近日，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所陳槐研究員及團(tuán)隊(duì)在泥炭地土壤碳庫(kù)穩(wěn)定機(jī)制研究中獲新進(jìn)展。研究成果在線發(fā)表于《科學(xué)通報(bào)》。
在本世紀(jì)初，F(xiàn)reeman提出的酶“閂”理論認(rèn)為厭氧環(huán)境限制酚氧化酶活性及酚類(lèi)物質(zhì)限制水解酶活性，穩(wěn)定了泥炭地土壤碳庫(kù)。該理論是基于酸性、厭氧及低礦物質(zhì)含量的泥炭環(huán)境提出，沒(méi)有考慮礦養(yǎng)泥炭地及水位降低泥炭地土壤碳過(guò)程，也沒(méi)有考慮氧氣、pH、礦物質(zhì)及土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等變化對(duì)酚氧化酶活性及碳庫(kù)穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，最近研究指出土壤中參與酚類(lèi)物質(zhì)氧化的酶不是指一種酚氧化酶，而是一系列氧化酶。
團(tuán)隊(duì)綜合近30年關(guān)于泥炭地土壤碳庫(kù)穩(wěn)定機(jī)制，提出了碳“鎖”框架。在該框架中，水位變化調(diào)節(jié)泥炭地土壤的氧化還原狀態(tài)和酚類(lèi)物質(zhì)的氧化還原過(guò)程，進(jìn)而調(diào)節(jié)土壤有機(jī)碳組分、微生物及酶活性和土壤碳庫(kù)穩(wěn)定性。
在有氧狀態(tài)下，大量的植物源酚類(lèi)物質(zhì)被氧化為醌類(lèi)物質(zhì)，緩解了酚類(lèi)物質(zhì)對(duì)土壤微生物和不同酶活性的限制，同時(shí)促進(jìn)了大量微生物源復(fù)雜碳的積累，即微生物碳泵。酚類(lèi)物質(zhì)氧化得到的醌類(lèi)物質(zhì)通過(guò)離子交換、氫鍵和共價(jià)鍵等與土壤礦物質(zhì)結(jié)合形成相對(duì)穩(wěn)定的礦物結(jié)合有機(jī)碳復(fù)合體。該復(fù)合體結(jié)合的礦物質(zhì)可進(jìn)一步催化更過(guò)的酚類(lèi)物質(zhì)氧化。泥炭地表層有氧環(huán)境促使形成的醌類(lèi)物質(zhì)和礦物結(jié)合有機(jī)碳及其相互結(jié)合形成的團(tuán)聚體，改變了土壤有機(jī)碳組成，穩(wěn)定了泥炭地土壤碳庫(kù)。隨著泥炭地發(fā)育和泥炭積累，大量的酚類(lèi)和醌類(lèi)物質(zhì)積累在泥炭地深層，深層厭氧的環(huán)境促使大量的醌類(lèi)物質(zhì)還原為酚類(lèi)物質(zhì)。酚類(lèi)物質(zhì)通過(guò)限制微生物和酶活性，減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳的分解和穩(wěn)定土壤碳庫(kù)，這個(gè)過(guò)程和以往的酶閂理論一致。
在水位波動(dòng)過(guò)程中形成的有氧厭氧過(guò)渡層，頻繁的氧化還原變化和可溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)移使得碳庫(kù)穩(wěn)定過(guò)程更加復(fù)雜。水位降低增加了過(guò)渡層土壤氧化潛勢(shì)，同時(shí)導(dǎo)致大量的可溶性高價(jià)位的醌類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)移至該層，這些物質(zhì)一方面與礦物質(zhì)等結(jié)合形成礦物結(jié)合有機(jī)碳，另一方面酚類(lèi)物質(zhì)氧化也減緩了對(duì)微生物的限制，和以往的鐵門(mén)理論和微生物碳泵理論一致。水位上升降低了氧化還原層的氧化潛勢(shì)，導(dǎo)致酚類(lèi)物質(zhì)積累，進(jìn)一步限制微生物代謝和水解酶的活性。
因此，相比于表層有氧層和深層厭氧層，研究發(fā)現(xiàn)有氧厭氧過(guò)渡層含有大量的復(fù)雜有機(jī)碳和較低的微生物活性，其碳動(dòng)態(tài)和有機(jī)碳穩(wěn)定機(jī)制更加復(fù)雜。
團(tuán)隊(duì)在酶閂理論的基礎(chǔ)上形成了復(fù)雜碳“鎖”框架，完善泥炭地土壤碳庫(kù)穩(wěn)定理論體系。在該框架中，酚類(lèi)物質(zhì)氧化產(chǎn)物-醌類(lèi)物質(zhì)通聚合和螯合作用（鐵門(mén)理論）及微生物同化（微生物碳泵）形成難降解化合物的“門(mén)”，
同時(shí)醌類(lèi)物質(zhì)還原為酚類(lèi)物質(zhì)，抑制不同氧化酶活性（酶閂理論）。復(fù)雜物質(zhì)“門(mén)”持續(xù)形成大量復(fù)雜有機(jī)碳，而酚“閂”進(jìn)一步限制微生物及其各種氧化酶活性，二者共同構(gòu)成泥炭碳土壤碳庫(kù)穩(wěn)定的復(fù)雜碳“鎖”框架。該框架受泥炭地土壤氧化還原電位、pH值、礦物含量及養(yǎng)分有效性的共同調(diào)控。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.06.021
本文鏈接：科學(xué)家在酶“閂”理論基礎(chǔ)上提出碳“鎖”框架http://www.sq15.cn/show-11-24004-0.html
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