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“碳中和”是指在碳排放（如化石燃料的使用和土地利用变化）与通过陆地和海洋生态系统或CCUS技术（碳捕集、利用与封存）从大气中移除碳的过程之间实现平衡，从而达到CO2净零排放。当前来看，减少CO2排放和增强碳汇（增加从大气中移除CO2的能力）是实现碳中和的两个基本途径。由于目前CCUS技术的大规模应用仍面临诸多挑战，因此在短期内不会成为主要的碳封存方法。陆地生态系统中的碳固存，即利用植被-土壤系统进行碳固存，是应对气候变化的有效自然解决方案，对实现“碳中和”目标具有重要贡献。在过去的几十年里，中国的陆地生态系统作为碳汇，每年吸收1.0-1.5亿吨CO2，部分抵消了人为碳排放。陆地生态系统的碳汇潜力及其增强方法已引起广泛关注。

土壤作为陆地生态系统中最大的活性碳库，其碳储量约为植被的四倍、大气的三倍。与植被碳库相对较短的储存期（驻留时间）相比，土壤（有机）碳的平均驻留时间为数百至数千年，在缓解气候变化方面发挥着不可替代的作用。根据法国农业部的估算，全球土壤碳储量在1米深度范围内增加4%，即可抵消当前全球净CO2排放量（其中不包括陆地和海洋吸收），从而避免大气中CO2浓度进一步上升。这凸显了增强土壤碳汇作为实现碳中和的重要途径的关键作用，尤其是在尚未广泛实施其他碳捕集策略或低碳技术的情况下。因此，土壤碳汇已成为国际碳汇研究领域广受关注的焦点。

然而，土壤碳汇是一个高度复杂的生态过程，受植物、微生物、养分、水分、矿物质等多种因素的调控。我们对土壤碳汇的关键过程和调控机制的认识仍然有限，关于增强土壤碳汇的潜力和途径尚不清晰。基于此，本文通过全面介绍土壤碳汇的关键过程和机制，总结土壤碳汇的主要途径，并强调生物地球化学方法和技术在探索土壤碳汇机制及提高土壤碳汇潜力方面的作用，系统回顾了国内外关于土壤碳汇的研究进展。总体目标是从生物地球化学的角度更好地理解土壤碳汇的机制和潜在途径，并为未来的研究提出一些建议。

2. 土壤有机碳固存的关键过程和调节机制

植物通过光合作用将CO2转化为有机分子。植物合成的有机物随后以凋落物和根系分泌物的形式转移到土壤中，这一过程实质上驱动了土壤（有机）碳的固存。传统观点认为，易降解有机物（如溶解态根系分泌物）容易被矿化为CO₂，因此对土壤碳积累的贡献相对较小。相反，由于化学抗降解性（如木质素），植物中的结构性大分子能够在分解过程中幸存下来。木质素因此被认为是土壤有机碳（SOC）的主要贡献者（图1）。许多土壤碳模型将木质素作为一个关键参数，用以指示一种抗降解（即缓慢降解）的碳库。然而，随着分子生物地球化学技术的发展和应用，越来越多的证据表明，在矿质土壤中，木质素并不像之前认为的那样抗降解。木质素酚类单体的滞留时间（或周转时间）显著短于受矿物保护的组分（例如植物来源的蜡类脂质）。这表明，以木质素为代表的植物大分子对SOC的贡献可能在历史上被高估了。

图1.土壤有机碳的来源及保存机制

随着土壤生物地球化学研究的进展，我们对土壤碳固存过程的理解发生了显著转变。研究重点已从早期的“腐殖质形成”和化学抗降解理论转向了微生物转化和理化保护机制，例如通过矿物和团聚体对SOC的保护（图1）。例如，许多研究发现，SOC分子组分的周转（降解）速率主要受土壤环境的调控，而非其化学抗降解性。在缺氧环境中，氧气限制通过降低微生物和细胞外酶的活性，能够促进有机物的保存和积累，从而导致湿地和泥炭地中SOC密度最高。活性金属氧化物（如无定形铁和铝氧化物）和黏土矿物可以通过吸附、共沉淀等机制与有机质相互作用，从而降低土壤有机质的可及性和降解速率，这对于SOC的长期固存起到了至关重要的作用。此外，由植物根系、菌根、矿物质和有机质形成的土壤团聚体可以通过限制氧气、水分和细胞外酶等的渗透（扩散），抑制有机质的降解，从而保护SOC。

最新研究还发现，尽管异养微生物分解SOC，其残留物（即微生物残体，包括死亡的细胞组分和细胞外副产物）通过与矿物的结合形成一个缓慢循环的SOC库。在微生物群落快速周转和繁殖的过程中，微生物残体不断积累，显著贡献于土壤碳库（特别是缓慢碳库）。这一过程被形象地称为“微生物碳泵”，指的是微生物通过合成代谢将部分易分解有机碳转化为缓慢循环的有机碳（微生物残体）。在微生物转化活跃的土壤中（如草原表层土壤），微生物残体（而非木质素）可能主导了SOC的长期积累。

上述过程调控了SOC的形成和稳定性，而土壤矿物或岩石的化学风化调控了土壤无机碳汇。岩石风化主要指的是大气CO2与土壤或岩石之间发生化学反应，形成碳酸盐矿物，并释放出钙、镁、铁、钠和钾等离子的过程。由于碳酸盐矿物能够与碳酸反应生成CO2，陆地碳酸盐岩的风化过程通常被认为会在短时间尺度（数百至数千年内）影响全球气候，但在更长时间尺度（数千至数十亿年内）无法有效去除大气中的CO2。最近的研究还表明，碳酸盐岩风化过程中形成的溶解无机碳可以被水生环境中的浮游藻类和沉水植物转化为有机碳。这意味着当碳酸盐沉积埋藏时，可以形成一个有机碳汇。相比之下，在硅酸盐岩风化过程中，每个硅酸盐分子可以消耗0.5–1.0个CO2分子并转化为碳酸盐。鉴于碳酸盐的有效存储，硅酸盐岩风化被认为是在地质时间尺度上最重要的大气CO2碳汇，因为它维持了大气CO2浓度的相对稳定性。值得注意的是，硅酸盐岩风化过程中释放的营养元素（如钾和钠）可以促进植物生长，并增强植被-土壤系统的有机碳汇，从而实现短期碳固存。此外，岩石（主要是沉积岩）中含有大量的有机碳，也称为化石有机碳。在全球范围内，化石有机碳风化释放到大气中的CO2通量约为每年40至100吨碳，这在地质时间尺度上是一个重要的碳源。为了缓解化石有机碳释放对全球碳循环和气候变化的潜在影响，可以通过减少沉积岩的侵蚀和暴露在一定程度上促进碳封存。因此，在不同的时间尺度上，生物碳封存和岩石风化在土壤碳封存中都起着重要作用。

3. 提高土壤固碳能力的主要途径

基于SOC固存的调控机制，我们可以从几个方面了解提高土壤碳汇的主要潜在途径：增加植物投入、促进矿物保护、提高微生物转化效率、增强岩石风化作用。

3.1 增加植物输入

植物碳是SOC的主要来源，通过三种方式增加其输入是增强土壤碳固存的关键（图2）。首先，恢复受干扰或退化的植被以增加植物碳输入可以增强土壤碳固存。未经干扰的森林和草原的SOC储量高于耕地或退化的森林/草原，这部分是由于前者具有更高的植物输入（如未移除的凋落物）以及未受干扰的土壤结构（如未耕作或踩踏）。因此，植被恢复有助于增强土壤碳固存。其次，提高植物多样性可能有利于土壤碳固存。相关研究表明，随着植物多样性的增加，SOC储量也会增加。这可能归因于植物生产力与多样性之间的协同关系。此外，增加植物多样性可以提高微生物碳利用效率（即微生物将有机碳整合到生物量中的效率相对于呼吸作用的效率）并可能提升SOC形成效率。因此，增加植物多样性有助于土壤碳的积累。第三，促进和种植深根植物可以增加根部碳输入。大量研究发现，与地上凋落物输入相比，植物根系（包括根系分泌物）的有机物质输入具有更高的SOC形成效率。因此，根系输入对SOC的长期固存贡献更大。特别是，在有机碳和氧气含量较低、微生物活动较少的深层土壤中增加植物根部碳输入具有较高的增加土壤碳固存的潜力。因此，通过培育深根植物来增加根系碳输入是土壤碳固存最有前景的策略之一。科学家们正尝试利用基因编辑技术培育具有深根特性的高碳储植物，以通过光合作用和土壤形成固存大气中的CO2，从而实现土壤碳固存。

图2. 增强土壤固碳的四个主要途径：增加植物投入、提高微生物转化效率、促进矿物保护和增强岩石风化作用

需要注意的是，增加植物输入并不总是能增强土壤碳固存。新鲜有机碳的输入可能会提高微生物活性，从而增加对原生SOC的微生物分解，导致激发效应。当激发效应超过土壤中新形成碳的量时，土壤碳储量可能会减少。在氮等营养物质限制微生物生长的土壤中，新的碳输入容易刺激微生物对土壤有机养分的开采（即增加SOC 的降解），从而引发正向激发效应。这种激发效应的风险在有较高有机碳含量的土壤生境中尤为显著。因此，评估植物碳输入对土壤碳库的影响，需要综合考虑新碳在土壤中的形成效率以及新碳引起的原生 SOC（老碳）的降解。

3.2 促进矿物保护

矿物保护是促进SOC持久性的重要机制之一。当前已有的相关研究表明，矿物结合态有机碳（MAOC）的周转时间显著长于未受保护的颗粒态有机碳（POC）。因此，促进矿物与有机物之间的相互作用被认为是延长SOC驻留时间和实现长期SOC固存的有效途径。以下方法可用于促进矿物保护：

第一，添加具有桥键形成能力的活性矿物或离子 例如，钙离子的加入可以增强有机物与矿物之间的相互作用。钙离子与活性铁氧化物可以通过吸附、共沉淀、螯合和包覆等机制与有机物形成复合物，从而降低SOC的生物有效性和降解率。此外，钙的添加还能改变土壤微生物群落结构，增强微生物活性和枯枝落叶分解速率，促进微生物代谢物与矿物的结合，从而增加MAOC的积累。将黏土矿物添加到沙质土壤中也可以显著提高SOC含量。因此，人工添加含钙、铁和黏土矿物的土壤改良剂可以增强土壤碳固存。

第二，深层耕作 通过将富含有机碳的表层土壤埋入深层，同时将原本深层的、含有较高黏粒和粉粒但SOC含量较低的土壤带到地表。这种做法有两个目的：(i) 将表层土壤埋入氧气和水分含量较低的深层，减少土壤微生物活性并减缓SOC矿化；(ii) 深层土壤SOC含量较低且矿物表面未占用的吸附位点较多（即碳饱和度低），有利于SOC的快速积累。例如，德国和新西兰的研究表明，与未进行深耕的土壤相比，深耕可使SOC储量增加42%-70%。这一实践目前主要应用于农田，但在森林和草地中也已得到验证。

第三，生物炭 作为一种具有高度芳香结构的固体材料，具有较大的比表面积、疏松多孔结构、高碳含量和抗降解特性。生物炭在土壤中能长期存在，并表现出较强的吸附和螯合能力。因此，在一定程度上，生物炭的应用可发挥与矿物类似的作用，以保护SOC。然而，上述方法在实践中存在一定局限性。例如，尽管向沙质土壤中添加铁铝氧化物和黏土矿物能显著提高碳固存效果，但在高度风化土壤中效果并不明显，且过度使用可能导致土壤中重金属的积累。此外，深耕可能增加土壤侵蚀风险，而生物炭应用可能引发植物养分限制并加速旧SOC的降解。因此，在选择能够确保土壤健康和可持续利用的方法时，需综合考虑母质、地形、生物群落和土壤类型等多种因素。

值得注意的是，传统观点认为湿地土壤中的MAOC含量低于草地和森林等旱地土壤。然而，最近的研究表明，湿地的矿质土壤中含有较高水平的活性（即无定形）金属氧化物。此外，湿地中频繁的氧化还原电位变化可促进金属氧化物的形成或活化，从而增强其与有机碳的相互作用。因此，湿地也是矿物-有机物相互作用的热点区域。湿地的标志性植物泥炭藓通过分泌酸性酚类代谢物能够活化金属氧化物，从而增强铁-碳之间的相互作用。研究还发现，在贵州独山实施的一项为期20年的泥炭藓栽培项目使MAOC含量增加了188%，表明泥炭藓栽培与湿地恢复能够显著促进MAOC积累，是一种潜在的基于自然的土壤碳固存策略。

3.3 提升微生物转化效率

微生物既是分解者也是有机物的贡献者，因为它们将易降解的有机碳转化为微生物残体，并长期储存在土壤中。土壤动物通过食用枯落物或捕食微生物，暂时将有机碳储存在其体内。然而，在死亡后，土壤动物会被微生物分解，最终以微生物残体的形式返回土壤。因此，土壤微生物充当驱动易降解有机碳转化为抗性土壤碳库的引擎。值得注意的是，微生物残体的积累伴随着呼吸作用。微生物（残体）转化效率，即微生物将有机碳转化为残体的效率相对于呼吸作用的效率，是决定微生物介导土壤碳封存效率的关键参数。提高微生物转化效率是改善土壤碳封存的另一个重要途径（图2）。

微生物转化效率受微生物生物量合成、残体生产和保存的影响。有机物（底物）质量、营养物质可用性和土壤矿物保护等因素通过影响上述过程来调节微生物转化效率。作为驱动微生物碳过程（MCP）的燃料，有机物（底物）通过其降解性或质量影响微生物的代谢和转化效率。根据“微生物效率-基质稳定化”框架，利用低质量底物（即具有较高碳氮比或木质素氮比）的微生物需要更多能量合成胞外酶，从而导致较低的CUE。相反，高质量底物有利于微生物的同化和生物量合成，这两者随后会增强残体的积累。因此，改善底物质量可以提高微生物转化效率。土壤养分（特别是氮）可用性也能调节微生物生物量的生成和微生物残体的保存，从而影响微生物转化效率。在营养限制下，微生物将更多能量分配用于胞外酶合成，以从土壤有机物中获取必要的养分，这会降低它们的CUE。此外，微生物残体是氮的重要来源。当微生物氮受限时，它们可能优先降解或再利用微生物残体，这也可能会减少微生物残体的保存并降低微生物转化效率。因此，增强土壤养分供应可以提高微生物转化效率，并进而影响土壤碳封存。

此外，土壤矿物也能影响微生物转化效率。一方面，微生物倾向于在矿物表面定殖和生长。另一方面，微生物残体可以由于矿物保护在土壤中持续存在。然而，不同类型的矿物有不同的影响。例如，具有较大比表面积的粘土矿物（如蒙脱石）可能增强微生物转化效率。钙的添加可以促进细菌在矿物表面的繁殖，并增强有机物与矿物之间的相互作用，从而提高微生物转化效率和MAOC的积累。然而，铁氢矿可能通过介导自由基生成来降低微生物生物量合成和微生物转化效率。因此，添加适当的矿物可以显著提高微生物转化效率。

3.4 提升岩石风化

研究者Seifritz在1990年提出，人为增强硅酸盐岩石风化（即增强岩石风化）是一种在地质时间尺度上增加碳封存的重要技术。增强硅酸盐岩石风化可以通过多种方式进行，包括：（1）工业化层面：通过微生物和化学途径加速矿物粉末与CO2的反应；（2）原位封存：将CO2注入富硅酸盐的地质环境或地下水层，促进硅酸盐矿物的碳酸化反应；（3）外源封存：将粉碎的硅酸盐岩石添加到土壤中，促进其与水和CO2的反应，从而加速硅酸盐矿物的风化。

“外源封存”的效果受岩石类型、粒径、环境温度、土壤湿度和土壤pH值等因素的影响。因此，硅酸盐岩石的风化速率可以通过四条主要途径进行增强。首先，风化速率受岩石溶解速率控制。具有较高溶解速率并富含钙、镁和铁矿物的超基性岩石（如玄武岩、橄榄岩和辉长岩）能够迅速风化，从而促进短期碳封存。其次，颗粒较小且比表面积较大的矿物更有利于与CO2的相互作用。因此，添加较小粒径的岩石可以显著提高岩石风化的碳封存效率。第三，CO2在水溶液中的溶解是硅酸盐岩石风化的前提条件，而随着土壤干旱度的增加，风化速率急剧下降。温度在最佳土壤湿度条件下也控制着岩石溶解速率。因此，在温暖潮湿地区，将硅酸盐岩石粉末添加到土壤中对岩石风化和碳封存更为高效。最后，土壤pH值对岩石风化速率有重要影响。低pH有利于硅酸盐矿物的溶解。例如，玄武岩在pH值为4时的溶解速率是pH值为6时的17倍。另一方面，高pH有利于碳酸盐矿物的形成和沉淀。因此，外源硅酸盐岩石风化的碳封存效果需要结合土壤酸碱度来考虑。

增强岩石风化还可以增加SOC汇。一方面，硅酸盐岩石风化可以释放钾、磷等营养物质，有利于植物生长。另一方面，岩石风化可以平衡土壤pH，改善土壤孔隙度，提高植物抗病虫害和抗旱能力，促进植物生长，从而增强植物的碳输入。值得注意的是，岩石风化还会生成次生矿物，这些矿物可以通过矿物保护作用增强SOC封存。基础硅酸盐岩石丰富且广泛分布在中国。因此，将硅酸盐岩石粉末添加到土壤中以可能增强CO2封存能力，已引起中国的广泛关注。

硅酸盐岩石风化在千年时间尺度上提高碳封存，而碳酸盐岩石风化则主要在世纪到千年时间尺度上影响大气CO2水平。研究人员发现，将碳酸盐岩石粉末撒入非喀斯特土壤之中，能够在中国每年增加3859万吨的碳汇。如果碳酸盐岩石风化能够与生物泵效应结合，它可以促进风化过程中形成的溶解无机碳转化为有机碳，从而增强有机碳汇。尽管目前无法评估碳酸盐岩石粉末应用带来的长期有机碳汇，但碳酸盐岩石的快速溶解动力学相关研究表明，碳酸盐岩石粉末的应用在提高碳封存方面具有巨大潜力。

4. 研究前景

如上所述，土壤碳汇是一个复杂的生物地球化学过程，涉及植物、微生物和岩石矿物的共同作用。土壤碳循环研究跨越了地球科学、生命科学和化学科学等多个学科领域。根据对以“SOC”作为标题或关键词的项目的粗略检索，中国国家自然科学基金（NSFC）在过去10年时间里（2014–2023年）资助了约700个与SOC相关的项目，其中2023年资助了超过120个项目。这些研究从土壤生态学的角度分析了土壤碳对全球气候变化的响应，探讨了微生物介导的SOC形成与转化机制，以及基于大数据的SOC建模。总体而言，这些研究加强了中国土壤碳循环的研究工作。本文从生物地球化学的视角提出了若干未来研究方向，以帮助加深我们对土壤碳汇机制的理解，并评估土壤碳汇的潜力。此外，深入了解生物地球化学循环，并量化生物体对岩石形成与风化、碳循环及其他过程的影响，也是《2020-2030年国家自然科学基金地球科学愿景》中的十二个优先科学问题之一。因此，加强土壤碳汇的生物地球化学研究不仅有助于地球科学基础研究，还将推动实现“双碳”目标，并开辟跨学科研究的新领域。

4.1 评价土壤微生物残体及其转化效率的精炼方法

土壤MCP在MAOC的形成、积累和长期封存中发挥着关键作用。然而，土壤MCP的驱动因素和效率仍然不甚明了。使用13-C标记底物可以通过监测底物碳转化为微生物残体（如氨基糖）相对于微生物呼吸（CO2）的比例，定量评估微生物残体（例如氨基糖）积累效率。这一方法在一定程度上反映了土壤MCP的效率。然而，作为微生物细胞壁的组成部分，氨基糖无法追踪微生物的胞外物质（如胞外聚合物和酶）。因此，使用氨基糖来指示微生物残体忽略了胞外代谢产物的贡献。因此，迫切需要开发替代方法或生物标志物，以准确追踪微生物残体（包括细胞残骸和胞外代谢产物），并精确评估微生物源有机碳对土壤碳库的贡献以及土壤MCP的效率。例如，与氨基糖不同，氨基酸既具有细胞内微生物来源，又广泛存在于微生物的胞外物质中，这使其在追踪微生物代谢产物方面具有潜力。然而，与氨基糖相比，土壤氨基酸的研究相对有限，其潜力尚未得到充分探索。

4.2 探索MAOC的形成机制和封存潜力

岩粉施肥在农田中的应用，即人工促进岩石风化，已成为国外众多理论、实验室和田间研究的主题，并被提议作为碳封存的关键战略途径之一。然而，这项技术的广泛应用仍面临着诸多障碍，如缺乏量化指标、需要优化过程以及对其生态和环境效应的综合评估。在增强岩石风化技术能够进入碳交易市场之前，解决这些问题是必要的。针对这些问题的潜在解决方案包括：(1) 必须制定评估通过增强岩石风化实现碳封存的国家标准，这在国际碳交易市场和国际碳减排核算背景下已有提出。新的标准需要具备独立的知识产权、国际认可和独立的核算能力，最重要的是，这些标准必须能够以快速且成本效益高的方式进行评估。特别是，实验室中获得的硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解动力学参数可能不适用于现场情况，因为现场与实验室条件存在显著差异。此外，常规的现场观测具有较高的成本和较大的时空异质性。例如，碱度的测量可能受到现场水文条件和二次碳酸盐沉淀的影响。(2) 必须发展矿物溶解动力学理论，并与田间实验进行对比，以确定适合中国农业的增强岩石风化策略。以往的研究主要集中在干旱农田上，但中国广泛分布的湿润农田，如水田，尚未受到足够关注。因此，为了实现最大的CO2封存，需要在湿润农田进行实验，以确定适合这些条件的最佳岩石类型、耕作模式和施用过程。(3) 需要在金属迁移、土壤肥力、土壤有机质等方面进行增强岩石风化的生态效应综合评估。一些风化速率较高的硅酸盐岩石中含有大量有害重金属，如铬和镍，在岩石风化过程中可能被释放，进而通过食物链影响植物生长、粮食安全和人类健康。为了防止重金属污染土壤，需要对不同岩石释放有害元素及其生态风险进行初步评估。此外，同步监测土壤肥力变化和土壤有机质积累有助于评估通过施用碳酸盐和硅酸盐岩粉增强碳封存的生态效应。

总的来说，建立一种标准化的CO2封存评估体系，通过人工增强岩石风化对CO2的吸收，将有助于在中国代表性的水田和旱地农业系统中进行综合田间实验。还需要对CO2封存的定量技术进行比较研究，如水文化学、同位素追踪、显微界面特征分析和岩石样品分析。此外，还需要进行对岩粉粒度、施用频率和施用深度对CO2封存效果影响的比较研究。随后，应通过对不同施用策略的优劣比较，建立一种标准化的增强岩石风化碳封存评估体系。最后，评估增强岩石风化的综合生态和环境效应，将为决策者提供可靠的建议，帮助判断是否应在国家层面推广增强岩石风化技术以提升碳封存。