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生物矿化课题组在矿物保护和封存土壤有机质方面取得新进展

发布日期:2019-06-19发表者:浏览次数:

 资源与环境学院生物矿化团队在土壤矿物固定和保护土壤有机质的研究上取得新进展,最新研究成果发表在美国化学会出版的《环境科学和技术》(Environmental Science & Technology)上,论文第一作者为博士研究生迟家霖,通讯作者为王荔军教授和张文君副教授。

 土壤系统中碳含量是其他生态系统的三倍以上,因此土壤碳循环在调节和稳定地球气候变化中可能起到至关重要的作用。大量研究显示土壤矿物可通过表面吸附和包埋机制保存土壤有机质。传统的研究主要关注于有机质在矿物表面的吸附,但对于包埋的动力学过程和微观机制却鲜有研究。本研究借助时间分辨的原位原子力显微镜,选择了碱性土壤中最为常见的方解石矿物以及三种典型腐殖质(腐殖酸、富里酸和胡敏素)作为实验材料,在液体环境下原位揭示了吸附到方解石表面的腐殖质可以在碳酸钙的过饱和溶液中逐渐被包裹进入方解石内部(图1)。在碳酸钙的过饱和溶液中,吸附的腐殖质团聚体和方解石的(104)面上生长螺旋的移动台阶作用,通过埋入,压缩和关闭空腔等连续的动力学过程,逐渐将腐殖质粒子封闭进入矿物内部。此外,高浓度植酸(10-100μM)可通过在台缘上形成植酸钙沉淀,阻止台阶移动进而抑制包埋过程,而高浓度草酸(100μM)和低浓度植酸(≤1μM)均不抑制包埋过程。这些原位研究结果揭示了土壤矿物如何包埋和封存有机质,进而延长有机质被降解的时间,这为深入理解土壤有机物-矿物相互作用以及土壤碳固定提供微观机制性线索。

 上述研究得到国家自然科学基金和校自主科技创新基金的支持。

1.(A-G)原位原子力显微镜观察胡敏素在方解石(104)面吸附以及包埋的动力学过程。(A)在方解石(104)面通入高过饱和度溶液(s= 1.196)后,菱形螺旋沿着4个方向生长。(B)通入低过饱和度溶液(s= 0.140)后,螺旋表面台阶移动速度接近0(方解石生长接近平衡态)。(C)在该过饱和度下,通入10 mg/L胡敏素后,团聚的胡敏素粒子吸附在方解石矿物表面。(D-G)图C中白色虚线方框的放大图。重新通入高过饱和度溶液(s= 1.196),吸附的胡敏素粒子逐渐被包埋进入方解石矿物内部。(H)腐殖质颗粒被包埋进入方解石内部的示意图。腐殖质颗粒首先吸附到台阶表面,伴随着台阶的生长,吸附的腐殖质颗粒被移动的台阶压缩,在矿物表面形成空腔,空腔维持一段时间后最终被封闭,从而将腐殖质颗粒彻底包埋。


文章链接

Chi, J. L.et al., Direct Observations of the Occlusion of Soil Organic Matter within Calcite

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.8b06807


供稿:张文君