植物残体碳生物标志物检测

一、背景介绍

植物残体、根系和分泌物是土壤有机碳的主要来源，它们的主要成分为糖类、脂质、木质素和蛋白质。 其中糖类和蛋白质是土壤微生物非常好的能源物质，很快被微生物所分解，很难辨认；而一些难分解的生物大分子（如脂类化合物、木质素和单宁等）却被保留在土壤当中，这些难分解的生物大分子具有植物特有的分子结构特征，因而被称为生物标志物，可以用于推断不同土壤有机碳的来源及其分解与转化过程。

角质素＆软木脂

在植物中，较难分解的是脂类物质，其中角质素和软木脂都是植物组织中较难分解的生物大分子。植物叶片角质层的主要成分是角质素，角质素可以保持植物自身水分并保护植物叶片不受外界侵袭，主要由烷酸组成，还包括中链羟基烃酸和 C16 单/双羟基酸，并含有中长链取代酸。软木脂化合物主要来自于植物的根系和树皮，主要由脂肪族化合物、长链 羟基烃酸（链长度≧C20）以及多酚类化合物组成。其中，C16 和 C18 中链羟基或环氧基被定义为角质层生物标志物，C16、C18ω-羟基烷酸和 α、ω-烷二酸是角质层和软木脂（∑SvC）的生物标志物，而长链 α、ω-烷二酸和 ω-羟基烷酸则被定义为软木脂生物标志物。角质素主要来源于植物叶片，软木脂主要来源于植物根系，角质素和软木脂类物质因含有特殊的化学结构，从而在土壤中很难被分解和矿化。因此，这两种脂类物质成为土壤有机碳库中非常重要的生物标志物，通过分析这些生物标志物在土壤中的相对丰度，能够有助于理清来源于植物叶片和根系有机质的输入情况。

二、木质素酚（土壤中植物来源的碳组分）

木质素作为陆地生态系统中最丰富的植物来源芳香族化合物，通常以植物残体的形式进入土壤而富集,以其分子结构复杂、难分解等特征被认为是土壤有机碳的重要组成部分，其组成和结构特征关乎土壤有机碳的碳 库稳定和周转速率，因此准确定量测量土壤木质素的含量和组成，能够为深入研究陆地生态系统碳循环提供技术支持。

分子标志物的方法是目前用于测定土壤木质素含量和组成较为普遍的方法，其基本原理是在高温和碱性条件下通过氧化铜催化水解土壤木质素使其形成 4 类单环酚类单体，主要包括香草基 (V)、丁香基( S)和肉桂基(C)的醛、酮和酸侧链的酚类单体，其中V 类单体由香草醛、香草酮和香草酸组成，S 类单体由丁香醛、丁香酮和丁香酸组成，而 C 类单体则包括对-香豆酸和阿魏酸，并且用 V、S 和 C 三类单体的总和来标示土壤木质素的含 量,并且根据不同单体的分配比可以追溯土壤木质素的来源及分解状态。

木质素酚单体检测指标（11种）

二、植物性碳脂类化合物

1）游离脂（solvent extractable lipids）的提取

取12 g 土壤样品和 1-5 g 植物样品，首先加入重蒸水超声处理 15 分钟溶解土壤和植物样品中的水溶性极性化合物，然后离心，收集上层清夜，再重复1 次处理过程。将离心后的土壤与植物剩余物进行冷冻干燥去除残余水分。干燥后的土壤与植物剩余物分别用 30 ml 二氯甲烷溶液、二氯甲烷/甲醇混合溶液（1：1，v/v）和甲醇溶液超声提取 15 分钟 3 次，离心，合并所有提取的溶液用玻璃纤维滤膜（Whatman GF/A）过滤。过滤后的溶液通过旋转蒸发进行浓缩后，移入 2 ml 玻璃瓶中并在氮气下吹干（25 ℃）。吹干后的剩余物质即为提取的游离脂，称重（差量法）后，用气相色谱-质谱联用仪（GC/MS）进行定性和定量测定。提取游离脂后的剩余土壤和植物样品风干后储存在-20 ℃冰箱中供碱水解，提取酯结合的脂类物质。

2）酯结合的脂类物质的提取（碱水解法）

称取一定量的第一步剩余的土壤或和植物样品，将提取游离脂后的剩余土壤和植物样品放入 1 M 甲醇化氢氧化钾溶液中，循环加热回流 3 小时（温度 70 ℃），待冷却后，离心（30min/2500 r）取上清液，然后储存在 4 ℃冰箱中。剩余土壤和植物样品中再加入二氯甲烷/甲醇混合溶液（1∶1，v/v），超声波提取两次并离心，两次的液体过滤后与上一步滤液合并。使用 6 mol/l 的稀盐酸将所得滤液的 pH 调至 1.0，使用旋转蒸发仪去除有机溶剂后，加入50 ml的去离子水，然后再加入二氯甲烷进行萃取，这样就分离出酯结合的脂类物质。分离后的二氯甲烷中再加入无水硫酸钠去除水分，旋转蒸发进行超浓缩后，转移到 2 ml 玻璃瓶中，在N2 下吹干，称重，吹干后的剩余物质即为提取的结合脂。

3）气相色谱-质谱联用仪（GC/MS）分析 检测仪器：TRACE 1600-ISQ7610气质联用仪 （GC-MS）

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