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為地球元素循環(huán)影響全球氣候變化研究提供新啟示

我科學(xué)家揭示地表礦物-微生物-有機質(zhì)耦合作用新機制

光明日報北京2月15日電（記者晉浩天）一直以來，地表礦物、微生物與有機質(zhì)之間內(nèi)在作用機制，特別是礦物風(fēng)化作用在微生物激發(fā)效應(yīng)中扮演的角色始終未被揭示與認(rèn)知。北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院魯安懷教授和方謙博士課題組與合作者日前于《自然·通訊》在線發(fā)表題為《地球關(guān)鍵帶中礦物風(fēng)化作用調(diào)控微生物碳激發(fā)效應(yīng)》的研究成果，報道地表礦物-微生物-有機質(zhì)耦合作用新機制。

“礦物、微生物和有機質(zhì)是陸地表層主要組成部分，無時無刻不在發(fā)生著相互作用，并為所有陸地生物提供營養(yǎng)物質(zhì)、代謝能量和穩(wěn)定適宜的生存環(huán)境。在太陽光輻射下，地表礦物常受到微生物、有機酸和水的影響而發(fā)生風(fēng)化作用。有機質(zhì)在礦物保護與微生物攻擊下，動態(tài)進行著‘土壤呼吸作用’。”魯安懷介紹，過去人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)更易“食用”的有機質(zhì)進入土壤后，微生物受到“激發(fā)”分解更多被礦物保護的有機質(zhì)并釋放出CO2，影響著地球關(guān)鍵帶物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化與全球碳源/匯過程甚至全球溫室效應(yīng)。但地表礦物、微生物與有機質(zhì)之間內(nèi)在作用機制究竟是什么，尚未被揭示與認(rèn)知。

研究團隊與合作者研究發(fā)現(xiàn)，地表礦物風(fēng)化作用與微生物激發(fā)效應(yīng)之間存在密切聯(lián)系，礦物風(fēng)化作用可增強微生物激發(fā)效應(yīng)。按照產(chǎn)物類型，礦物風(fēng)化一般可分為協(xié)調(diào)風(fēng)化與不協(xié)調(diào)風(fēng)化。協(xié)調(diào)風(fēng)化產(chǎn)物僅為溶解態(tài)離子，可為微生物提供營養(yǎng)元素，促進微生物對有機質(zhì)的分解。不協(xié)調(diào)風(fēng)化產(chǎn)物除產(chǎn)生溶解態(tài)離子外，還會產(chǎn)生次生礦物如高嶺石、蒙皂石、水鐵礦等，這些次生礦物可與土壤有機質(zhì)結(jié)合從而保護有機質(zhì)免遭微生物分解。次生礦物還與可溶解性有機質(zhì)結(jié)合，使可溶解性有機質(zhì)難以被微生物直接利用，抑制激發(fā)效應(yīng)的發(fā)生。這些過程均對碳循環(huán)過程產(chǎn)生重要影響。

研究團隊通過大量時間序列分析和統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)礦物風(fēng)化作用在時間和空間上均與受激發(fā)的微生物對有機碳礦化存在耦合關(guān)系。隨著礦物風(fēng)化作用增強，產(chǎn)生陽離子（營養(yǎng)元素）通量變大，微生物對有機碳礦化的速率也增強，而這些過程常常伴隨著微生物活動強度的升高和對溶解性有機質(zhì)可利用性提高，亦即礦物風(fēng)化與微生物激發(fā)有機質(zhì)礦化存在耦合作用。研究證實礦物風(fēng)化的協(xié)調(diào)性對微生物激發(fā)礦化強度有明顯的控制作用。

該研究結(jié)果表明，地表無機界礦物與有機界微生物和有機質(zhì)之間耦合作用關(guān)系，遠(yuǎn)比人們之前的認(rèn)識豐富得多。由于全球土壤中均含礦物、微生物和有機質(zhì)等，本文報道的這種聯(lián)系無疑具有普遍性，也可能揭示了地質(zhì)歷史長時間尺度元素循環(huán)（風(fēng)化作用）與現(xiàn)代短時間尺度的碳周轉(zhuǎn)（激發(fā)效應(yīng)）之間的重要聯(lián)系。為深時地球礦物-微生物共演化、地球元素循環(huán)影響全球氣候變化研究提供了新的啟示，也為地球關(guān)鍵帶中太陽光-礦物-微生物-有機質(zhì)-水，這一多元復(fù)雜的開放系統(tǒng)耦合作用機制研究提供了新的思路。

《光明日報》（ 2023年02月16日?08版）