土壤是地球上最大、最活跃的陆地生态系统碳库。全球在1米土壤深度水平上蕴含约1505 Pg碳（1 Pg = 1015 g），是全球植被碳库的3倍、大气碳库的2倍。因此，土壤对调节全球碳循环具有重要意义，土壤中微小的碳变化也会导致大气CO2的剧烈波动，引发巨大的环境效应。以往研究多认为“有机碳-矿物相互作用”是有机碳在土壤中固定的主要机制，该观点将土壤的固碳属性完全归结于矿物的表面性质，即固碳量的高低取决于矿物表面的可利用性。然而，最近的研究表明，土壤碳含量与矿物指标之间并无显著相关性，暗示了另一种未被挖掘的、矿物属性之外的机制主导着土壤有机碳的固定过程。深入理解有机碳在土壤矿物界面上的固定机制是实现我国“双碳”目标的重要一环。
近日，华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室黄巧云教授团队依托合肥光源红外谱学和显微成像线站发展的红外显微谱学成像技术，揭示了一种以往被忽视的土壤有机碳固定机制。该研究通过长达400天的同位素培养实验，利用同步辐射红外显微谱学成像技术的化学成像能力，发现土壤有机碳的主要组分是多糖类化合物（C–O，1036 cm−1），土壤铁氧化物（Fe–O，690 cm−1）对多糖物质具有选择性吸附作用，而层状硅酸盐矿物（Clay–OH，3620 cm−1）则优先结合酚类化合物（–OH，3379 cm−1；图1）。进一步地，结合纳米二次离子质谱技术，研究人员发现“新”固定的碳并非附着在空旷的“干净”矿物表面，而是结合在已存在“老”碳的“脏”矿物（有机-无机复合体）表面，表明“有机碳-有机碳相互作用”，而非“有机碳-矿物相互作用”主导土壤有机碳的固定过程。该作用主要由富含多糖的微生物残体所介导，而相比中国北方的黑土，南方红壤因富含铁氧化物而能对多糖物质进行选择性保护，进而促进“有机碳-有机碳相互作用”，提高土壤固碳潜力。
该研究从微观层面揭示了土壤有机碳固定的新途径（图2），为制定合理有效的土壤有机质管理和固碳减排策略提供了新见解。相关成果以“Organo-organic interactions dominantly drive soil organic carbon accrual”为题发表在生态学与环境著名期刊Global Change Biology上。
图1 同步辐射红外显微谱学成像技术揭示有机官能团与不同土壤矿物类型间的关系
图2 土壤有机碳固定的新机制——有机碳-有机碳相互作用
文章链接：https://doi.org/10.1111/gcb.17147
