土壤溶解性有机质(DOM)参与了众多的生物地球化学过程,包括吸附解吸,氧化还原反应以及微生物新陈代谢活动等。DOM由成千上万的有机分子组成,其分子组成具有高度的多样性。土壤DOM分子多样性和化学特性受到环境条件的影响,如气候条件、土壤性质以及土壤组分(如土壤矿物和微生物)等,阐明环境条件对土壤DOM分子多样性和特性的影响有助于预测环境中的碳循环以及污染物的环境行为。本研究的主要目的包括以下两个方面:(1)在宏观大尺度下,从定量层次阐明关键环境因子对土壤DOM分子多样性和反应特性的影响;(2)在微观尺度下,揭示土壤DOM分子在矿物上的吸附分馏对DOM分子组成和特性的影响机制。主要研究成果具体如下:(1)从来自全国各地土壤样品中提取DOM,利用傅立叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR-MS)、紫外和荧光光谱、铜(Cu)滴定以及统计模型全面探究了气候条件和土壤特性对DOM的分子多样性以及Cu络合能力的影响。我们的结果表明,尽管土壤DOM样品组成具有高度的非均质性且环境影响因素复杂多样,土壤干旱度和粘粒含量是控制DOM分子多样性的两个关键的气候和土壤变量。其中,土壤干旱度主要影响土壤微生物功能,从而改变DOM中微生物和植物来源的组分;而土壤粘土能够选择性吸附芳香性有机分子(矿物分馏),也可维持土壤含水量,从而影响DOM分子组成。对土壤DOM分子与典型环境因子之间的相关性分析表明,除了气候和土壤矿物外,DOM的分子属性(比如O/C比例)也影响土壤溶液中芳香性分子的积累。另外,气候因素可通过影响土壤矿物的风化过程来影响土壤活性矿物的含量(如Fe和Al氧化物),而活性矿物可通过矿物分馏来改变DOM的分子组成和特性。总的来说,本研究发现土壤DOM分子多样性不仅受自身化学特性的影响,而且与环境因素密切相关。以上结果可望将来被用于发展大尺度土壤生物地球化学模型,从而准确预测土壤中的碳循环和重金属环境行为。(2)利用双球差校正扫描透射电子显微镜(Cs-STEM)和FT-ICR-MS分别在亚纳米尺度和分子层次上研究了DOM在水铝英石上的空间分布和DOM分子吸附分馏机制,同时利用Cu滴定实验和WHAM VII模型阐明了DOM在水铝英石上的吸附分馏对DOM与Cu络合能力的影响。Cs-STEM结果显示C主要吸附在水铝英石团聚体之间孔隙的边缘,同时部分DOM分子团聚在小孔隙中;在亚纳米尺度下,Cs-STEM的线扫结果进一步显示DOM分子能够进入到微小的水铝英石颗粒/团聚体的内部。FT-ICR-MS的分析表明高芳香性、高含氧量及高羧基含量的DOM分子被水铝英石优先吸附,因此,DOM在水铝英石上的吸附分馏可能主要受水铝英石与DOM酸性官能基团之间的配体交换反应所控制。此外,Cu滴定和WHAM VII模型计算的结果也显示水铝英石通过选择性地吸附DOM中羧基含量高的分子,从而降低DOM与Cu的络合能力。以上结果将提高我们对土壤矿物与有机质相互作用及其影响的认识。(3)利用荧光光谱、红外光谱结合二维相关分析阐明了腐殖质酸(HA)在水铁矿上的吸附对HA与重金属(Cd,Cu,Ni,Pb,Zn)络合特性的影响。二维荧光相关分析的结果表明吸附分馏显著降低了类腐殖酸荧光组分对重金属的敏感性,这主要是由于水铁矿优先吸附类腐殖酸组分;然而,吸附分馏未改变荧光组分与重金属络合的先后顺序。另外,二维红外相关分析的结果表明,除了重金属Pb,吸附分馏减弱了羧基(COO~-)基团对重金属的敏感性,同时改变了多糖C-O基团和芳基与重金属反应的先后顺序。最后,模型计算的结果表明HA在水铁矿上的吸附分馏降低了类腐殖酸和类富里酸与重金属的络合能力。总的来说,在矿物分馏过程中,水铁矿选择性吸附了一部分具有较强金属络合能力的HA组分。以上结果有助于预测在矿物与有机质相互作用影响下的重金属环境行为。