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我国水稻耕作史长达7000年,水稻作为第一大粮食作物,种植面积达到4亿亩左右。水稻土作为我国主要的土地利用方式,是保障我国粮食安全的重要资源,因此研究水稻土壤有机质的积累与周转机制,提升土壤有机质的含量与稳定性,进而提升水稻土壤的肥力变得尤为重要。有研究表明,土壤中矿物-有机复合体的形成是土壤有机质稳定和累积的主要机制之一,其中土壤非晶形纳米(短程有序)矿物因具有巨大的比表面积以及高生物可利用性,其与有机质结合的能力是晶形矿物的6倍,在一定的条件下非晶形纳米矿物-有机质复合体可在土壤中贮存25万年之久。生物质炭是生物质材料在完全或者部分缺氧的条件下热裂解产生的一类固体物质,其表面疏松多孔、比表面积大,同时还具有较高的pH,对于改良土壤质量,提高土壤有机碳的贮存,进而提升土壤肥力具有很高的意义。然而目前为止,在分子水平上,对短程有序矿物调控土壤有机质积累与周转的机制还不明确。本论文以长期施加生物质炭肥料的浙江省农科院嘉兴定点试验站,选取不同施肥处理土壤:对照组(Control)、单施化肥处理(NPK)、生物质炭与化肥配施处理(BCNPK),采用传统的化学分析手法与同步辐射傅里叶变换红外显微成像光谱技术(SR-FTIR)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)、同步辐射X射线近边吸收结构(XANES)等技术相结合,研究施加生物质炭对土壤不同形态矿物,尤其是短程有序矿物含量及形态的影响,同时利用激光共聚焦显微镜技术(CLSM)、扫描电子显微镜(SEM-EDS)以及同步辐射傅里叶变换红外显微成像光谱技术(SR-FTIR)等技术手段进一步深入探讨在微生物介导下,短程有序矿物在生物质炭表面的形成机制。本文的主要研究结果如下:(1)长期定位试验的pH结果表明,NPK处理不仅导致了土壤酸化,还降低了土壤有机质与可溶性有机碳的含量,长期施加生物质炭后,BCNPK处理可以显著提升土壤pH,改善土壤酸化程度,不同处理土壤pH顺序为:2011年历史土样(6.52)>BCNPK(6.07)>Control(5.94)>NPK(5.67)。同时BCNPK处理显著提高 了土壤全氮、全碳、碳氮比、有机质、可溶性有机碳含量,提高了土壤供氮与储碳能力,进而提高了土壤肥力。(2)长期定位试验矿质元素含量结果表明,生物质炭的添加提高了土壤中矿质元素全量与短程有序矿物含量,降低了土壤可溶性矿质元素含量,对照组中的铁、铝、硅含量分别是BCNPK处理的4.0、4.1、4.1倍。各处理土壤有机质与可溶性有机碳含量均与土壤短有序矿物含量呈显著正相关,进一步验证了土壤有机质的储存和周转与短程有序矿物含量相一致。(3)长期定位试验的XPS和XANES结果表明,土壤水分散胶体中碳主要以芳香碳与脂肪碳(Aromatic C/C-C(H))的形式存在,生物质炭的添加改变了土壤水分散胶体表面碳的存在形式,与NPK处理相比,BCNPK处理增加了芳香碳与脂肪碳(Aromatic C/C-C(H))、羧基碳(O-C=O)的百分含量,降低了 土壤醚或醇碳(C-O)、酮或醛碳(C=O)的百分含量。结合XPS与同步辐射XANES分析结果,与NPK处理相比,BCNPK处理中包含了更多的以非晶形水铝英石形态存在的Al、Si以及比表面积大、活性高的无定形纤铁矿。(4)微生物培养实验结果表明,生物质炭与希瓦氏菌连续培养72h后,其相互作用产生胞外聚合物后,在生物质炭表面形成一层生物膜,主要成分包括α-多糖、脂肪、蛋白质、全细胞等,为微生物在生物质炭表面吸附及进一步反应提供了有利的微环境。x射线能谱仪结果显示,希瓦氏菌处理生物质炭表面吸附了更多的铁、铝、硅等矿质元素,形成了 Al-O键、Fe-O键、O-H键和Si-O键,有利于非晶形(短程有序)矿物的形成。综上所述,通过长期定位试验和室内培养试验探究得知,土壤中的矿质元素与土壤有机碳循环之间存在一定的相互调控的作用。生物质炭的添加在提升土壤中短程有序矿物含量的同时,也促进了短程有序矿物对土壤有机碳的保护作用。室内培养实验进一步表明了,在生物质炭表面,矿质元素与微生物共同作用,为短程有序矿物的生成提供了有利的条件。