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化石根系与近现代根系的有机质稳定性研究通过base hydrolysis和THM方法对比分析，发现THM适用于新鲜根系检测且可同时分析木质素衍生物，而base hydrolysis在低有机质化石样本中更具优势，能精准追踪根来源有机质对古环境的影响。
马蒂娜·I·戈克（Martina I. Gocke）|西尔维·德伦内（Sylvie Derenne）|阿诺·于盖（Arnaud Huguet）|克里斯泰尔·安凯蒂尔（Christelle Anquetil）|玛丽-弗朗斯·迪尼亚克（Marie-France Dignac）|科妮莉亚·伦佩尔（Cornelia Rumpel）|吉多·L.B. 维森贝格（Guido L.B. Wiesenberg）
瑞士苏黎世大学地理系
摘要
可水解脂质（包括源自木栓质的单体）已被用于识别和量化土壤中来自根系的有机质（OM）的输入量。两种最常见的分析方法是碱水解和热辅助水解与甲基化（THM），随后通过气相色谱法进行分离，并通过质谱法进行检测。我们比较了这两种方法在研究古代根系中的应用，以评估它们在追踪地下土壤和地质环境中的根系残留物方面的适用性。
我们从中欧的一个黄土-古土壤序列中采集了一个化石根系（来自未知植被的钙化根），同时采集了根际黄土以及无根黄土样本。在去除游离脂质后，一个样本组通过碱水解释放了可水解脂质，另一个样本组则通过在线热辅助水解与甲基化（THM）方法研究了类似的脂质。为了验证结果，我们还在东南欧的一个河流沙层发育的土壤剖面中采集了一个较新的（近期形成的）根系及其根际样本。
两种方法都能检测到根系中的木栓质单体，但在化石样本中，热辅助水解与甲基化方法未能在根际和无根材料中检测到木栓质单体。根据碱水解的结果，我们能够追踪到近期根系和化石根系产生的有机质。在两组样本中，ω-羟基羧酸都存在于根系和根际中，但在无根沉积物中要么不存在，要么含量极低，并且观察到ω-羟基羧酸的链长从根系向无根沉积物逐渐减小的趋势。
我们得出结论，热辅助水解与甲基化方法适用于快速检测和量化活根及近期死亡根系的有机质输入，其优势在于也能检测到木质素衍生的单体。然而，在有机质含量较低的化石样本中，只有碱水解方法能提供有关结合脂质以及特定根系来源有机质组成的有用信息。
引言
根系能够穿透土壤及土壤母质的深层，深度可达数米（Canadell等人，1996年）。未固结的风成或河流沉积物（如黄土、沙丘砂或河流砂）可能会受到深根植物的影响，这些植物会将根系和微生物产生的有机质（OM）纳入其中（Gocke等人，2014a、2016、2017年）。这不仅对陆地沉积物中古环境记录的时间完整性至关重要（因为沉积后根系的侵入可能会引入非沉积期植被产生的较新有机质），也对地下土壤的碳封存作用有影响（因为与深根相关的微生物可能会加速旧有机质的分解，Henneron等人，2022年）。
由于根系和根际沉积物的化学组成及其在土壤基质中的沉积方式，它们比叶片和针叶更易于长期稳定（Rasse等人，2005年）。通常认为地下土壤中的碳更耐降解，但其具体原因仍在讨论中，可能主要受化学性质或物理保护作用的影响（Schmidt等人，2011年；Lin和Simpson，2016年；Henneron等人，2022年）。然而，植物来源碳的稳定性取决于多种因素，如土壤母质（Yu等人，2023年）和环境条件（Castanha等人，2018年）。例如，新鲜有机质的引入（Fontaine等人，2007年）或土壤变暖（Zosso等人，2023年）都可能降低其稳定性。检测深层沉积物中古代根系影响的主要挑战在于有机质含量低，以及根系残留物和根际沉积物的降解或保存状态未知（Riederer等人，1993年；Nierop等人，2003年）。
研究土壤中根系残留物的一个方法是分析木栓质聚合物的片段。木栓质是一种疏水性生物聚合物，存在于所有维管植物的根周皮和内皮以及木本植物的树皮中，它控制着植物根系中水分和溶质的运输（Kolattukudy，1981年；Riederer等人，1993年；Pollard等人，2008年；Li-Beisson等人，2016年）。由于缺乏合适的方法，直接分析木栓质聚合物较为困难，因此通常将其分解为单体进行研究。目前已有两种方法被证明在各种环境中对木栓质分析有效：一种是在热解条件下进行热化学分解（即热辅助水解与甲基化，THM），并与气相色谱法和质谱法结合使用（THM-GC/MS；Challinor，2001年；Nierop等人，2001年），这种方法也常被称为热解-GC/MS（例如del Rio和Hatcher，1998年）；另一种是皂化法，即碱水解后对释放出的单体进行气相色谱法分析（Mendez-Millan等人，2010年）。这些方法释放出的单体可能来自木栓质和角质质单体（Nierop，1998年），而在热辅助水解过程中，木质素和单宁聚合物也可能参与分析化合物的形成（Derenne和Quénéa，2015年）。
THM-GC/MS和碱水解已被用于：i) 研究多种植物的根组织、木本植物的树皮和针叶的组成（Nierop等人，2006年；Altmann等人，2021年；Menager等人，2021年；Burger等人，2024年）；ii) 追踪表土中的植物来源有机质（Otto和Simpson，2006年；Mendez-Milan等人，2010年；Hamer等人，2012年；Mueller等人，2012年；Wang等人，2017年；Brock等人，2019年；Altmann等人，2021年）；以及少数作者在森林地下土壤（Nierop等人，2006年；Andreetta等人，2013年；Zosso等人，2023年）、草地（Feng和Simpson，2007年；Ma等人，2020年）和农田（Mendez-Millan等人，2012年；Burger等人，2024年）中的有机质；iii) 研究土壤中植物来源有机质的降解途径或稳定性（部分结合特定化合物的同位素分析；Feng和Simpson，2007年；Hamer等人，2012年；Barré等人，2018年；Jia等人，2019年；Ofiti等人，2023年）。在陆地非水生环境中，已在化石材料（如石化果实和角质层）中分析了木栓质和角质质单体（Almendros等人，1999年；Sawada等人，2008年）。据我们所知，只有一项研究调查了更新世黄土-古土壤序列中的木栓质含量和组成（Liu和Huang，2008年），且没有一项关于化石材料的研究包含活根或化石根作为木栓质化合物潜在来源的样本。总之，尽管木栓质衍生成分对古环境记录和碳封存非常重要，但它们在沉积层深层地下土壤尤其是地质环境中的贡献和组成仍知之甚少。
因此，本研究旨在：i) 确定是否可以在近期形成的根系和化石根系及其根际中追踪到木栓质；ii) 结合并比较两种常用方法（碱水解和热辅助水解与甲基化）获得的信息，以全面描述古代根际过程的定性和定量特征。为此，我们从中欧晚更新世黄土-古土壤序列（Nussloch）中采集了一个化石钙化根（称为根系化石）以及相应的根际和无根黄土样本。根系化石是极其敏感的环境档案（Becze-Deák等人，1997年），因为根系的钙化可以保存根系和微生物产生的有机质的痕迹（Gocke等人，2013年；Gocke等人，2017年）。根系化石周围的根际范围以及原始沉积记录的潜在影响范围可达到化石根周围数厘米的范围，这一点通过源自微生物的脂质标志物（细菌膜醚脂质；Huguet等人，2013年）或同时包含植物和微生物的脂质（可自由提取的脂质；Gocke等人，2014a）得到证实。相比之下，单独从化石根系中并未检测到根系来源的有机质。为了对比和验证根系化石和黄土的结果，我们还在东南欧河流沙层发育的沙质地下土壤中采集了一个较新的（≤10年）钙化根及其根际样本（Sopron）。两组样本分别通过碱水解和热辅助水解与甲基化方法分析了木栓质单体，以评估这两种方法在相应（古）环境中的适用性。
章节片段
Nussloch
位于德国西南部的Nussloch晚更新世黄土-古土壤序列（北纬49° 18.72′，东经8° 43.38′，海拔217米）在过去几十年中受到了广泛研究（Bibus等人，2007年；Gocke等人，2014b）。该地区的现代土壤（钙质淋溶土；IUSS工作组WRB，2014年；Gocke等人，2014b）以及黄土和古土壤单元已被多代古代和现代植被的根系穿透，其中一些根系在其生长过程中或死后不久就发生了钙化。
有机碳和无机碳浓度
在整个Nussloch的化石根系-沉积物剖面中，根系化石中的有机碳（Corg）和无机碳（Cin）浓度最高，分别为1.3毫克/克（mg g?1和71.4毫克/克（mg g?1
在Sopron地区，
结论
我们首次对年龄数千年的化石钙化根及其相应的根际中的可水解化合物和木质素衍生物进行了分析。在线热辅助水解与质谱法（THM-GC/MS）能够检测到来自木栓质、角质质和木质素的单体，即使在这些样本中的有机碳浓度最低仅为0.5毫克/克。该方法未能揭示沉积物中根系来源有机质的掺入情况。
CRediT作者贡献声明
马蒂娜·I·戈克（Martina I. Gocke）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据分析、概念化。西尔维·德伦内（Sylvie Derenne）：验证、资源获取、方法论。阿诺·于盖（Arnaud Huguet）：撰写——审稿与编辑、验证、资金筹集。克里斯泰尔·安凯蒂尔（Christelle Anquetil）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、数据分析、概念化。玛丽-弗朗斯·迪尼亚克（Marie-France Dignac）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、数据分析。科妮莉亚·伦佩尔（Cornelia Rumpel）：撰写——
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢M. L?scher和G. Kovács（索普隆大学）在Nussloch和Sopron地区提供的当地地质学和土壤学介绍以及野外工作帮助。海德堡水泥公司（HeidelbergCement AG）允许我们使用其位于Nussloch的采石场，对此表示衷心感谢。作者还感谢G. Bardoux（INRA，Grignon）在碱水解实验中的协助，以及Gabriela Santilli do Nascimiento（苏黎世大学）在数据评估方面的帮助。两位匿名评审者的意见也对本文的完善起到了重要作用。
