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近日，东北林业大学生态学院周正虎教授在《Global Change Biology》(IF=10.8)上发表了题为“Global Distributions of Reactive Iron and Aluminum Influence the Spatial Variation of Soil Organic Carbon”的研究论文。论文第一作者为东北林业大学生态学院2022级直博生任斯宇，通讯作者为东北林业大学生态学院周正虎教授。该研究首次生成了高精度的全球土壤铁铝氧化物分布图，系统揭示了活性矿物对土壤有机碳全球分布的主导作用，为未来矿物碳循环模型提供了重要基础。
土壤有机碳可以贡献气候变化自然解决方案的 25%。土壤有机碳稳定性不仅受其生物化学顽固性影响，更重要的是受到矿物保护机制的调控。近年来，矿物保护机制在SOC稳定过程中的重要性得到了广泛认同，特别是铁铝氧化物与有机物之间的相互作用，能够显著增强土壤碳的长期储存能力。然而，现有模型对矿物作用的考虑仍然有限，尤其是土壤中铁铝氧化物的全球分布模式及其功能，尚未在全球范围内系统量化和建模。因此，深入研究铁铝氧化物的空间分布及其对SOC空间变异的重要性，对于减少土壤碳动态预测的不确定性具有重要意义，并为未来的矿物-有机模型提供科学依据。
本研究基于在我国开展的大尺度调查（341条独立观测数据）以及全球文献综述（6786条独立观测数据），构建了覆盖不同空间、气候、植被和土壤条件的全球数据集（图1）。研究旨在探讨铁铝氧化物的全球分布特征及其对土壤有机碳分布的调控作用。研究采用了随机森林机器学习模型生成全球铁铝氧化物的分布图，并通过混合效应模型和方差分解分析，深入剖析矿物、气候、植被和土壤性质对土壤有机碳空间变异的相对贡献。
研究结果
研究生成了首个高精度的全球土壤铁铝氧化物分布图（图2），结果显示这些活性矿物在热带地区（如中美洲、东南亚）和高纬度地区（如针叶林和苔原土壤）含量最高。通过随机森林模型分析发现，湿润气候、高黏粉粒含量和酸性土壤是铁铝氧化物分布的主要影响因素。此外，植被净初级生产力也通过根系分泌促进矿物风化，进一步增强了活性矿物的累积。
混合效应模型表明，铁铝氧化物对土壤有机碳储量的贡献显著，在表层土壤和底层土壤中分别解释了33%和34%的变异（图3），这一比例高于气候、土壤性质和植被因子的综合作用。铁铝氧化物通过形成稳定的矿物-有机复合物，减少有机质的分解速率，同时对高分子量有机质具有选择性保护作用。在酸性土壤中，铁铝氧化物对SOC的影响尤为显著，而在碱性土壤中，SOC更依赖于净初级生产力的驱动。结果表明，将铁铝氧化物纳入地球系统模型是提高SOC动态预测准确性的关键。
总结
本研究通过全球土壤有机碳与活性矿物数据的大规模整合，系统揭示了铁铝氧化物对土壤有机碳储量的核心调控作用。研究发现，铁铝氧化物的分布受气候条件、土壤性质以及植被特性的共同调控。在湿润气候和酸性土壤中，这些氧化物分布最为丰富，并通过矿物保护机制对表层和底层土壤中SOC的固定效应在全球范围内显著高于气候、土壤性质和植被因子。研究还揭示铁铝氧化物对SOC稳定性的贡献受土壤酸碱度和气候条件的调节，特别是在湿润且酸性环境中作用最为显著。这一发现不仅揭示了SOC动态的关键驱动因素，还为改进地球系统模型提供了重要参考，为全球碳循环预测和生态系统管理提供了理论支持。
该研究得到十四五国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校项目的资助。
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