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全球土壤有机碳储量为大气圈或生物圈碳储量的三倍之多，是陆地生态系统中最大的碳贮蓄库。评估土壤有机碳的固定潜力并且揭示其稳定机制有助于为土壤碳循环的研究提供理论依据。母质作为土壤形成的主要因素之一，在决定土壤物理和化学性质方面发挥了重要作用。石灰岩、第四纪红土、花岗岩、玄武岩和红砂岩是亚热带低丘地区广泛分布的成土母岩，然而这些母质发育的土壤中有机碳的积累、转化和稳定特征及其主要影响机制仍不十分清楚。因此，本研究选择了亚热带低丘地区石灰岩、第四纪红土、花岗岩、玄武岩和红砂岩发育的典型土壤为研究对象，主要从土壤对有机碳的吸附和保存以及土壤团聚体的形成与周转的角度，深入探讨不同母质发育土壤中对有机碳积累和稳定起主导作用的影响因子。取得的主要结果如下：
(1)研究了野外采集的140个两种土地利用方式下(林地和邻近耕作旱地)不同母质发育的表层(0~20cm)土壤有机碳的变化特征，通过线性回归和冗余分析初步明确不同母质发育土壤中影响有机碳保持的关键因素。结果显示，不同母质发育土壤间总有机碳储量差异显著，其中以石灰岩发育土壤中最高，而红砂岩发育土壤中最低。土壤颗粒有机碳(POC)、NaOCl提取态有机碳(AOC)、矿物结合有机碳(MOC)及生物化学稳定有机碳(BROC)的含量同时受土地利用方式和母质的显著(p＜0.05)影响，而水溶性有机碳(WSOC)、微生物量碳(MBC)和易氧化有机碳(ROC)的含量仅受土地利用方式的显著(p＜0.05)影响，AOC、MOC和BROC占土壤总有机碳的比例仅受母质的显著(p＜0.05)影响。石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育林地土壤有机碳储量显著(p＜0.05)高于邻近耕作旱地，而花岗岩和红砂岩发育土壤在林地和旱地两种土地利用方式下有机碳储量无显著性差异，说明土地利用方式对土壤有机碳数量的影响会因为母质的不同存在差异。冗余分析的结果表明土壤团聚体、质地、交换性阳离子及游离氧化铁对不同母质发育土壤有机碳变异的贡献可达67.8%，其中土壤团聚体和质地与各组分有机碳含量的相关性最高。通过分别对每种母质发育土壤的理化性质与有机碳储量、总有机碳含量之间做多元逐步回归分析，结果显示Caex、Mgex和pH是引起石灰岩发育土壤中有机碳变异的重要指标，而土壤pH是花岗岩和红砂岩发育土壤中调控土壤有机碳变化的主要因素。对于第四纪红土和玄武岩发育土壤，有机碳的变化取决于土壤团聚体和氧化铁的共同作用，其中大团聚体的贡献突出。土壤团聚体是引起土壤有机碳储量变异最重要的影响因子。
(2)研究了不同母质发育土壤有机碳矿化对温度的响应及其与土壤有机碳的化学结构和热稳定性的关系。与第四纪红土和玄武岩发育土壤相比，石灰岩和花岗岩发育土壤有机碳易矿化分解，且对于升高温度的响应更明显。与此同时，亚表层(10~20cm)土壤的有机碳的矿化稳定性高于表层(0~10cm)土壤。13C核磁共振技术(13C-NMR)对有机碳的分子结构表征结果显示石灰岩和花岗岩发育土壤烷基碳(0~45ppm)的比例显著(p＜0.05)高于第四纪红土和玄武岩发育土壤，而芳香碳(110~160ppm)的变化趋势与烷基碳相反。利用热重-差示扫描量热同步分析仪(TG-DSC)对土壤进行研究，结果表明石灰岩和花岗岩发育土壤的ED值(能量密度)和Exo1/Exo2比值(第一个放热区间和第二个放热区间失重量的比值)显著(p＜0.05)高于第四纪红土和玄武岩发育土壤，而TG-50值(有机碳分解一半时对应的温度)显著(p＜0.05)低于第四纪红土和玄武岩发育土壤。冗余分析结果指出土壤有机碳的化学分子结构和热分析参数合计解释了土壤有机碳矿化变异量的92.87%，表明土壤有机碳的化学分子结构、热稳定性与生物稳定性之间具有密切关联。在5℃和20℃时土壤有机碳的矿化率主要受土壤有机碳化学分子结构的影响，而在35℃时土壤有机碳的矿化率取决于有机碳与土壤无机矿物颗粒之间的作用强度，说明影响有机碳矿化的主要因素可能会随着温度的变化而改变。在未来全球变暖的背景下，不同母质发育土壤有机碳矿化及其温度敏感性的差异可能会更加明显。
(3)研究了不同母质发育土壤对可溶性有机碳(DOC)的吸附能力及其主要影响因素。土壤吸附DOC的稳定性通过解吸附、化学提取及矿化培养实验进行评价。结果表明相同pH条件下，不同母质发育土壤对DOC的吸附率和最大吸附量由高到低的顺序依次为：玄武岩发育土壤＞第四纪红土发育土壤＞石灰岩发育土壤＞花岗岩发育土壤＞红砂岩发育土壤。土壤对DOC的吸附能力在pH为3.5和4.0时高于pH为7.0时。去除非晶质氧化物和去除游离氧化物显著降低了所有母质发育土壤的吸附能力，最大吸附量(Qmax )的下降幅度分别为19.13%~27.47%和54.60%~69.78%，其中以第四纪红土和玄武岩发育土壤降低幅度最大。去除交换性阳离子后土壤对DOC的最大吸附量较未处理土壤降低了11.74%~43.48%，其中以石灰岩发育土壤下降幅度最大。与此同时，提高溶液中钙离子强度有利于提高所有母质发育土壤的吸附能力。不同母质发育土壤中被吸附DOC的解吸率以红砂岩发育土壤中最高，其次为花岗岩发育土壤，而第四纪红土、玄武岩和石灰岩发育土壤中相对较低。去除游离氧化物会显著(p＜0.05)增加土壤的DOC解吸率，其中以第四纪红土和玄武岩发育土壤中被吸附DOC的解吸率增幅最大。NaOCl可提取态有机碳占被吸附DOC的比例和培养125天累积矿化有机碳占被吸附DOC的比例均以第四纪红土、玄武岩发育土壤中最低，其次为石灰岩发育土壤。由此可见，第四纪红土、玄武岩和石灰岩发育土壤吸附的DOC的化学稳定性和生物稳定性较高。相关性分析和吸附试验结果均表明第四纪红土和玄武岩发育土壤中高氧化物含量是决定其有机碳稳定性的关键因素；而石灰岩发育土壤有机碳稳定性较高主要与土壤中含有较大多的交换性钙等阳离子有关。
(4)研究了添加有机物料(玉米秸秆)培养7天和184天后不同母质发育土壤团聚体和各组分有机碳的变化，分析了影响不同母质发育土壤有机碳矿化的主要因素。结果表明：不添加外源有机物料时，石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤以1~0.5、0.5~0.25和＜0.25mm粒级团聚体为主，而花岗岩和红砂岩发育土壤以＜0.25mm粒级团聚体为主。添加有机物料促进了＞2mm和2~1mm粒级团聚体的形成，且第四纪红土和玄武岩发育土壤中这两个粒级大团聚体对于外源有机物料的响应更为明显。石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤大团聚体的稳定性高于花岗岩和红砂岩发育土壤。此外，添加有机物料培养184天后，石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤有机碳的矿化率显著(p＜0.05)低于花岗岩和红砂岩发育土壤。相关性分析表明，土壤有机碳的累积矿化率与游离态有机碳占土壤总有机碳的比例极显著(p＜0.01)正相关，而与＞0.25mm团聚体有机碳占土壤总有机碳的比例极显著(p＜0.01)负相关。利用13C-NMR技术对土壤有机碳化学分子结构分析表明，石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤中游离态轻组有机碳和团聚体保护轻组有机碳的烷基碳/烷氧碳比值及芳化度均低于花岗岩和红砂岩发育土壤，说明了石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤中有机碳的分解程度低于花岗岩和红砂岩发育土壤。石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤中团聚体稳定性高且对有机碳的保护容量大，有利于有机碳的积累和稳定。
以上结果表明，第四纪红土和玄武岩发育土壤中有机碳积累能力及稳定性较高，与氧化物对可溶性有机碳的吸附和稳定以及氧化物-有机质-粘粒三者相互作用形成稳定团聚体减缓了土壤有机碳的矿化分解有关。石灰岩发育土壤中稳定态有机碳组分的积累优势明显，主要与其在土壤矿物表面形成多价阳离子与有机碳的阳离子桥，促进了土壤水稳性大团聚体的形成有关。而花岗岩和红砂岩发育土壤，因缺乏氧化物和粘粒颗粒，其团聚体稳定性较弱，土壤有机碳的矿化稳定性低，对有机碳保持和积累能力有限。
(1)研究了野外采集的140个两种土地利用方式下(林地和邻近耕作旱地)不同母质发育的表层(0~20cm)土壤有机碳的变化特征，通过线性回归和冗余分析初步明确不同母质发育土壤中影响有机碳保持的关键因素。结果显示，不同母质发育土壤间总有机碳储量差异显著，其中以石灰岩发育土壤中最高，而红砂岩发育土壤中最低。土壤颗粒有机碳(POC)、NaOCl提取态有机碳(AOC)、矿物结合有机碳(MOC)及生物化学稳定有机碳(BROC)的含量同时受土地利用方式和母质的显著(p＜0.05)影响，而水溶性有机碳(WSOC)、微生物量碳(MBC)和易氧化有机碳(ROC)的含量仅受土地利用方式的显著(p＜0.05)影响，AOC、MOC和BROC占土壤总有机碳的比例仅受母质的显著(p＜0.05)影响。石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育林地土壤有机碳储量显著(p＜0.05)高于邻近耕作旱地，而花岗岩和红砂岩发育土壤在林地和旱地两种土地利用方式下有机碳储量无显著性差异，说明土地利用方式对土壤有机碳数量的影响会因为母质的不同存在差异。冗余分析的结果表明土壤团聚体、质地、交换性阳离子及游离氧化铁对不同母质发育土壤有机碳变异的贡献可达67.8%，其中土壤团聚体和质地与各组分有机碳含量的相关性最高。通过分别对每种母质发育土壤的理化性质与有机碳储量、总有机碳含量之间做多元逐步回归分析，结果显示Caex、Mgex和pH是引起石灰岩发育土壤中有机碳变异的重要指标，而土壤pH是花岗岩和红砂岩发育土壤中调控土壤有机碳变化的主要因素。对于第四纪红土和玄武岩发育土壤，有机碳的变化取决于土壤团聚体和氧化铁的共同作用，其中大团聚体的贡献突出。土壤团聚体是引起土壤有机碳储量变异最重要的影响因子。
(2)研究了不同母质发育土壤有机碳矿化对温度的响应及其与土壤有机碳的化学结构和热稳定性的关系。与第四纪红土和玄武岩发育土壤相比，石灰岩和花岗岩发育土壤有机碳易矿化分解，且对于升高温度的响应更明显。与此同时，亚表层(10~20cm)土壤的有机碳的矿化稳定性高于表层(0~10cm)土壤。13C核磁共振技术(13C-NMR)对有机碳的分子结构表征结果显示石灰岩和花岗岩发育土壤烷基碳(0~45ppm)的比例显著(p＜0.05)高于第四纪红土和玄武岩发育土壤，而芳香碳(110~160ppm)的变化趋势与烷基碳相反。利用热重-差示扫描量热同步分析仪(TG-DSC)对土壤进行研究，结果表明石灰岩和花岗岩发育土壤的ED值(能量密度)和Exo1/Exo2比值(第一个放热区间和第二个放热区间失重量的比值)显著(p＜0.05)高于第四纪红土和玄武岩发育土壤，而TG-50值(有机碳分解一半时对应的温度)显著(p＜0.05)低于第四纪红土和玄武岩发育土壤。冗余分析结果指出土壤有机碳的化学分子结构和热分析参数合计解释了土壤有机碳矿化变异量的92.87%，表明土壤有机碳的化学分子结构、热稳定性与生物稳定性之间具有密切关联。在5℃和20℃时土壤有机碳的矿化率主要受土壤有机碳化学分子结构的影响，而在35℃时土壤有机碳的矿化率取决于有机碳与土壤无机矿物颗粒之间的作用强度，说明影响有机碳矿化的主要因素可能会随着温度的变化而改变。在未来全球变暖的背景下，不同母质发育土壤有机碳矿化及其温度敏感性的差异可能会更加明显。
(3)研究了不同母质发育土壤对可溶性有机碳(DOC)的吸附能力及其主要影响因素。土壤吸附DOC的稳定性通过解吸附、化学提取及矿化培养实验进行评价。结果表明相同pH条件下，不同母质发育土壤对DOC的吸附率和最大吸附量由高到低的顺序依次为：玄武岩发育土壤＞第四纪红土发育土壤＞石灰岩发育土壤＞花岗岩发育土壤＞红砂岩发育土壤。土壤对DOC的吸附能力在pH为3.5和4.0时高于pH为7.0时。去除非晶质氧化物和去除游离氧化物显著降低了所有母质发育土壤的吸附能力，最大吸附量(Qmax )的下降幅度分别为19.13%~27.47%和54.60%~69.78%，其中以第四纪红土和玄武岩发育土壤降低幅度最大。去除交换性阳离子后土壤对DOC的最大吸附量较未处理土壤降低了11.74%~43.48%，其中以石灰岩发育土壤下降幅度最大。与此同时，提高溶液中钙离子强度有利于提高所有母质发育土壤的吸附能力。不同母质发育土壤中被吸附DOC的解吸率以红砂岩发育土壤中最高，其次为花岗岩发育土壤，而第四纪红土、玄武岩和石灰岩发育土壤中相对较低。去除游离氧化物会显著(p＜0.05)增加土壤的DOC解吸率，其中以第四纪红土和玄武岩发育土壤中被吸附DOC的解吸率增幅最大。NaOCl可提取态有机碳占被吸附DOC的比例和培养125天累积矿化有机碳占被吸附DOC的比例均以第四纪红土、玄武岩发育土壤中最低，其次为石灰岩发育土壤。由此可见，第四纪红土、玄武岩和石灰岩发育土壤吸附的DOC的化学稳定性和生物稳定性较高。相关性分析和吸附试验结果均表明第四纪红土和玄武岩发育土壤中高氧化物含量是决定其有机碳稳定性的关键因素；而石灰岩发育土壤有机碳稳定性较高主要与土壤中含有较大多的交换性钙等阳离子有关。
(4)研究了添加有机物料(玉米秸秆)培养7天和184天后不同母质发育土壤团聚体和各组分有机碳的变化，分析了影响不同母质发育土壤有机碳矿化的主要因素。结果表明：不添加外源有机物料时，石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤以1~0.5、0.5~0.25和＜0.25mm粒级团聚体为主，而花岗岩和红砂岩发育土壤以＜0.25mm粒级团聚体为主。添加有机物料促进了＞2mm和2~1mm粒级团聚体的形成，且第四纪红土和玄武岩发育土壤中这两个粒级大团聚体对于外源有机物料的响应更为明显。石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤大团聚体的稳定性高于花岗岩和红砂岩发育土壤。此外，添加有机物料培养184天后，石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤有机碳的矿化率显著(p＜0.05)低于花岗岩和红砂岩发育土壤。相关性分析表明，土壤有机碳的累积矿化率与游离态有机碳占土壤总有机碳的比例极显著(p＜0.01)正相关，而与＞0.25mm团聚体有机碳占土壤总有机碳的比例极显著(p＜0.01)负相关。利用13C-NMR技术对土壤有机碳化学分子结构分析表明，石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤中游离态轻组有机碳和团聚体保护轻组有机碳的烷基碳/烷氧碳比值及芳化度均低于花岗岩和红砂岩发育土壤，说明了石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤中有机碳的分解程度低于花岗岩和红砂岩发育土壤。石灰岩、第四纪红土和玄武岩发育土壤中团聚体稳定性高且对有机碳的保护容量大，有利于有机碳的积累和稳定。
以上结果表明，第四纪红土和玄武岩发育土壤中有机碳积累能力及稳定性较高，与氧化物对可溶性有机碳的吸附和稳定以及氧化物-有机质-粘粒三者相互作用形成稳定团聚体减缓了土壤有机碳的矿化分解有关。石灰岩发育土壤中稳定态有机碳组分的积累优势明显，主要与其在土壤矿物表面形成多价阳离子与有机碳的阳离子桥，促进了土壤水稳性大团聚体的形成有关。而花岗岩和红砂岩发育土壤，因缺乏氧化物和粘粒颗粒，其团聚体稳定性较弱，土壤有机碳的矿化稳定性低，对有机碳保持和积累能力有限。