研究进展 | Nature Reviews Earth & Environment: 朱永官院士团队提出土壤矿物碳泵概念

中英科学家联合提出土壤矿物碳泵（MnCP）概念

微生物和矿物质都对土壤有机碳的保存和积累做出了贡献。土壤微生物碳泵强调了了微生物过程，但土壤矿物可能发挥着同样重要的作用。最近朱永官院士联合英国利兹大学Caroline Peacock教授、肖可青博士，和中科院沈阳生态所梁超研究员等国内外学者在Nature Reviews Earth & Environment首次提出土壤矿物碳泵（MnCP）模型https://www.nature.com/articles/s43017-023-00396-y，希望引起对这一过程的重视和深入研究。

土壤通过固定或释放碳进而影响气候。土壤微生物碳泵（MCP）概念强调了微生物在土壤有机碳（OC）生产和固定中的作用。在该模型中，新的有机化合物通过微生物合成产生，并随后通过包埋效应将有机质稳定在矿物表面和土壤结构中。虽然传统上认为矿物-有机碳关联是保护性的，但最新证据表明这些相互作用是复杂的，并且包括许多未考虑到但在土壤中发生的一些非生物反应。在这里，作者提出了一个独立的土壤矿物碳泵（MnCP）。

土壤矿物碳泵MnCP阐述了土壤矿物如何增强OC的持久性和积累。土壤矿物可以通过吸附、封闭、聚集、氧化还原反应和聚合等过程将植物或微生物来源的易降解OC转化为更稳定的形式（图1）。吸附、封闭和聚集可以通过降低土壤溶液中的有机碳浓度，形成有机-矿物复合体，进而限制水解酶的功能或导致微生物无法摄入。粘土矿物（高岭石、蒙脱石）和金属（氧化物）氧化物（铁氧化物、钠水锰矿）可以催化聚合反应，产生更加难以降解的大分子有机碳。此外，在矿物表面的氧化还原反应会使有机碳氧化为CO2，并可以产生带自由基的有机碳，后者可以结合成更大的有机碳分子。

图1：土壤矿物和微生物碳泵。图1 a、矿物增强土壤中有机碳的持久性和积累，这是土壤矿物碳泵（MnCP）的作用。植物和微生物的有机底物通过吸附、封闭、聚集、氧化还原反应和聚合等过程得以稳定。b、右边是微生物碳作为对比。

MnCP 在各种土壤环境中均发挥作用，而且这种机制是可持续的，可以在长时间内运作。这是由于土壤中有丰富的粘土和金属（氧化物）来与活性有机碳结合，保护它不受微生物降解。此外，土壤中氧化还原条件的波动可以循环利用催化聚合的活性矿物质，尤其是在水稻土和泥炭地等环境中。

与土壤 微生物碳泵（MCP） 的关系

有机碳被吸附到矿物质的表面后往往伴随着一些列复杂反应，这些反应不在土壤MCP框架中，但包括在土壤MnCP 模型中，例如矿物催化的非生物聚合反应。然而，MnCP 和 MCP 并不是互相排斥的。正如 MCP 中的碳封存作用所示，它们协同工作以保护土壤中的有机碳。例如，有机碳-矿物质界面上的氧化还原反应可以是非生物的或生物的，并且在矿物质溶解和电子转移过程中，MnCP 和 MCP 可以通过矿物质-微生物相互作用耦合。此外，微生物分泌的胞外多聚物物质（作为 MCP 的一部分）可以通过黏合作用（作为 MnCP 的一部分）加强有机物和矿物质的聚集作用。

更广泛的影响

矿物质在增加土壤有机碳的持久性和积累方面可能与微生物一样重要。MnCP 强调了这一作用，并提供了一个研究矿物质-有机碳相互作用的新框架，包括微观的过程和更广泛的土壤生态系统。相关研究将有助于理解土壤有机碳的复杂性，以及为什么一些有机碳会持久存在，而另一些有机碳不会。

认识到MnCP中发生的一系列自然反应将有助于引导土壤固碳相关技术的发展。例如，矿物质催化有机碳的聚合能力大多在实验室环境中发现，但它在土壤中的发生及其对有机碳结构和持久性的更广泛影响目前尚不清楚。有机碳的聚合可以产生许多新的和较大的分子，这些分子很难在分析上进行鉴定。因此，应使用新兴技术（例如FT-ICR-MS，NEXAFS和Nano-SIMS）并将其结合使用，以了解MnCP在不同有机碳特性和矿物学条件下的运作方式，并找到聚合有机碳的分子指纹，以用于识别其在土壤中的产生和持久性。未来也需要开展更多的机制研究，以证实土壤矿物质催化的聚合反应可以增加有机碳的稳定性。

在“双碳”战略的大背景下，人们对增强土壤碳汇以应对气候变化的兴趣日益增长。因此，有必要开展对土壤矿物碳泵MnCP相关科学问题的深入研究。在土壤中加强MnCP有望为实现“双碳”战略提供可靠的技术支撑，类比于目前大家已熟知的增强硅酸盐风化技术，为稳定土壤中的碳提供另一个潜在工具，并实现控制土壤酸化和增进土壤碳汇的双赢。

致谢

本研究项目得到欧洲研究委员会ERC项目（725613 MinOrg）和中国科学院战略优先研究计划（XDA28020103和XDA28020101）的资助。我们还感谢NERC Highlight Topic Grant（NE/S004963/1 Locked Up）和国家自然科学基金（No. 32241037），还有中国科学院百人计划的资助（E251520401赵明宇）。

作者：肖可青

编辑：朱慧静

审核：孙雅楠