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  2023年1月21日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表了威尼斯555503欢迎你鲁安怀教授课题组与合作者完成的题为“Mineral weathering is linked to microbial priming in the critical zone”的研究成果(网址https://www.nature.com/articles/s41467-022-35671-x)。

  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;有机质在矿物的保护下与微生物的攻击下,动态地进行着“土壤呼吸作用”。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。然而,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尚未被揭示与认知。

  鲁安怀教授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着密切联系,矿物风化作用可增强微生物激发效应。按照矿物风化产物的类型,矿物风化一般可分为协调风化与不协调风化两类(图1A)。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、针铁矿和三水铝石等,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的分解。次生矿物还与可溶解性有机质结合,使得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 (图1A)。他们进一步深入分析了关键带中不同深度、长时间序列的土壤孔隙水组成和土壤孔隙气体分压等观测数据,获得了矿物风化速率、微生物活动强度及其对有机质矿化程度、可溶解性有机质生物利用性等关键参数。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(图1B-D)。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(图1C)。由于风化强度、风化协调性和溶解性有机质微生物可利用性等,都随土壤深度发生变化,矿物风化调控微生物矿化有机碳的影响也随深度表现出差异(图1E)。

图1(A)矿物风化影响微生物碳激发效应示意图; (B)重要生物地球化学和矿物学参数随深度变化曲线;(C)矿物风化协调性对有机质矿化速率的控制;(D)矿物风化协调性与DOC通量在不同深度呈现不同耦合规律;(E)矿物风化与微生物碳激发过程之间的联系在时间和空间尺度上的表现

  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认识到的要丰富得多。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。

  北京大学为该研究成果第一单位,北大博雅博士后方谦博士为论文第一作者,地空学院鲁安怀教授和美国亚利桑那大学Jon Chorover教授为论文共同通讯作者,中国地质大学(武汉)洪汉烈教授、赵璐璐博士,德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授和美国辛辛那提大学Thomas Algeo教授等为论文合作作者。该研究得到国家自然科学基金项目(41820104003, 41972040,42102031)、博士后创新人才支持计划(BX20200002)等资助。

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