土壤有机碳是陆地生态系统的关键碳库，增加土壤有机碳是提高陆地碳汇、减缓全球气候变化的重要途径。黏土矿物是活性最高的土壤矿物之一，其与有机碳形成的黏土矿物-有机碳复合体是土壤有机碳稳定存在的重要形式，是“土壤矿物碳泵”的关键组成。相较于矿物外表面结合有机碳，部分黏土矿物层间可赋存有机质，并借助独特的层间域结构对有机碳形成有效保护，避免微生物、高温、强氧化等作用对有机碳的降解，从而赋予层间有机碳“超稳”的特性，使其稳定存在时长甚至可达上亿年。然而迄今为止，土壤黏土矿物层间碳尚未受到足够的重视，加之黏土矿物层间尺寸在纳米、亚纳米尺度，难以开展针对性的评估，因此对土壤黏土矿物的固碳机制，尤其是层间域对有机碳的固定和保护机制仍不清楚，限制了对其固碳本质的深入理解。
图1 透射电镜制样方法、一维晶格像及矿物层间有机碳示意图
中国科学院广州地球化学研究所刘冬研究员联合华中农业大学谭文峰教授团队以及中国科学院生态环境研究中心朱永官研究员团队共同开展了土壤典型黏土矿物层间碳赋存特征研究。由纳米/亚纳米尺度入手，借助黏土矿物经水体沉降可形成定向排布的特性，创新性地建立了一种针对性的透射电镜（TEM）制样方法（图1a），可获得正对黏土矿物（00l）面观测位的切片。进而借助能量损失谱（EELS），实现了在亚纳米尺度（<0.5nm）对矿物层间有机碳的原位直接探测，破解了传统方法无法避免层外有机碳干扰的难题。基于该方法，对我国不同地带性土壤中2:1型黏土矿物层间有机碳进行了原位探测，并系统开展了矿物层间有机碳的结合位、稳定性及数量等赋存特征以及溯源的系统性研究。
主要取得了如下成果：（1）首次获得了我国土壤中蒙脱石、蛭石和1.4nm过渡矿物层间赋存有机碳的直接证据（图1b-1c）；（2）阐明了黏土矿物层间有机碳的形成和稳定赋存的相关机制：通过阳离子交换等进入层间，并可与1.4nm过渡矿物层间的铝羟基等稳定结合；（3）发现土壤黏土矿物层间有机碳具有高占比，农艺措施（如施用有机肥等）可有效提升层间有机碳的数量（图1d）。除此之外，研究者还结合实验室模拟研究初步揭示了微生物对土壤黏土矿物层间有机碳形成的驱动机制（图2）。
图2 微生物驱动土壤黏土矿物层间有机碳形成示意图和蒙脱石层间碳的赋存能谱图
尽管近年来对矿物结合态有机碳的认识日趋深入，但不同类型黏土矿物层间有机碳的类型、形成机制、“超稳”固定机制以及在全球尺度上的固碳效应等仍缺乏系统认知。因此，未来还需在以下几个方面进行深入研究：（1）黏土矿物层间有机碳的系统分析方法亟待建立；（2）黏土矿物层间有机碳的形成机制尚待明确；（3）黏土矿物层间有机碳的赋存特征及稳定机制的探索有待深入；（4）不同矿物层间有机碳固定潜力及其农艺措施增汇技术等研究亟需加强。
中文版: 刘冬, 黄传琴, 肖可青, 朱永官, 谭文峰. 2024. 土壤黏土矿物层间对有机碳的“超稳”固定机制及其增汇效应. 中国科学: 地球科学, 54(11): 3664–3667
