一种用于土壤有机碳分馏的矿物保护范式：铁和钙在干旱及半干旱草原地区作为地球化学桥梁的作用

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：A Mineral Protection Paradigm for Soil Organic Carbon Fractionation: Iron and Calcium as a Geochemical Bridge in Arid and Semi-Arid Grasslands

矿物关联主导干旱区土壤有机碳稳定机制研究。通过蒙古高原区域调查（n=260）与全球数据合成（n=2097），量化了矿物吸附有机碳（MAOC）占SOC的79.8%，建立气候-矿物-植被协同框架。揭示环境因子（C:P比、pH）调控MAOC积累层次，Fe/Al氧化物和Ca离子通过物理化学作用直接增强碳固定，而气候通过影响植被生物量间接调控碳输入与矿物风化。为干旱区碳管理提供新范式。

　　

摘要

矿物结合被广泛认为是土壤有机碳（SOC）稳定的基本机制；然而，在干旱和半干旱草原地区（年平均降水量MAP < 400毫米），其相对于气候和植被因素的重要性以及关键的地球化学控制因素仍缺乏准确的量化。通过结合蒙古高原地区的区域调查（n = 260个样本）和全球数据综合（n = 2,097个样本），我们量化了与矿物相关的有机碳（MAOC）的绝对主导地位，它占SOC的79.8 ± 0.6%，并为欧亚大陆的干旱地区建立了参考标准。更重要的是，我们建立了一个关于MAOC积累的层次框架：宏观环境参数（C:P比率、pH值）决定了稳定能力，而局部地球化学因素（铁、钙）通过直接的物理化学相互作用来激活这一能力。相比之下，颗粒有机碳（POC）和粗颗粒有机碳（CPOC）的比例主要受C:P比率、年平均降水量减去潜在蒸散量（MAP-PET）以及地上和地下生物量（AGB + BGB）的影响，这表明它们更依赖于近期的碳输入和分解过程。有效水分（MAP-PET）作为主要的间接控制因素，调节着碳输入和矿物风化过程。因此，我们提出了一个“矿物保护范式”，在该范式中，铁和钙通过吸附和阳离子桥接作用直接增强SOC的固定，形成了一个由地球化学过程驱动的核心机制，这一机制又通过气候（MAP-PET）对植被因素（AGB + BGB）的影响得到间接放大。本研究建立了一个气候-地球化学-植被的协同框架，为干旱草原生态系统的SOC管理提供了科学依据。

通俗语言总结

尽管干旱草原常被视为脆弱的生态系统，但实际上它们是重要的全球碳汇。我们对蒙古高原的研究揭示了这一能力的机制：大约80%的土壤有机碳是通过矿物结合直接稳定的，这使有机碳免受微生物分解的影响。这一发现将关注点从碳的来源转移到了其主要稳定途径上，突显了土壤物理化学性质的基本重要性。这一途径主要由有机-矿物相互作用驱动，铁（Fe）和钙（Ca）被确定为与有机碳形成强键的关键矿物。虽然干旱通过限制植物生产力间接限制了碳的储存，但矿物结合成为主要的稳定机制。通过阐明气候、土壤物理化学性质和植被之间的协同作用，我们的研究为生态系统管理提供了科学依据。这表明，旨在保护或增强土壤矿物特性的策略对于实现全球干旱地区的长期碳封存至关重要。

关键点

• 地球化学因素解释了SOC含量变化的60%以上

• MAP-PET通过激活Fe/Al（水合）氧化物增强了MAOC组分中的结合态有机碳

• 它为全球MAOC研究提供了重要的欧亚干旱/半干旱地区参考标准

利益冲突

作者声明与本研究无关的利益冲突。

数据可用性声明

本研究的数据可通过Zenodo平台获取，网址为：https://zenodo.org/records/15054524。