JCRQ1|南京农业大学杰青 胡水金教授 结合全球尺度土壤样本数据 探究土壤pH值驱动的有机碳与活性氧化铁的联系

•标题：Association of Organic Carbon With Reactive Iron Oxides Driven by Soil pH at the Global Scale

•中文标题：全球范围内土壤 pH 值驱动的有机碳与活性氧化铁的关联

•期刊：Global Biogeochemical Cycles

•影响因子：5.5

•在线发表时间：2022 年 1 月 12 日

•作者：Chenglong Ye, Wenjuan Huang, Steven J. Hall, and Shuijin Hu

•关键词：Iron-associated carbon, soil pH, reactive iron, global scale, soil organic carbon

主要单位：南京农业大学、爱荷华州立大学等

•doi：10.1029/2021GB007128

本文通过分析全球尺度土壤样本（含NEON站点及文献数据）和微宇宙培养实验，探究铁结合碳（Fe-associated C）的主控因素。结果表明，土壤pH而非活性铁含量是控制Fe-associated C浓度的关键因子：当土壤pH从4.2降至3.5时，Fe-associated C浓度显著增加（1→53 g kg⁻¹）；pH>4.2时变化较小；石灰提高pH会降低酸性氧化土中Fe-associated C的形成。此外，Fe-associated C占土壤有机碳比例较低，且与土壤类型、植被类型无显著关联。

土壤是陆地生态系统最大的表层有机碳库，其碳库微小变化会显著影响大气CO₂浓度。铁矿物通过吸附、共沉淀等作用稳定有机碳，占土壤有机碳的15%-38%。然而，全球尺度下Fe-associated C的控制因素尚不明确：活性铁含量与Fe-associated C相关性较弱，气候（如降水）可能通过影响土壤pH间接作用，但pH对Fe-associated C的直接调控机制缺乏全球证据。此外，土壤和植被类型对Fe-associated C的影响也不清楚。因此，需明确土壤pH在全球Fe-associated C分布中的作用，以完善地球系统模型对碳循环的预测。

• 提出研究问题：基于活性铁与Fe-associated C关系弱、pH调控Fe-C相互作用的实验室证据，提出“土壤pH而非铁含量是全球Fe-associated C的主控因子”及“湿润区土壤/植被类型Fe-associated C更高”的假设。

• 构建研究框架：整合NEON站点及文献数据，分析全球土壤Fe-associated C与pH、气候、土壤/植被类型的关系；通过微宇宙实验验证pH对Fe-associated C形成的直接影响。

• 选择研究方法：采用硫代硫酸钠提取Fe-associated C，ICP-OES测铁含量，线性混合效应模型、分段回归、结构方程模型（SEM）分析数据；培养实验通过石灰调节pH，测定Fe-associated C变化。

• 分析数据：结合全球数据集和实验数据，量化pH与Fe-associated C的非线性关系，排除土壤/植被类型的显著影响，验证pH的主导作用。

• 得出结论：通过数据综合与实验验证，确认土壤pH是Fe-associated C的主要控制因子，活性铁含量、土壤/植被类型影响不显著。

本研究使用了国家生态观测网络(NEON)数据、采集的10个非NEON土壤样本，以及 14 篇从已发表的研究中收集的额外样本和数据，来表征全球矿物土壤中与铁相关的碳及其与气候和土壤物理化学因素的关系

• 全球土壤Fe-associated C浓度为0.1-53 g kg⁻¹，占有机碳比例2%-74%，均值分别为4.9 g kg⁻¹和13.6%，整体占比较小。

• 土壤pH与Fe-associated C呈非线性关系：pH 3.5-4.2时浓度从1 g kg⁻¹增至53 g kg⁻¹，pH>4.2时稳定在0.2-14 g kg⁻¹。

• 活性铁含量（Fed、Feo）、土壤类型、植被类型与Fe-associated C无显著相关性。

• 微宇宙实验中，石灰提高酸性氧化土pH（4.6→5.5）显著降低Fe-associated C的形成（较仅添加凋落物处理减少）。

• 研究结论：土壤pH是全球尺度Fe-associated C浓度的主导控制因子，而非活性铁含量；Fe-associated C占土壤有机碳比例较低，且与土壤/植被类型无显著关联。pH通过调控铁矿物表面电荷和有机碳吸附能力影响Fe-associated C，气候（如降水）通过改变土壤pH间接作用。

• 研究的创新性：首次在全球尺度证实土壤pH对Fe-associated C的主导调控作用，解决了活性铁与Fe-associated C相关性弱的矛盾；结合观测数据与实验验证，揭示pH通过表面电荷机制影响Fe-C结合。

• 研究的不足之处：样本地理分布不均（集中于北美和中国），可能未完全代表全球环境；未区分铁矿物中铝的替代效应，无法明确Fe与Al对碳结合的相对贡献；培养实验仅用一种土壤类型，结果外推性有限。

• 研究展望：未来可拓展样本覆盖范围（如非洲、南美）以增强全球代表性；结合光谱或显微镜技术，区分铁与铝对碳的结合机制；探究不同铁矿物类型（如结晶态vs非结晶态）与pH的交互作用；长期监测土壤酸化（如氮沉降）对Fe-associated C的动态影响，完善碳循环模型。

想做自己的垂直领域大数据研究（电池、陶瓷、金属、医药、蛋白、环境、生态、材料、农学、地质等），可使用类似方式完成定制化数据集搜集搭建，TAG-HUB也可提供定制化科研数据集挖掘服务。