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

　　本報北京2月15日電（記者晉浩天）一直以來(lái)，地表礦物、微生物與有機質(zhì)之間內在作用機制，特別是礦物風(fēng)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(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(xiàn)發(fā)表題為《地球關(guān)鍵帶中礦物風(fēng)化作用調控微生物碳激發(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(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生著(zhù)相互作用，并為所有陸地生物提供營(yíng)養物質(zhì)、代謝能量和穩定適宜的生存環(huán)境。在太陽(yáng)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(dòng)態(tài)進(jìn)行著(zhù)‘土壤呼吸作用’。”魯安懷介紹，過(guò)去人們發(fā)現，當更易“食用”的有機質(zhì)進(jìn)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(zhù)地球關(guān)鍵帶物質(zhì)循環(huán)、能量轉化與全球碳源/匯過(guò)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，地表礦物風(fēng)化作用與微生物激發(fā)效應之間存在密切聯(lián)系，礦物風(fēng)化作用可增強微生物激發(fā)效應。按照產(chǎn)物類(lèi)型，礦物風(fēng)化一般可分為協(xié)調風(fēng)化與不協(xié)調風(fēng)化。協(xié)調風(fēng)化產(chǎn)物僅為溶解態(tài)離子，可為微生物提供營(yíng)養元素，促進(jìn)微生物對有機質(zhì)的分解。不協(xié)調風(fēng)化產(chǎn)物除產(chǎn)生溶解態(tài)離子外，還會(huì )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(guò)程均對碳循環(huán)過(guò)程產(chǎn)生重要影響。

　　研究團隊通過(guò)大量時(shí)間序列分析和統計分析，發(fā)現礦物風(fēng)化作用在時(shí)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(zhù)礦物風(fēng)化作用增強，產(chǎn)生陽(yáng)離子（營(yíng)養元素）通量變大，微生物對有機碳礦化的速率也增強，而這些過(guò)程常常伴隨著(zhù)微生物活動(dòng)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(shí)礦物風(fēng)化的協(xié)調性對微生物激發(fā)礦化強度有明顯的控制作用。

　　該研究結果表明，地表無(wú)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(wú)疑具有普遍性，也可能揭示了地質(zhì)歷史長(cháng)時(shí)間尺度元素循環(huán)（風(fēng)化作用）與現代短時(shí)間尺度的碳周轉（激發(fā)效應）之間的重要聯(lián)系。為深時(shí)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(yáng)光-礦物-微生物-有機質(zhì)-水，這一多元復雜的開(kāi)放系統耦合作用機制研究提供了新的思路。