Modelling the transformation of organic materials in soil with nuclear magnetic resonance spectra
Authors: Pansu M. , Thuriès L.J.‐M. , Soares V. F. , Simões M. L. , Martin Neto L. 
Published: January 2017

Changes in the carbon (C) and nitrogen (N) compartments that result from the addition of organic material (OM) to the soil are predicted by the transformation of added OM (TAO) model with three parameters: very labile (P′L) and stable (PS) fractions of the OM and the rate of remineralization (kremin) of nitrogen immobilized by microorganisms. We propose relations between P′L, PS, kremin and various chemical groups in the OM identified by their 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectra. The aromatic content increased the predicted PS in accordance with published results. The O‐aromatic content also increased PS, but much less so than the aromatic content. The carboxyl content decreased PS and increased P′L as in the TAO model based on infrared spectrometry. The carbonyl content decreased P′L, whereas di‐O‐alkyl increased P′L. The chemical composition of the population of decomposer organisms did not appear to be homeostatic, but was related rather to the composition of the substrate: kremin was positively correlated with the carboxyl and di‐O‐alkyl content and negatively correlated with the alkyl content. Solid state 13C NMR spectroscopy gave better predictions of the transformations that resulted from adding OM than biochemical fractionation and near infrared reflectance spectrometry (NIRS). It is fast and non‐destructive and provides new insights into the processes that control decomposition for research into waste recycling, agro‐ecology and climate change.

Highlights

Linking decomposition of organic materials in soil to NMR measurements.

First mathematical model of decomposition based on NMR spectra.

Stability of the OM depends on the chemical groups and the inorganic N supply.

NMR is a promising tool for monitoring ecosystem changes and soil–air exchanges.

Résumé

Les transformations des compartiments carbone (C) et azote (N) résultant de l'addition de matériaux organiques (MO) au sol sont prédites par le modèle Transformation des Apports Organiques (TAO) utilisant trois paramètres: fractions très labile (P'′L) et stable (PS) de MO et taux de reminéralisation de N immobilisé par les microorganismes (kremin). Nous proposons des relations liant P'L, PS et kremin à plusieurs groupes chimiques identifiés par les spectres de résonance magnétique nucléaire (RMN) 13C des MO. Le contenu aromatique accroit la prédiction de PS en accord avec les données publiées. Le contenu O‐aromatique augmente aussi PS mais beaucoup moins que le groupe aromatique. Le contenu carboxyle diminue PS et augmente P'L en accord avec de précédentes prédictions par spectrométrie proche infrarouge (SPIR). Le contenu carbonyle diminue P'L alors que di‐O‐alkyle augmente P'L. La composition des organismes décomposeurs n'apparaît pas homéostatique mais reliée à la composition de leur substrat : kremin est lié positivement aux contenus carboxyl et di‐Oalkyl de la MO et négativement à son contenu alkyl. La spectrométrie RMN 13C de l'état solide prédit mieux les transformations liées à l'addition de MO que la mesure des fibres et la SPIR. C'est une méthode rapide et non destructive qui améliore la connaissance des processus contrôlant la décomposition dans les domaines du recyclage des déchets, de l'agro écologie et du changement climatique.

Points clé

Liaison entre décomposition des matériaux organiques dans le sol et mesures RMN.

Premier modèle mathématique de décomposition basé sur les spectres RMN.

Stabilité des MO liée à leurs groupes chimiques et leur fourniture azote inorganique.

RMN, un outil prometteur pour piloter l'évolution des écosystèmes et les échanges sol/air.