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为地球元素循环影响全球气候变化研究提供新启示

我科学家揭示地表矿物-微生物-有机质耦合作用新机制

本报北京2月15日电（记者晋浩天）一直以来，地表矿物、微生物与有机质之间内在作用机制，特别是矿物风化作用在微生物激发效应中扮演的角色始终未被揭示与认知。北京大学地球与空间科学学院鲁安怀教授和方谦博士课题组与合作者日前于《自然·通讯》在线发表题为《地球关键带中矿物风化作用调控微生物碳激发效应》的研究成果，报道地表矿物-微生物-有机质耦合作用新机制。

“矿物、微生物和有机质是陆地表层主要组成部分，无时无刻不在发生着相互作用，并为所有陆地生物提供营养物质、代谢能量和稳定适宜的生存环境。在太阳光辐射下，地表矿物常受到微生物、有机酸和水的影响而发生风化作用。有机质在矿物保护与微生物攻击下，动态进行着‘土壤呼吸作用’。”鲁安怀介绍，过去人们发现，当更易“食用”的有机质进入土壤后，微生物受到“激发”分解更多被矿物保护的有机质并释放出CO2，影响着地球关键带物质循环、能量转化与全球碳源/汇过程甚至全球温室效应。但地表矿物、微生物与有机质之间内在作用机制究竟是什么，尚未被揭示与认知。

研究团队与合作者研究发现，地表矿物风化作用与微生物激发效应之间存在密切联系，矿物风化作用可增强微生物激发效应。按照产物类型，矿物风化一般可分为协调风化与不协调风化。协调风化产物仅为溶解态离子，可为微生物提供营养元素，促进微生物对有机质的分解。不协调风化产物除产生溶解态离子外，还会产生次生矿物如高岭石、蒙皂石、水铁矿等，这些次生矿物可与土壤有机质结合从而保护有机质免遭微生物分解。次生矿物还与可溶解性有机质结合，使可溶解性有机质难以被微生物直接利用，抑制激发效应的发生。这些过程均对碳循环过程产生重要影响。

研究团队通过大量时间序列分析和统计分析，发现矿物风化作用在时间和空间上均与受激发的微生物对有机碳矿化存在耦合关系。随着矿物风化作用增强，产生阳离子（营养元素）通量变大，微生物对有机碳矿化的速率也增强，而这些过程常常伴随着微生物活动强度的升高和对溶解性有机质可利用性提高，亦即矿物风化与微生物激发有机质矿化存在耦合作用。研究证实矿物风化的协调性对微生物激发矿化强度有明显的控制作用。

该研究结果表明，地表无机界矿物与有机界微生物和有机质之间耦合作用关系，远比人们之前的认识丰富得多。由于全球土壤中均含矿物、微生物和有机质等，本文报道的这种联系无疑具有普遍性，也可能揭示了地质历史长时间尺度元素循环（风化作用）与现代短时间尺度的碳周转（激发效应）之间的重要联系。为深时地球矿物-微生物共演化、地球元素循环影响全球气候变化研究提供了新的启示，也为地球关键带中太阳光-矿物-微生物-有机质-水，这一多元复杂的开放系统耦合作用机制研究提供了新的思路。

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