基于固态13c核磁共振波谱研究植物残体

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1、土壤(Soils),2017,49(4):658–664DOI:10.13758/j.cnki.tr.2017.04.00313基于固态C核磁共振波谱研究植物残体①分解和转化机制的进展1,211*李昌明，王晓玥，孙波(1土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京210008；2中国科学院大学，北京100049)摘要：植物残体在土壤中的分解和转化影响了其养分归还和有机质形成过程。由于缺乏高分辨率的分析方法，对不同气候、植被和土壤类型条件下植物残体在分解过程中化学结构组成的演变特征和机制仍不清楚。核磁共振波谱1313技术在解析自然有机物化学组成方

2、面具有独特的优势，本文综述了基于固态C核磁共振波谱(solid-stateC-NMRspectroscopy)技术评价植物残体的基质质量、解析植物残体的分解速率及其官能团组成的变化特征、揭示土壤腐殖质特性等方面的主要进展。未来针对植物残体分解和有机质形成机制的研究，应该结合稳定性同位素质谱和扫描电镜分析方法，综合分析植物残体中的有机化合物组成和物理结构；从多时空尺度揭示不同类型植物残体中有机碳官能团的降解路径；结合高通量测序和基因芯片分析方法，深入研究土壤微生物群落与植物残体化学结构的协同演变机制，提出不同气候–土壤–植被类型区促进土壤有机质形成的调控措施。关键词：核

3、磁共振波谱；植物残体；分解；有机碳官能团；土壤有机质中图分类号：154；Q958文献标识码：A[1]土壤有机质是陆地生态系统的重要碳库，也是1核磁共振技术的理论基础[2]土壤肥力的基础，而植物残体是土壤有机质的重要[3]核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMR)是来源。植物吸收土壤养分，通过光合作用合成有机指自旋的原子核在磁场中吸收一定频率的电磁波而物，部分光合产物最终以凋落物和根茬形式进入土壤产生的能级跃迁的现象。原子质量数为奇数的原子分解，这一过程是土壤养分元素归还以及腐殖质形成11331[4]具有自旋特性，被称为磁性核，如H、C、P和的

4、主要途径，也是养分元素生物地球化学循环的关15N。当自旋的原子核放入外加磁场时，其原子核偶键环节。以往针对不同气候、植被和土壤类型条件下极子产生与外加磁场方向相同的低能态(顺磁)或相的植物残体分解开展了大量研究，但主要集中在分解[5-10]反的高能态(逆磁)两种趋向，在通过外加电磁波诱速率及其影响因素方面，对于其化学结构特征和[11-12]13导原子核从原来的顺磁(低能态)变为逆磁(高能态)组成变化规律仍不清楚。固态C核磁共振波谱13的过程中，原子核会吸收能量从低能级跃迁至高能(solid-stateC-NMRspectroscopy)具有同时定性、定级，即核磁共振现

5、象。通常原子核周围均包含有电量分析有机物质化学组成的优势，已经广泛应用于研子云，它对原子本身磁场接受外加磁场具有一定的究天然有机化合物的结构特征，近十年来才开始应用屏蔽作用，使得原子核对电磁波的吸收峰相对于原于研究植物残体的分解机制。本文综述了基于固态13子核基准物质发生偏移。这种相对于基准物质的偏C核磁共振波谱评价植物残体基质质量、研究植物离程度便是出峰位置，也即化学位移，一般用表残体官能团的组成变化和分解速率、解析植物残体分13示，单位是ppm。C-NMR的位移范围一般为0~250解进入土壤腐殖质路径等方面的进展，以期为陆地生13ppm。不同类型官能团结构中，由

6、于C(C的自然态系统碳循环过程模拟提供参数支撑，为建立合理的13丰度约为1.01%，可指示或代表总碳，即C视为农田秸秆还田措施和土壤有机质培育措施提供理论总碳的标记物)所处的化学环境不同，其周围电子云基础。①基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFD0200300)和国家自然科学基金项目(41271258)资助。*通讯作者(bsun@issas.ac.cn)作者简介：李昌明(1987—)，男，甘肃兰州人，博士研究生，主要从事土壤生态学方面的研究。E–mail：cmli@issas.ac.cnhttp://soils.issas.ac.cn13第4期李昌明等：基于固

7、态C核磁共振波谱研究植物残体分解和转化机制的进展65913的密度不同，所产生的屏蔽作用也不同，因此产生(表1)。此外，由于C原子所吸收的电磁波能量会的化学位移也存在差异。反之则可根据不同位移值随原子核数量的增多(浓度高)而正比例变强，即峰13判别C所处的化学环境，即官能团的种类。面积呈正比例增大，因此核磁共振光谱技术不仅能13C-NMR核磁共振波谱通常可以解析4大类官能给出有机化合物化学结构的定性结果，还能够通过[13-14]团，这些官能团指征特定种类的生物大分子化合物计算得到其官能团的半定量信息。13[18,35,67]表1C固态核磁共振波谱分析的