土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分。土壤矿物与有机碳的相互作用对土壤有机碳稳定储存至关重要，其中铁氧化物的作用尤为关键。针对这一科学问题，天津大学地球系统科学学院陈春梅副教授，与美国佐治亚大学、爱荷华州立大学、特拉华大学的同行合作于2020年在Nature Communications上发表了题为 “Iron-mediated organic matter decomposition in humid soils can counteract protection” 研究论文。
受长江流域环境水科学研究公众号邀请，中国地质大学（武汉）袁松虎教授课题组硕士生田滢筱对本文进行了解读。
第一部分：内容解读
摘要：湿润土壤环境中的有机质(SOM)与活性铁(Fe)密切相关，当氧(O2)不足时，Fe也会促进SOM的分解。在此通过将13C标记的溶解性有机质(DOM)和57Fe标记的Fe(II)加入土壤中,开展室内静态好氧和好氧-厌氧交替培养实验来量化Fe对土壤有机碳分解与保护的介导作用。我们发现，静态好氧以及同时输入DOM和Fe(II)条件下，铁对有机碳才起到保护作用：新生的活性FeIII相分别抑制了35%的DOM和47%的SOM矿化。相反，单独添加57FeII可使氧化至57FeIII后的SOM矿化度增加8%。在厌氧条件下，新生活性57FeIII相优先减少，DOM和SOM的厌氧矿化分别增加了74%和32-41%。厌氧好氧交替在潮湿土壤中很常见，所以Fe在本质上不能保护OM；活性铁矿物需要通过自身的物理化学保护来促进有机碳在土壤中的稳定性。
研究背景：土壤有机碳库是全球碳循环的重要组成部分。土壤矿物与有机碳的相互作用对土壤有机碳稳定储存至关重要，其中铁氧化物的作用尤为关键。铁在土壤中具有三大重要功能：(1)铁氧化物可作为胶结剂促进土壤微团聚体的形成，从而形成对有机碳的物理保护；(2)铁氧化物可通过吸附和共沉淀作用与土壤有机碳结合形成复合体，从而降低有机碳的生物有效性、提高有机碳的稳定性以促进有机碳在土壤中的累积；(3)铁是土壤中重要的电子受体或供体：厌氧条件，铁氧化物易被微生物作为电子受体利用而被还原溶解产生Fe(II)；铁还原的微生物代谢过程不仅直接耦合有机碳矿化，还导致与其结合的有机碳被释放到溶液中，提高微生物可利用性；铁还原过程产生的Fe(II)可以在氧气或硝酸盐的存在下被非生物氧化，或通过铁氧化细菌的新陈代谢被氧化；Fe(II)氧化可通过类芬顿反应(Fenton-like reaction)产生活性氧，进一步促进有机碳的分解（如图1）。然而，这三大功能对土壤有机碳循环的相对贡献尚未可知，因此铁循环对土壤有机碳稳定存储的综合影响亟待评估。
图1 铁介导的碳转化示意图。(a)在缺氧条件下FeIII相吸附碳；(b)在缺氧条件下，FeIII可以被还原为FeII并耦合有机碳矿化，释放溶解的有机质(DOM)；(c) Fe(II)氧化产生活性氧促进有机碳分解为CO2和DOM；(d)与给定机制相关的CO2产生的正(蓝色箭头)和负(红色箭头)变化概念对比图。
结果讨论：在本研究中，量化了矿物相关有机质(MAOM)形成的初始阶段铁矿物对土壤有机碳固存与分解作用的相对贡献。本文假设Fe的电子转移作用加速了碳矿化从而抵消了Fe的吸附作用对碳的保护作用。为了验证这一点，在缺氧条件下将13C标记的溶解性有机质(DOM)和57Fe标记的Fe(II)加入土壤中，通过好氧与O2反应形成Fe-MAOM，模拟潮湿土壤中Fe-MAOM形成的主要机制。通过开展室内静态好氧和好氧-厌氧交替培养实验，基于13C区分外源DOM和土壤有机碳，联合57Fe标记和57Fe穆斯堡尔谱区分表征外源铁和土壤铁的不同形态，从而量化了铁对土壤有机碳分解与保护的介导作用。
研究结果表明，只有在静态好氧以及同时输入DOM和Fe(II)条件下，铁对有机碳才起到保护作用：Fe(II)氧化与DOM形成弱晶质铁氧化物-有机碳共沉淀，不仅抑制了35%的DOM矿化，还降低了外源DOM输入对土壤有机碳的激发效应。然而，当单独输入Fe(II)时，Fe(II)氧化所形成的铁氧化物并未对土壤有机碳起到保护作用；相反，Fe(II)氧化产生的活性氧显著促进了土壤有机碳的矿化。当土壤从好氧转变为厌氧环境时，微生物优先利用新生的弱晶质铁氧化物作为电子受体，并将其还原溶解；铁的还原过程显著增加了外源DOM和土壤有机碳的矿化，其幅度分别为74%和32-41%。由于受降雨、灌排水、冻融、潮汐等影响，许多自然土壤处于好氧与厌氧交替的环境中；该研究结果说明在氧化还原交替的土壤中，铁介导的有机碳分解可以抵消铁氧化物对有机碳的保护作用，因此铁不能从本质上保护有机碳；活性铁矿物需要通过自身的物理化学保护来促进有机碳在土壤中的稳定性。
方法部分：将57Fe/13C双稳定同位素示踪与穆斯堡尔技术结合对铁碳耦合过程进行定量观测。
第二部分：贡献解读
背景问题：土壤有机碳的累积取决于固持和矿化二者之间的平衡。铁氧化物的矿物学特性及氧化还原敏感性通过影响有机碳固持和矿化过程综合调控土壤有机碳的动态平衡，深入理解铁—碳耦合的关系对于理解土壤有机碳的周转过程具有重要意义。而目前对于铁—碳耦合关系的研究通常只关注铁介导的固持或者矿化的单一过程，对铁介导的同时性或者竞争性的过程鲜有报道，且对铁—碳耦合关系的内在机制研究还不够深入。而本文定量探究了铁介导的有机碳保护作用与分解作用之间的相对贡献，为未来铁—碳耦合关系的深入研究提供了参考。
研究难点：本文将57Fe/13C双稳定同位素示踪与穆斯堡尔技术相结合，实现了对次生铁矿物形成与转化的精确识别和定量表征，以及对铁碳耦合反应过程的定量观测，为后续研究提供了研究思路与方法。
核心发现：铁具有促进有机碳固存与分解的双重功能，定量分析竞争性的和同时发生的铁碳耦合过程，对于精准评估和预测铁氧化物的固碳效应及其与气候变化的反馈关系至关重要。而本研究指出了铁介导的有机碳分解可以抵消铁氧化物对有机碳的保护作用，因此铁不能从本质上保护有机碳；活性铁矿物需要通过自身的物理化学保护来促进有机碳在土壤中的稳定性。
原文来源：Chen, CM., et al., Iron-mediated organic matter decomposition in humid soils can counteract protection, Nat. Commun., 2020, https://doi.org/10.1038/s41467-020-16071-5.
本文由中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室袁松虎教授课题组硕士生田滢筱解读。受作者能力所限，本文难免有不当之处，敬请各位读者谅解。如疑义、建议或其他方面的学术交流，请与袁松虎教授联系，邮箱yuansonghu622@cug.edu.cn.
