影响因素有待进一步深入的研究。     

土壤有机碳矿化激发效应的微生物机制研究进展

激发效应是外源易分解有机质输入在短时期内改变原有土壤有机碳矿化过程的自然现象,是联系土壤有机碳收支过程之间的关键环节,对于土壤有机碳库的积累和稳定具有重要意义。土壤微生物对外源有机质输入的响应是形成激发效应的内在驱动力。外源有机质促进或抑制土壤有机碳矿化的微生物机制主要包括:外源有机质促进多种类群微生物及其分泌胞外酶的协同作用,外源有机质驱使特定类群微生物加强对受限资源的利用,外源有机质的化学计量特征导致微生物对适宜分解底物的选择性利用。对于激发效应现象更符合哪一种理论的解释,以及何种类群微生物主导了激发效应过程,目前尚未形成普遍共识。外源有机质总量、化学组成和碳氮比以及温度、水分等环境因子,都可通过影响微生物对外源有机质和土壤有机质的利用从而作用于激发效应。针对现有研究存在的争议与不足,今后需利用新兴技术手段进一步明确不同微生物类群在激发效应过程中的作用,并从外源有机质化学计量特征与微生物需求之间均衡关系的角度展开研究,以期促成激发效应研究与生态化学计量学相关理论的融合与发展。     

黑土中几种重金属的化学形态

在自然界中,重金属元素的总浓度不能正确反映出它们对生物的效应和地球化学的过程。重金属的毒性在很大程度上取决于它们存在的化学形态。重金属进入土壤这个有机、无机复合体后,通过溶解、沉淀、凝聚、络合、吸附等各种反应,形成重金属的不同化学形态,并表现出不同的活性。东北地区的黑土,其主要特征是富含有机质,为了探索土壤有机质含量与土壤重金属的亲合力及其在土壤中存在的各种形态,我们用A.Tesser等提出的连续浸提法,作了重金属元素在黑土中存在形态的研究,这对进一步研究土壤净化功能与土壤环境容量具有一定意义。     

三极冰川冰尘微生物及其介导的碳氮生物地球化学循环研究进展

冰尘是散落在冰川表面由矿物质、有机质和微生物组成的聚合体,其主要来源包括远源输送来的细粉尘和气溶胶组分、局地源的粗冰碛物及来自周围生态系统的土壤和植物碎屑等。冰尘对太阳辐射具有较强的吸收作用,可降低冰面反照率、促进冰川融化。冰尘也是迄今为止生物多样性最高的冰川表面微生物栖息地,生活着细菌、真菌、藻类等。冰尘微生物是冰川表面地球化学循环的主要驱动者,微生物分解转化冰尘内有机质,降低冰川表面反照率影响冰川物质平衡。基于冰尘的重要性,本文综述了南极、北极、青藏高原第三极冰川冰尘的物理和化学特征及其影响因素,冰尘微生物群落组成及其介导的碳氮生物地球化学循环过程,并展望了冰尘微生物研究的前景。     

东北高寒地区麦田土壤活性有机质和环境因素关系的灰色分析

土壤圈是地球各圈层物质循环和能量交换的枢纽,在土壤圈中的养分变化和生物结构变化对农业持续发展的影响起重要作用［６］。土壤有机质层是动态的生态系统。它是由植物、动物和微生物及其它环境因素共同作用而组成的物质和能量交换系统。其中土壤中有机质释放的具有生物活性的酶类也参与这一过程。这种作用与有机质的合成和分解密切相关,其作用集中表现在活性有机质的动态变化方面。所以土壤活性有机质可以表征土壤物质循环特征,也可用以评价土壤质量的优劣。有机质的生产和矿化过程是土壤中生物因素和非生物因素共同作用的结果。因此,…     

颗粒有机质的来源、测定及其影响因素

土壤活性有机质及其组分作为土壤质量的重要指标在土壤化学、物理和生物性质方面起着重要作用。颗粒有机质能够有效地反映有机质的特性,与微生物生长、营养供给及C、N的生物学调节密切相关。作为活性有机质的一个量度指标,颗粒有机质越来越受到人们的重视。本文综述了土壤颗粒有机质的来源及其在土壤有机质转化过程中的作用,对其测定方法作了系统的描述,阐明了土壤理化性质、农业措施(施肥与耕作)及土地利用类型对土壤颗粒有机质在土壤形成及维持其稳定性方面的影响。     

土壤中水溶性有机质及其对重金属化学与生物行为的影响

土壤水溶性有机质是陆地生态系统和水生生态系统中一种重要的、很活跃的化学组分,已成为环境科学、土壤学和生态学等学科的研究热点．土壤DOM对重金属化学与生物行为有重要影响。但其机理尚不清楚．文中从土壤性质、环境条件、人为因素等方面阐述了土壤DOM产生及影响因素,总结评述了DOM对重金属化学行为和生物有效性的影响,将DOM对重金属的影响机制归纳为络合机制、竞争吸附机制、酸碱缓冲机制．在此基础上,提出了DOM研究存在的问题及其展望．     

土壤溶解性有机质生物降解研究进展

溶解性有机质(DOM)是土壤有机质中最容易被微生物利用的一部分,是土壤微生物代谢重要的物质和能量来源。DOM的生物降解反映了其稳定性及在物质、能量代谢中的作用,对土壤的碳循环和大气的温室效应有重要影响。目前,有关DOM生物降解的研究主要集中在降解过程的表征及其影响因素两大方面,该文对相关问题进行了综述。表征指标可以归纳为降解率、降解速率、半衰期等矿化动力学指标和光谱指标两大类;降解过程直接取决于DOM分子大小、结构和微生物群落、数量和活性等直接影响因素,而土层深度、土壤湿度、温度、土地利用和管理方式、p H等间接因素通过影响DOM的组成结构及微生物的性质进而影响DOM的降解过程。在此基础上,论文指出了目前国内研究中存在的问题,并提出了进一步研究的方向。     

稻田土壤关键元素的生物地球化学耦合过程及其微生物调控机制

水稻土是在长期植稻下人为培育的特殊耕作土壤,是我国土壤学的特色,其研究也反映我国土壤学的国际地位。水稻土是研究土壤生物地球化学过程的理想模型。稻田土壤关键元素(碳氮磷硫铁等)的生物地球化学循环过程、耦合机理及其驱动机制研究是土壤生物学研究的核心之一。因此,以国际土壤年为契机,结合中国科学院院士工作局资助的"土壤生物学发展战略研究"项目的部分成果,以稻田关键元素(碳氮磷硫铁等)生物地球化学循环过程及其耦合的微生物驱动机制为核心,重点讨论了稻田土壤基本生物化学特征、稻田土壤碳-氮、碳-氮-磷、碳-氮-铁等多元素耦合过程及其与微生物之间的反馈机制,并由此提出了稻田土壤关键元素生物地球化学循环微生物驱动机制研究的未来重点发展方向为:1)土壤关键元素生物地球化学过程的异质性及其微生物过程的互作机制研究;2)微生物参与机制对土壤关键元素循环过程的响应、反馈机制与调控机制研究;3)土壤关键生物地球化学过程的计量学研究。     

冰川退缩区不同演替阶段土壤溶解性有机质光谱特征及环境响应

溶解有机质(DOM)作为土壤中最活跃的有机组分,在土壤生物地球化学过程中起着关键作用,探讨植被演替过程中DOM的来源、组成、环境响应与累积规律,对预测土壤碳循环过程具有重要意义。本研究从海螺沟冰川退缩区植被原生演替序列选取演替年龄分别为12、30、40、50、80、120年的样地采集表层和亚表层土壤样本,测定DOM浓度并进行紫外-可见光光谱和三维荧光光谱分析,研究原生演替过程中DOM含量和组成的变化特征及其影响因素。结果表明: 土壤DOM浓度随演替年龄的增加而显著增加。土壤DOM中类蛋白组分、荧光指数和生物指数随演替时间的增加而减小,类腐殖质组分和腐殖化程度随演替过程不断增加,土壤DOM芳香化程度先增加后减小。pH值、铵态氮含量解释了62.2%的表层土壤DOM组分变异,土壤含水率和pH值解释了64.3%的亚表层土壤DOM组分变异,说明环境因素是影响海螺沟冰川退缩区原生演替过程中土壤DOM数量和组成的重要因子。     

溶解性有机质对土壤中有机污染物环境行为的影响

土壤中溶解性有机质(DOM)是生物活性和物理化学反应活性都很活跃的有机组分,主要通过疏水吸附、分配、氢键、电荷转移、共价键、范德华力等多种作用与有机污染物结合,提高溶液中有机污染物的溶解度,改变土壤中有机污染物的吸附-解吸、迁移-转化等环境行为．DOM对有机污染物的吸附-解吸、迁移-转化过程的影响有双重性：一方面,DOM与有机污染物在土壤表面的共吸附可增加土壤对有机污染物的吸附容量,促进有机污染物在土壤中的吸持;另一方面,DOM对有机污染物的增溶作用,有利于土壤中有机污染物的解吸,提高移动性．作为光敏剂,DOM能提高土壤中有机物的光解反应速率．在一定条件下,DOM也可影响土壤中有机污染物的水解过程．DOM对土壤中有机污染物环境行为的影响与DOM和有机污染物的性质及其相互作用的介质条件密切相关．     

Measuring the influence of environmental conditions on dissolved organic matter biodegradability and optical properties: a combined field and laboratory study

Fluorescence spectroscopy is a common tool to assess optical dissolved organic matter (DOM) and a number of characteristics, including DOM biodegradability, have been inferred from these analyses. However, recent findings on soil and DOM dynamics emphasize the importance of ecosystem-scale factors, such as physical separation of substrate from soil microbial communities and soil physiochemical cycles driving DOM stability. We apply this principle to soil derived DOM and hypothesize that optical properties can only supply information on biodegradability when evaluated in the larger ecosystem because substrate composition and the activity/abundance of the microbial community ultimately drive DOM degradation. To evaluate biodegradability in this context, we assessed aqueous soil extracts for water extractable organic carbon (WEOC) content, biodegradability, microbial biomass and DOM characteristics using fluorescence spectroscopy across a range of environmental conditions (covariant with season and land use) in northern Vermont, USA. Our results indicate that changes in environmental conditions affect composition, quantity, and biodegradability of DOM. WEOC concentrations were highest in the fall and lowest in the summer, while no significant differences were found between land covers; however, DOM biodegradability was significantly higher in the agricultural site across seasons. Despite a shift in utilized substrate from less aromatic DOM in summer to more aromatic DOM in winter, biodegradability was similar for all seasons. The only exception was cold temperature incubations where microbial activity was depressed, and processing was slowed. These results provide examples on how fluorescence based metrics can be combined with context relevant environmental parameters to evaluate bioavailability in the context of the larger ecosystem.

     

陆地生态系统中人为因素对DOM影响研究进展

尽管DOM和WEOM只占土壤有机质的一小部分,却是土壤溶液的重要组成部分,参与众多土壤过程。本文着重介绍DOM和WEOM的定义、研究方法及森林和农田两种不同生态系统中DOM和WEOM的研究现状及耕作、施肥等农业措施对DOM和WEOM的影响。已有研究主要集中于DOC,而缺乏对DON、DOP的研究,且研究方法间差异较大。森林生态系统DOM／WEOM含量要高于草地和耕地。土地利用方式变化对DOM的影响主要取决于改变后的土地利用方式。管理措施对DOM／WEOM通常只有短暂的影响．且不同因素作用结果不一。     

Influence of soil temperature and moisture on the dissolved carbon,nitrogen, and phosphorus in organic matter entering lake ecosystems

Concentrations of terrestrially derived dissolved organic matter (DOM) have been increasing in many north temperate and boreal lakes for over two decades. The concentration of DOM in lakes is influenced by a number of environmental factors, but there is still considerable debate about how the availability of terrestrial DOM, and associated dissolved nitrogen and phosphorus, may be affected by drivers of climatic change. Using experimental and observational methods, we considered how changes in soil temperature and moisture affected the composition of carbon, nitrogen, and phosphorus entering freshwater lakes. In our experiment, organic soil cores were collected from the wetland shoreline of a darkly-stained seepage lake in northern Wisconsin, USA and manipulated in laboratory with temperature and moisture treatments. During the 28-day study, soil leachate was sampled and analyzed for optical properties of DOM via UV/Vis absorbance, as well as concentrations of dissolved organic carbon (DOC), total dissolved nitrogen, and total dissolved phosphorus (TDP). DOM optical properties were particularly sensitive to moisture, with drier scenarios resulting in DOM of lower molecular weight and aromaticity. Warmer temperatures led to lower DOC and TDP concentrations. To consider long-term relationships between climate and lake chemical properties, we analyzed long-term water chemistry data from two additional Wisconsin lakes from the long term ecological research (LTER) project in a cross correlation analysis with Palmer drought severity index data. Analysis of the LTER data supported our experimental results that soil moisture has a significant effect on the quality of DOM entering lakes and that climate may significantly affect lake chemical properties. Although unexpected in terms of DOM loading for climate change scenarios, these results are consistent with patterns of decomposition in organic soils and may be attributed to an increase in soil DOM processing.     

陆地生态系统中水溶性有机物动态及其环境学意义

水溶性有机物(DOM)是陆地生态系统中最活跃的有机碳库,也是土壤圈层与相关圈层进行物质与能量交换的重要表现形式,它对重金属、养分元素和有机污染物的活化、迁移与生态毒性有较大影响,在农业土壤溶液中DOM浓度通常在10～80mgC·L^-1,湿地土壤中多数在25～50mgC·L^-1,与森林土壤剖面淋滤水中的DOM相近,但在某些微域土壤环境(如根际和有机肥施用点附近)中DOM浓度可高达200～1000mgC·L^-1,不同来源的DOM在土壤中的迁移性与降解性明显不同,含低分子量组分或亲水性组分较多的DOM不易被土壤吸持而易被微生物降解,pH值相对较高的土壤(如石灰性土壤)对DOM吸附较弱,但pH较低和含有大量氧化物的土壤(如红壤、赤红壤和砖红壤等)则对DOM的吸附较强,施用石灰、土壤淹水或干湿交替、温度升高等有利于土壤保持较高的DOM浓度,由于DOM-金属配合物的形成,DOM能明显促进土壤重金属活化和向下迁移,而且DOM中低分子量或亲水性组分所占比例越低活化作用越强,同样地,由于DOM具有两亲性质,也能明显提高疏水性有机污染物(如农药和持久难降解有机污染物)的水溶性,增加其对环境污染的风险,特别是含疏水性组分越多的DOM这种作用越强．可以认为,继续加强有关DOM在陆地生态系统中产生与消长规律,特别是DOM及其与污染物的配合物从陆地生态系统向水体迁移的机理及其通量的研究,对合理预测污染物的环境行为和科学地进行环境风险评估有重要意义。     

土地利用变化对花岗岩红壤底土溶解性有机质数量和光谱特征的影响

了解底土溶解性有机质(DOM)的数量和化学结构对土地利用变化的响应,对科学评价区域土壤有机质动态和碳库稳定性具有重要意义。通过选取花岗岩红壤丘陵区同一景观单元的天然林地(常绿阔叶林)以及由此转变而来的杉木人工林、板栗园和坡耕地,采用化学分析结合光谱扫描(紫外光谱、二维荧光光谱和傅里叶变换红外光谱)技术,研究底土(0.2—1 m)和表土(0—0.2 m)DOM数量和结构对土地利用变化的响应差异,结果表明:58%—87%的DOM贮存在底土中。天然林地土壤的DOM数量最为丰富,底土DOM的宏观化学结构比表土更为简单,以碳水化合物、类蛋白为主。天然林转变为其他利用方式后,底土DOM的损失量(26%—41%)超过表土(12%—49%),冬季比夏季更为凸显;这反映底土DOM数量对人为干扰和植被变化的高度敏感性。同时,底土DOM宏观化学结构趋于复杂化,芳香类、烷烃类和烯烃类的化学抗性物质出现积累的现象。DOM光谱曲线形状、特定峰值、特征值对土地利用的响应敏感,对人为干扰后植被、土壤有机质的变化具有生态指示意义。研究显示,天然林地转变为其他利用方式后,不仅导致底土DOM的损失,也显著降低土壤有机质品质,长期上削弱底土的碳库稳定性和碳吸存能力。     

Chemical and seasonal controls on the dynamics of dissolved organic matter in a coniferous old-growth stand in the Pacific Northwest,USA

Soil organic matter (SOM) is the largest terrestrial C pool, and retention and release of dissolved organic matter (DOM) cause formation and loss of SOM. However, we lack information on how different sources of DOM affect its chemical composition, and how DOM chemical composition affects retention. We studied seasonal controls on DOM production and chemical controls on retention in soils of a temperate coniferous forest. The O horizon was not usually the dominant source for dissolved organic C (DOC) or N (DON) as has been reported for other sites. Rather, net production of both DOC and DON was often greater in the shallow mineral soil (0–10 cm) than in the O horizon. DOM production in the shallow mineral soil may be from root exudation as well as turnover of fine roots and microflora in the rhizosphere. In the field, the two acid fractions (hydrophobic and hydrophilic acids) dominated the soil solution at all depths. A major portion of net production and removal of total DOC within the soil column was explained by increases and decreases in these fractions, although a shift in chemical composition of DOM between the O and mineral soil horizons suggested different origins of DOM in these layers. A larger loss of the free amino fraction to deep soil water at this study site than at other sites suggested lower retention of labile DON. Field DOM removal measurements suggest that field-measured parameters may provide a good estimate for total DOM retained in mineral soil.     

超积累植物东南景天根际可溶性有机质对土壤锌吸附解吸的影响

采用盆栽和模拟试验研究了锌超积累植物东南景天根际土壤可溶性有机质(DOM)对土壤锌吸附解吸的影响.结果表明: 采用矿山土壤种植锌超积累植物东南景天后，根际土壤水溶性锌和乙酸铵提取态锌含量显著降低，而非根际土壤有效锌无明显变化.与不种植东南景天的对照土壤相比，根际土壤pH值降低了0.3个单位，有机质和DOM含量分别提高13.6%和20.9%.东南景天根际DOM对土壤锌吸附解吸的影响方式和程度与土壤类型有关.与对照DOM相比，在矿山土、黄筋泥和黄松土中，添加根际DOM使锌的最大吸附量(X_m)分别降低了17.8%、21.9%和27.7%，而非根际DOM对锌的最大吸附量没有影响.在3种供试土壤中添加根际DOM促进了锌的解吸，其中以黄松土最明显.东南景天根际DOM能降低土壤锌吸附容量，减少土壤对锌的吸附，促进吸附态锌的解吸，从而提高了根际锌的生物有效性.