抑制钙质土壤中有机碳封存作用的双重矿物-微生物相互作用机制

《Journal of Environmental Management》：Dual mechanisms of mineral-microbial interactions in suppressing organic carbon sequestration in calcareous soils

本研究通过180天盆栽实验，探究不同碳酸钙含量对钙质土壤有机碳固存能力的影响，发现高碳酸钙土壤显著降低有机碳及其组分含量，并通过改变微生物群落结构和功能以及矿物表面特性抑制碳固存，揭示双机制作用。

　　

杨曦|马东浩|杨婷|张永奇|陈琳|姜宏伟|陈炳如|张楠|邹洪涛|张丛志|周桂香|周艳芳|张家宝

沈阳农业大学土地与环境学院，中国辽宁省沈阳市，110866

摘要

钙质碱性土壤在干旱和半干旱地区广泛分布，通常具有较低的土壤有机碳（SOC）固存能力。尽管碳酸钙（CaCO₃）可能对这些土壤中的有机碳稳定有影响，但其具体机制仍不清楚。通过一项为期180天的盆栽实验，实验中使用了五个不同水平的CaCO₃，本研究调查了其对SOC固存的影响，并结合了详细的矿物学和微生物学分析。结果表明，高钙质土壤显著降低了SOC含量（从14.07克/千克降至4.75克/千克），颗粒有机碳从4.34克/千克降至0.89克/千克，矿物相关有机碳从8.27克/千克降至2.62克/千克。在高钙质土壤中，微生物死亡物质中的碳含量也大幅减少。土壤微生物群落的结构和功能代谢也发生了变化。与低钙质土壤相比，高钙质土壤降低了微生物生物量、多样性以及真菌的相对丰度；拟杆菌门（Bacteroidota）和子囊菌门（Ascomycota）取代了酸杆菌门（Acidobacteriota）和毛霉菌门（Mucoromycota）成为优势类群。矿物学分析表明，CaCO₃覆盖在土壤矿物表面后，使其比表面积减少了0.64至4.86倍，从而减弱了有机-矿物之间的结合能力。总之，钙质土壤中的SOC固存可能通过抑制矿物表面反应性和调节微生物群落结构与功能这两种机制受到抑制。本研究为钙质环境中碳固存的限制提供了新的机制见解。

引言

土壤有机碳（SOC）是陆地生态系统中的关键组成部分，有助于维持土壤肥力、调节碳循环平衡并支持生物多样性（Tiessen等人，1994年；Schmidt等人，2011年；Ma等人，2023年）。钙质碱性土壤在干旱和半干旱地区广泛分布，覆盖了地球上近三分之一的陆地面积（Bertrand等人，2007年）。在这些地区，无机碳（主要是碳酸钙，CaCO₃）的含量通常高于有机碳。由于独特的气候条件和土壤特性（如高pH值和CaCO₃），有机碳的矿化速率加快，微生物活性受到限制，影响了有机碳的长期积累和稳定性（Huang等人，2024年；Li等人，2024年）。钙质碱性土壤中的有机碳储存潜力仍很大程度上未知；在全球气候变化和土地利用变化的背景下，这可能会加剧碳排放，因此研究其固存机制至关重要。此类研究对于制定土地管理策略、提高农业土壤肥力以及释放干旱和半干旱地区的碳固存潜力具有重要意义。

SOC的稳定性和周转率高度依赖于微生物的代谢活动。微生物碳泵（MCP）理论认为，微生物通过内源性过程（如生长-死亡周期）和外源性过程（如胞外酶分泌）直接影响土壤的动态碳平衡。这些过程与矿物碳泵（MnCP）协同作用，共同调节矿物相关有机碳（MAOC）和颗粒有机碳（POC）的转化和固存（Liang等人，2017年，2019年；Zhu等人，2020年）。微生物吸收植物来源的碳并将其转化为微生物生物量。这种生物量通过静电作用或配体交换与粘土矿物和铁铝氧化物相互作用，形成稳定的MAOC。此外，微生物分泌的胞外酶可以降解植物和动物残余物，部分转化为POC；剩余部分则转化为可溶的小分子，有助于MAOC的形成（Cotrufo等人，2019年；Xiao等人，2023年；Whalen等人，2024年）。在钙质碱性土壤中，CaCO₃可能通过改变土壤的物理化学性质（如pH值和离子强度）影响微生物群落组成和胞外酶活性（Bueis等人，2018年；Dou等人，2023年），从而间接影响有机碳的转化和固存。目前尚缺乏关于钙质碱性土壤中微生物过程如何影响有机碳积累的机制研究。

在干旱和半干旱地区，气候条件、植被类型和土壤特性通过改变微生物群落结构和功能来影响土壤碳的转化（Georgiou等人，2024年；Willard等人，2024年；Zhou等人，2024年）。在干旱条件下，土壤微生物多样性降低，微生物体积增大，群落组成向寡营养型转变（X. Yang等人，2025年）。植被恢复可以通过塑造特定的优势微生物群落有效管理SOC的储存（Yu等人，2025年）。在钙质碱性土壤中，高pH值和CaCO₃含量可能抑制微生物活性。作为胶结材料，CaCO₃有助于提高团聚体的稳定性；然而，过量的CaCO₃会通过附着在矿物表面而限制MAOC的形成。在高CaCO₃含量的土壤中，矿物表面亲水性和吸附性质的变化可能进一步影响MAOC的稳定性（Lovett等人，2016年；Minick等人，2017年；Dou等人，2024年）。这些变化通过改变微生物和矿物碳泵的功能和特性间接影响有机碳的固存。研究钙质碱性土壤中的矿物-微生物相互作用及其对外部因素（如气候、地形和植被）的影响对有机碳转化具有重要的理论和实践意义。

在钙质碱性土壤中，由不同CaCO₃水平驱动的特性可能通过微生物群落结构和功能来调节SOC的转化，同时通过改变土壤矿物性质来影响MnCP，从而共同控制碳的固存。为此，使用五种不同CaCO₃含量的土壤进行了为期180天的盆栽实验。实验目的是量化不同SOC组分的变化动态，以确定碳固存特征，通过评估微生物群落组成、功能和酶活性来阐明驱动秸秆分解的微生物机制，并通过矿物学和能谱分析评估矿物碳泵的效率。

实验设计

土壤样本和实验设计

选择了来自中国北部的五种不同类型的干旱农业土壤，这些土壤的CaCO₃含量各不相同（图1）。土壤样本来自中国的几个主要干旱农业区域。Fluvo_aquic土壤采集自河南省封丘（北纬35.02°，东经114.55°），位于华北平原，属于温暖温带大陆性季风气候区，年平均温度为13.9°C，年平均降水量为615毫米。Cinnamon土壤...

不同钙质碱性土壤中有机碳的分布特征

五种钙质碱性土壤中不同组分的有机碳含量存在显著差异，且通常随着CaCO₃含量的增加而减少（图2）。从Fluvo_aquic土壤到Brown pedocals（CaCO₃含量逐渐增加），SOC、POC、MAOC、微生物死亡物质中的碳以及植物来源的碳（木质素酚类）的含量均有所下降。这些组分在CaCO₃含量较高的土壤（如耕作黄土土和Brown pedocals）中明显低于含量较低的土壤...

微生物群落特征的变化减少了有机碳的积累

SOC是陆地生态系统中的关键碳库。土壤微生物是其固存的主要驱动力，尤其是通过积累微生物死亡物质中的碳（Liang等人，2017年；Canarini等人，2021年；Camenzind等人，2023年）。本研究发现，CaCO₃含量较高的土壤（如耕作黄土土和Brown pedocals）显著降低了微生物死亡物质中的碳储存，并抑制了植物来源的碳的固存（图2；补充材料...

结论与局限性

本研究系统地探讨了钙质碱性土壤中的有机碳固存机制，重点关注矿物学特性和微生物过程的双重影响。通过为期180天的盆栽实验，揭示了不同钙质土壤对有机碳固存特征、微生物群落组成和功能以及矿物学特性的显著影响。从Fluvo_aquic土壤到Brown pedocals（CaCO₃含量逐渐增加），SOC含量...

作者贡献声明

杨曦：撰写——初稿撰写、验证、软件使用、方法论设计、数据整理、概念构思。马东浩：撰写——审稿与编辑、项目管理。杨婷：撰写——审稿与编辑。张永奇：软件使用。陈琳：撰写——审稿与编辑。姜宏伟：方法论设计。陈炳如：方法论设计。张楠：正式数据分析。邹洪涛：指导。张丛志：指导。周桂香：指导。周艳芳：指导。张家宝：撰写——审稿与...

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD1901001）、国家自然科学基金（编号42177292）以及中国农业研究系统专项基金（CARS-03、CARS-52）的支持。