高纬度地区的冻土是全球气候变化中最显著的“临界要素”之一。由于这些地区长年低温，冻土中大量的地表植被有机质得以保存。研究表明，多年冻土区储存了全球土壤中约50%的碳，这一比例超过了大气和植被中的碳总量。北半球高纬度（北极）地区的温升速度是全球平均水平的2至4倍，因此冻土对全球变暖极为敏感，并在全球碳循环中发挥着关键作用。当全球温度升高超过2℃时，北极多年冻土的解冻范围将显著扩大，给全球生态系统带来严重威胁。因此，深入研究冻土碳循环对全球变化的响应显得尤为紧迫。
矿物和微生物残体在土壤有机碳的稳定方面发挥着至关重要的作用，但它们对北极多年冻土中碳持久性中的关键作用机制尚不清楚。基于此，天津大学界面过程与土壤圈演化研究中心的余光辉教授及博士生郭乂瑄，与美国北卡罗来纳州立大学胡水金教授、中科院沈阳应用生态研究所梁超研究员、德国图宾根大学Andreas Kappler教授、美国阿拉斯加生态科学家Mark Torre Jorgenson博士、威斯康星大学郭劳动教授以及德国莱布尼茨大学Georg Guggenberger教授等合作，针对美国阿拉斯加地区的典型冻土区域开展研究。综合加速器质谱、同步辐射显微成像和生物标志物分析等现代技术，并耦合室内培养实验，本研究揭示了深层冻土中碳稳定和储存机制。主要认识和研究结论如下：
1）研究表明，“微生物碳泵”和“矿物碳泵”在北极深层冻土的碳储存中并不占主导地位。尽管现有范式认为微生物残体及其与矿物的相互作用主导土壤碳的稳定，但本研究发现，阿拉斯加冻土中的微生物残体碳仅占有机碳的10%-15%，远低于全球30%-60%的平均水平，并且冻土有机碳与活性矿物的关联性较弱。因此，植物残体的稳定机制是冻土碳稳定的关键。
2）提出了冻土碳稳定的新机制。研究发现，过氧化物酶活性与Δ14C和δ13C呈现极高的相关性（p < 10-6），表明过氧化物酶调控了土壤有机碳的稳定。具体机制为：微生物（主要为真菌）产生的过氧化物酶选择性降解土壤中木质素；过氧化物酶的降解形成的腐蚀坑为纳米颗粒提供优先吸附位点；最终，冻土中植物残体表面形成有机-矿物复合体，从而实现碳的长期稳定。
3）同步辐射红外显微成像为新机制提供了直接证据。在亚微米尺度上，该显微分析揭示了植物源和微生物源碳官能团与矿物表面羟基之间的强相关性，但不同碳源的官能团与矿物官能团比例显著不同，表明矿物表面对土壤中不同碳源的保护作用存在差异。该方法提供了胞外聚合物与矿物的关联特征，可作为“微生物碳泵”研究中生物标志物方法的互补平台。
4）培养实验结果发现，水分含量的增加，尤其是在0-40%的范围内，显著提升了过氧化物酶的活性。该发现揭示了永久冻土中的老碳易受到水分引起的过氧化物酶脱稳机制的影响。
图1. 北极冻土的取样点分布图
图2. 北极深层冻土的有机碳稳定机制
相关研究以“Deciphering the Intricate Control of Minerals on Deep Soil Carbon Stability and Persistence in Alaskan Permafrost”为题发表在国际生态领域知名期刊Global Change Biology。天津大学2021级博士生郭乂瑄为论文第一作者，余光辉教授为通讯作者。该成果得到了国家自然基金项目 (U22A20608、41977271和32241037)和天津市科技计划项目（23ZYJDJC00050和24ZYJDJC00330）和上海光源多条线站（BL01B1, BL06B1, BL11B, BL14W和BL15U）的资助和支持。
文章信息：
Yi-Xuan Guo, Guang-Hui Yu*, Shuijin Hu, Chao Liang, Andreas Kappler, Mark Torre Jorgenson, Laodong Guo, Georg Guggenberger. Deciphering the intricate control of minerals on deep soil carbon stability and persistence in Alaskan permafrost. Global Change Biology, 2024, 30(10): e17552.
https://doi.org/10.1111/gcb.17552
