通过研究矿物与有机碳的相互作用，揭示矿物碳泵对地球碳存储和氧循环的影响机制，阐明其在调节地球长期碳氧循环中的关键作用，从而为应对气候变化提供新的见解和策略。
导读
矿物碳泵通过矿物与有机碳的相互作用，在地球系统内有效提升有机碳的存储与氧循环。研究表明，这一机制对地球气候演变、碳循环以及生命的起源和演化具有重要影响。本文探讨了陆地和海洋环境中矿物-有机碳交互的多样性及其对碳储存的贡献，展现了矿物碳泵在应对气候变化中的潜力。
图1 矿物-有机碳相互作用（矿物碳泵）存在于地球系统的多种环境中
无处不在的界面反应
在陆地和海洋环境中，矿物与有机碳（OC, organic carbon）的接触几乎是不可避免的，它们之间的界面反应会自然发生，具有带电羟基或永久电荷的粘土矿物和有机碳中的官能团（如羧基、酚基和胺基）容易发生结合，形成稳定的结构，从而保护OC免受微生物降解。
铁氧化物的关键作用
粘土矿物与有机碳的界面反应中，铁氧化物发挥了关键作用。虽然铁氧化物的含量比粘土矿物低得多，但由于其具有较大的表面积和高度活跃的表面特性，它们能有效保护OC。研究发现，全球高达80%的OC因与反应性铁结合得以保存。
陆地与海洋的协作
陆地环境中，粘土矿物通过与铁氧化物的协作，可在河流搬运和沉积过程中减少有机碳的损失，并有效保存有机碳。在海洋环境中，铁氧化物与粘土矿物结合后还能与藻类聚合，加速有机碳的沉降和埋藏，与海洋微生物碳泵共同促进有机碳的封存。
促进海洋碳封存
在海洋沉积物中，铁和锰氧化物能够将活性有机碳转化为更复杂且难以降解的形式，从而每年封存约4.1兆吨碳。海洋内部的研究也表明，胶体铁氧化物与有机碳分子的结合通过“胶体分流”机制提升OC的保存，而无需增加海洋初级生产力。
地球演化的推动者
MnCP (Mineral carbon pump)的作用不仅限于碳存储，还可能与地球生物化学演化和生命起源密切相关。在海底热液沉积环境中，活性矿物能催化有机分子的聚合，形成生命基本分子。这种保护机制也促进了早期地球大气中氧气的积累，为地球环境演化和生命起源提供了重要条件。
总结与展望
未来应加强对矿物碳泵在不同环境系统中的研究，量化其效率与影响力。这一机制有望成为实现碳中和和气候变化缓解的重要途径，为全球碳管理带来新的可能性。
责任编辑
范林峰 中国科学院成都山地灾害与环境研究所
刘 宁 香港城市大学
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(24)00175-9
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第六卷第一期发表的Commentary文章“Mineral carbon pump in the Earth system” (投稿: 2024-04-25；接收: 2024-11-15；在线刊出: 2025-01-06）。
DOI：10.1016/j.xinn.2024.100737
引用格式：Xiao K., Zhao M., Moore O., et al. (2024). Mineral carbon pump in the Earth system. The innovation 6: 100737.
作者简介
朱永官 中国科学院院士，发展中国家科学院院士，研究员，博士生导师，中共党员。现任中国科学院生态环境研究中心主任。
中国科学院院士朱永官带领一群“土壤高级玩家”，一同创作出了本部集科学性、趣味性和前瞻性于一体的科普著作——《鲜活的土壤》，以科研者的视角和深入浅出的笔触，向大众讲述了土壤的本质、功能、土壤污染问题以及由此带来的粮食安全问题等人们关心和感兴趣的话题。
书中不仅涵盖了土壤的形成、分类、功能等基础内容，还深入探讨了土壤与生态环境、人类健康、文明演变进程等方面的紧密联系。用丰富的科研数据与成果揭示了土壤作为农业生产之基、生态系统之本的不可替代作用，更强调了在当前全球环境变化与资源约束加剧的背景下，科学合理地利用土地资源，对于维护国家粮食安全、促进生态平衡、实现经济社会可持续发展乃至推动人与自然和谐共生的战略价值。
《土壤盐渍化的诊断、评估、减缓与适应技术指南》由联合国粮农组织 / 国际原子能机构粮食和农业核技术联合中心水土管理和作物营养科专家穆罕默德·扎曼、李恒所著。著者长期致力于改善土壤、水资源与肥料管理的生产实践，为促进国际社会农业积极适应气候变化做出了贡献。
该书回顾了全球土壤盐渍化的历史和治理成败经验，旨在制定盐度和钠化度的评估技术规程，完善盐渍化土壤的缓解和适应措施，创新和推进核技术和同位素技术等的应用，为可持续地利用盐碱地提供可行性方案。该书具有先进性、指导性和实用性，能够切实解决生物盐碱农业所遇到的实际问题。该书可为进行景观和农田土壤盐渍化评估和诊断，利用核技术和同位素技术制定边际土壤可持续利用战略的技术研究人员、一线管理人员提供参考和借鉴。
康绍忠院士序|《土壤盐渍化的诊断、评估、减缓与适应技术指南》出版发行
张佳宝院士序|《土壤盐渍化的诊断、评估、减缓与适应技术指南》出版发行
Rainer Horn 博士，德国基尔大学教授，世界著名土壤物理学家。现任中-欧土地和土壤合作专家组委员，曾任世界土壤联合会(IUSS)主席，IUSS土壤物理委员会、土壤技术委员会以及第三工作组主席、土壤耕作研究组织主席、德国土壤学会主席等土壤学术组织重要职位。Horn教授在不饱和土壤力学理论创新和应用、土壤物理多尺度过程、土壤力学与水力学、物理化学和生物学等多学科交叉研究等方面取得巨大成就，并成功应用于指导固废处理、地质工程安全以及电缆地下埋藏等社会经济多方面。发表100余篇期刊论文，数十部土壤学专著以及数百篇技术报告，荣获美国土壤学会、美国农学会会士，罗马尼亚、波兰、德国土壤学会以及国际土壤耕作研究组织等学术团体先后授予Horn教授荣誉会员称号。
该书由赵英博士和张斌博士组织，邀请了诸多从事土壤物理研究的中青年工作者共同翻译。他们花费很大精力把该教材引进国内，可使更多的科研人员系统了解土壤物理学，对推动我国土壤物理学的发展意义重大。
邵明安院士序|《土壤物理学精要——过程、功能、结构和力学导论》
《土壤物理学精要——过程、功能、结构和力学导论》出版—赵其国院士序
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