基于传统的整体土壤分析方法，大量影响土壤有机质循环的生物地球化学因素逐渐被认识。然而，土壤有机质生物地球化学循环的认识还没有形成共识，对于有机质周转和稳定机制的认识还呈现碎片化特征。特别是物理、化学和生物学过程如何相互作用来调控土壤有机质稳定性一直充满争议。本文提出从微观生态过程角度，以过程为导向来解析土壤有机质循环的思路。借助于微流控技术平台，首次发展了适合于微观尺度下模拟土壤物理、化学和生物学过程的土壤芯片技术。通过探索微尺度土壤界面上物理、化学和生物学过程对有机质分布和转化的影响，系统认识土壤有机质循环的微观特征，这将有助于整合当前土壤有机碳循环研究，形成以过程为导向的有机质循环理论共识。主要研究结果如下:　　(1)采用微流控技术，构建了直径为800岬的亲水圆形点阵用于土壤悬浊液液滴蒸发观察。采用荧光素和能表达荧光蛋白的大肠杆菌(E.Coli.)为有机物和微生物模型，可视化的研究了典型矿物（针铁矿，蒙脱石和高岭石）和真实土壤介质中，水分蒸发对有机物和微生物空间分布的影响。结果表明，有机质在针铁矿中呈现咖啡环式的边缘分布，而微生物则被固定在界面上无迁移;在蒙脱石中，有机质和微生物都被包裹在矿物介质内部;高岭石中有机质除了咖啡环式分布外，还存在局部浓缩的异质性亮点分布特征，而微生物则存在显著的咖啡环式分布。通过调控针铁矿和蒙脱石的混合比例，可控地展示了有机质从咖啡环式分布逐步变成异质性亮点分布，最后荧光消失的分布特点，证明了微界面异质性是形成有机质浓缩热点的主要原因。在真实土壤介质中，荧光素呈现显著的异质性亮点分布特征，而且随着蒸发点阵直径的增加，荧光素亮点逐渐增多和增强。而微生物在蒸发过程中，呈现较弱的咖啡环式分布和较少的亮点分布。有机质和微生物在土壤介质中分布差异显著直观地证明了有机质的物理阻隔保护机制，这对于理解在干旱半干旱地区土壤中有机质的特征和稳定性具有重要的启示。　　(2)构建了直径为800μm的矿物阵列芯片，结合微流控技术，可视化研究了E.Coli.在不同矿物表面的附着、生长和趋化性特征。结果表明，离子浓度和pH等溶液化学条件显著地影响微生物在矿物表面的附着;与高岭石(96％)和蒙脱石(94％)相比和，微生物在针铁矿表面的存活率仅为43％。LB培养液培养13小时后，微生物在蒙脱石表面生长最多，其次是高岭石，在针铁矿上最少，这主要与致死效应有关。通过营养物质在微通道中扩散过程形成了养分梯度，并研究了大肠杆菌的趋化性特征。结果发现微生物趋化性特征不仅与营养物质的浓度梯度有关，还受矿物界面性质控制，微生物在针铁矿表面的生长量显著减少。　　(3)以黑土和红壤为试验材料制作了直径为800μm的土壤阵列芯片，发展了土壤生物地球化学界面(BGI)的研究方法。联合X-射线光电子能谱，追踪了BGI的形成过程和有机质分子转化特征;模拟土壤施肥过程，探索了铵态氮肥对红壤BGI性质的影响。结果显示，水分含量、生物化学过程和矿物特征对特异性BGI形成有显著影响。其中，微生物介导的有机质转化过程显著改变了BGI有机质的含量和分子组成特征。根据BGI上碳氮的含量和结合能信息，首次定量地模拟了黑土和红壤BGI上主要有机分子（蛋白质，多糖，脂肪烃）的动态变化规律。揭示施用氮肥显著促进了红壤BGI多糖类物质的合成过程，进而增加BGI有机碳含量。不论是不同土壤还是氮肥处理的BGI，在培养后期都出现了多糖类组分显著累积的现象，可能是养分可利用性耗尽后微生物的适应过程。　　(4)在土壤芯片基础上，探索了黑土微生态系统中有机质转化过程。结合氩离子团簇刻蚀技术，展示了黑土BGI垂直结构形成过程。结果发现，21天培养后，在BGI上有机质具有显著垂直异质性特征，其表层糖类物质相对富集，而内层蛋白质和脂肪烃类物质比例较多。采用多次离子刻蚀（1300秒），评价了BGI上有机无机复合物的含量。结果显示，21天形成的BGI上至少有52％的有机质为有机无机复合物。100秒刻蚀处理后BGI有机碳含量从15％下降到7.4％。进一步刻蚀（600秒）结果证明，内层有机碳(7.4％)中至少有19％是在培养期间累积的。与此同时，我们监测了溶液养分可利用性特征。三维荧光光谱和紫外光谱数据显示，21天培养后，溶液中有机质的可利用性下降，同时，碳氮相关的微生物胞外酶活性显著增加，说明碳氮养分的缺乏。基于以上试验结果，我们提出了固液耦合的有机质稳定性的微生态学机制:微生物过程及其代谢产物与矿物表面相互作用在BGI上形成了异质性有机质层，其内层有机质对胞外酶形成物理阻隔效应，有利于有机质的保存;同时固相有机质层还储存了大量的碳氮磷等养分，限制了溶液中养分的可利用性，进而抑制了微生物代谢活性，进一步促进了有机质在微生态系统中的稳定性。