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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

我科學家揭示地表礦物-微生物-有機質(zhì)耦合作用新機制

本報北京2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，特別是礦物風化作用在微生物激發(fā)效應中扮演的角色始終未被揭示與認知。北京大學地球與空間科學學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《地球關鍵帶中礦物風化作用調(diào)控微生物碳激發(fā)效應》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’?！濒敯矐呀榻B，過去人們發(fā)現(xiàn)，當更易“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。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，尚未被揭示與認知。

研究團隊與合作者研究發(fā)現(xiàn)，地表礦物風化作用與微生物激發(fā)效應之間存在密切聯(lián)系，礦物風化作用可增強微生物激發(fā)效應。按照產(chǎn)物類型，礦物風化一般可分為協(xié)調(diào)風化與不協(xié)調(diào)風化。協(xié)調(diào)風化產(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系。隨著礦物風化作用增強，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)之間耦合作用關系，遠比人們之前的認識豐富得多。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)（風化作用）與現(xiàn)代短時間尺度的碳周轉(zhuǎn)（激發(fā)效應）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，也為地球關鍵帶中太陽光-礦物-微生物-有機質(zhì)-水，這一多元復雜的開放系統(tǒng)耦合作用機制研究提供了新的思路。

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