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天津大學科研團隊在鐵介導的土壤有機碳循環機制研究取得新進展

      2020-05-24       

本站訊(通訊員 王珊珊) 日前,天津大學地球系統科學學院陳春梅副教授,與美國佐治亞大學、愛荷華州立大學、特拉華大學的同行合作,在鐵介導的土壤有機碳循環機制研究取得新進展,研究成果在線發表在國際著名學術期刊《自然-通訊》上。

土壤有機碳庫是全球碳循環的重要組成部分。土壤礦物與有機碳的相互作用對土壤有機碳穩定儲存至關重要,其中鐵氧化物的作用尤為關鍵。鐵在土壤中具有三大重要功能:(1)鐵氧化物可作為膠結劑促進土壤微團聚體的形成,從而形成對有機碳的物理保護;(2)鐵氧化物可通過吸附和共沉淀作用與土壤有機碳結合形成復合體,從而降低有機碳的生物有效性、提高有機碳的穩定性以促進有機碳在土壤中的累積;(3)鐵是土壤中重要的電子受體或供體:厭氧條件,鐵氧化物易被微生物作為電子受體利用而被還原溶解產生Fe(II);鐵還原的微生物代謝過程不僅直接耦合有機碳礦化,還導致與其結合的有機碳被釋放到溶液中,提高微生物可利用性;鐵還原過程產生的Fe(II)可以在氧氣或硝酸鹽的存在下被非生物氧化,或通過鐵氧化細菌的新陳代謝被氧化;Fe(II)氧化可通過類芬頓反應(Fenton-like reaction)產生活性氧,進一步促進有機碳的分解。然而,這三大功能對土壤有機碳循環的相對貢獻尚未可知,因此鐵循環對土壤有機碳穩定存儲的綜合影響亟待評估。

天津大學地球系統科學學院陳春梅副教授,與美國佐治亞大學、愛荷華州立大學、特拉華大學的同行合作,發展了13C和57Fe雙同位素示蹤法,將13C標記的溶解性有機質(DOM)和57Fe標記的Fe(II)加入土壤中,開展室內靜態好氧和好氧-厭氧交替培養實驗,基于13C區分外源DOM和土壤有機碳,聯合57Fe標記和57Fe穆斯堡爾譜區分表征外源鐵和土壤鐵的不同形態,從而量化了鐵對土壤有機碳分解與保護的介導作用。研究結果表明,只有在靜態好氧以及同時輸入DOM和Fe(II)條件下,鐵對有機碳才起到保護作用:Fe(II)氧化與DOM形成弱晶質鐵氧化物-有機碳共沉淀,不僅抑制了35%的DOM礦化,還降低了外源DOM輸入對土壤有機碳的激發效應。然而,當單獨輸入Fe(II)時,Fe(II)氧化所形成的鐵氧化物并未對土壤有機碳起到保護作用;相反,Fe(II)氧化產生的活性氧顯著促進了土壤有機碳的礦化。當土壤從好氧轉變為厭氧環境時,微生物優先利用新生的弱晶質鐵氧化物作為電子受體,并將其還原溶解;鐵的還原過程顯著增加了外源DOM和土壤有機碳的礦化,其幅度分別為74%和32-41%。由于受降雨、灌排水、凍融、潮汐等影響,許多自然土壤處于好氧與厭氧交替的環境中;該研究結果說明在氧化還原交替的土壤中,鐵介導的有機碳分解可以抵消鐵氧化物對有機碳的保護作用,因此鐵不能從本質上保護有機碳;活性鐵礦物需要通過自身的物理化學保護來促進有機碳在土壤中的穩定性。

圖1. 鐵介導的有機碳循環機制

該研究成果以“Iron-mediated organic matter decomposition in humid soils can counteract protection”為題發表在《自然-通訊》(Nature Communications)(DOI:10.1038/s41467-020-16071-5)。Chunmei Chen, Steven J. Hall, Elizabeth Coward, and Aaron Thompson*. Iron-mediated organic matter decomposition in humid soils can counteract protection. Nature Communications, 2020, DOI:10.1038/s41467-020-16071-5.

論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-16071-5

(編輯 趙習鈞 孟文璐)

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