全球范围内,陆地生态系统有机质（OM）含碳总量高于大气和植被系统的总和,其对全球气候变化和区域环境变化敏感。同时土壤有机碳（SOC）能够固持养分离子而促进植物生长,改善微生物群落结构,控制陆地生态系统污染物迁移,提升土壤地力,保护水体质量。虽然SOC在陆地生态进化过程和人类生产活动中具有重要作用,但目前对于SOC的固存机制的认知仍有一定欠缺。根据SOC的形成和来源,其主要受有机碳组分、矿物组分、微生物活动和土地利用方式等因素影响,所以土壤矿物-植物根系-微生物群落之间共同协作是研究亚微米尺度SOC固存机制的有效思路。土壤亚微米体系中的有机无机复合体具有很强的固碳能力,如微团聚体、土壤水分散胶体、短程有序矿物（SROs）等。SROs等矿物的活性很大程度上决定了土壤微团聚体和水分散胶体体系的固碳能力。施肥是目前广泛使用的农业措施,能够提升土壤肥力,促进作物生长,从而获得更多的粮食或经济价值。而长期施有机肥和化肥会导致土壤亚微米体系中有机无机复合体的物理化学和微生物特征发生不同的变化,这些变化的原因目前尚不清楚。本论文将通过长期定位施肥试验和室内调控实验,结合传统的物理化学方法,同步原位成像技术和同位素示踪方法,在亚微米尺度研究影响土壤SOC固存的各因素以及调控机制。本研究首先分析研究了中国农科院红壤试验站国家红壤肥力与肥料效益监测基地（距今25年）,英国洛桑试验站多年生Park Grass牧草长期定位试验（距今159年）和Broadbalk小麦试验基地（距今172年）的土壤样品。使用同步辐射软X射线近边吸收谱C 1s NEXAFS等方法分析了土壤水分散胶体中有机碳组分,结果发现长期施用有机肥处理（M）能够提升土壤有机质含量。使用FeK边XANES和光电子能谱（XPS）分别分析了土壤水分散胶体中的铁铝矿物的组成和百分比,结果显示M处理中短程有序铁铝矿物（SROs）含量增加,即水铁矿和水铝英石的含量增加。小分子有机酸（柠檬酸）室内培养实验、丛枝菌根真菌（AMF）微宇宙盆栽实验和根系分泌物盆栽实验用于验证有机质的加入对SROs的影响。结果显示:M处理中铁有效性最高,分别是不施肥对照（Control）处理的1.23倍,是施无机肥处理（NPK）的2.25倍。高浓度的柠檬酸（100 mg L-1）与低浓度的柠檬酸（0 mg L-1和10 mg L-1）处理相比,更容易促使铁矿物从针铁矿（晶形）向水铁矿（非晶形）转变。丛枝菌根真菌（AMF）微宇宙盆栽实验和根系分泌物盆栽实验结果表明丛枝菌根真菌（AMF）和根系分泌物可以促进SROs的形成,增加SROs的含量。输入碳源对土壤体系的矿物结构和微生物体系具有重要影响。利用稳定13C同位素标记氨基酸作为新鲜碳源加入到土壤中,通过NanoSIMS等可视化技术追踪13C标记的氨基酸在土壤亚微米体系中的动态周转以及与铁铝矿物之间的赋存状态。结果显示:各施肥处理土壤水分散胶体中12C-,27A1160-和56Fe16O-空间分布具有一定的相关性和异质性。长期施有机无机肥（NPKM）处理的土壤水分散胶体中单位面积同一强度的27Al16O-或者56Fe160-与12C-离子团的比例要高于NPK处理,同时也证明NPKM中的铁铝矿物储存碳的能力要强于NPK处理。通过稳定13C同位素标记实验发现,新施入土壤的有机质会在一定培养时间后吸附在土壤水分散胶体的矿物表面,而且27Al16O-,56Fe16O-分别和 13C-（12C-）之间具有相关性,而 56Fe16O-与 13C-（12C）的相关性要比27A116O-与13C-（12C-）的明显。土壤SOC固存机制主要受到有机碳组分、矿物组分、微生物活动和土地利用方式等因素的影响,所以根据土壤矿物-植物根系-微生物区系之间共同协作的研究思路进一步同步原位构建土壤固碳机制概念模型。首先确定土壤切片中合适的微团聚体颗粒,然后运用电子显微探针（EMPA）-微束X射线荧光（μ-XRF）技术-同步辐射成像红外（SR-FTIR）技术共同表征同一土壤微团聚体颗粒,结果显示微团聚体颗粒中元素分布具有空间异质性。其中碳元素主要集中在微团聚体颗粒边缘或者分布较为分散,而铁铝元素主要集中在微团聚体颗粒内核部分;土壤微团聚体颗粒各特征吸收峰对应的官能团在空间分布上具有较好的相关性和一定的异质性。SR-FTIR结合二维红外（2D-COS）重点分析了 3700-3600 cm-1和1800-800 cm-1两个区域,结果显示该类土壤微团聚体从边缘到内核,随着空间位置的不同,Al-OH、Fe-OH和Si-O结构结合稳定,构成固碳基本结构框架,四类官能团的先后结合顺序一致,分别是 3630 cm-1>3610 cm-1,985 cm-1>898 cm-1。综上,土壤矿物作为固碳机制的关键调控因子具有重要研究价值,本研究通过长期定位施肥试验和室内调控实验的结果构建了长期施肥土壤体系中亚微米尺度相关的理论固碳模型。该模型是土壤矿物在长期施肥处理或者小分子有机酸（实验添加,根系分泌或微生物代谢）调控下,至少通过4种可能的途径调控与改善矿物结构,有机质组分和微生物群落。首先可移动的矿质元素（如铁、铝等）可以作为SROs的形成先驱在土壤亚微米体系移动运转。然后小分子有机酸（实验添加、根系分泌或微生物代谢）可以直接促进相关矿物从晶形状态转化成SROs状态,即土壤生态学中矿物“返老还童”作用。第三是当SROs形成后,小分子有机酸可以通过沉降,协同作用进入到SROs结构中,抑制晶形矿物的生成。最后是部分生物聚合物与土壤颗粒团聚形成微团聚体的过程中能够吸附更多的SROs,阻止其通过淋洗、吸附或者排水等方式流失。值得指出的是,对照Control或者NPK处理的土壤亚微米体系中没有新鲜有机质的加入,减弱上述根系和微生物分泌物的促进作用,最终可能会导致微团聚体的形成受到阻碍,固碳能力减弱,同时也导致土壤整体肥力和质量变低。