基于13C自然丰度的土壤碳转化路径解析：全球尺度下有机质稳定化机制与调控因素

本研究通过整合全球1190组δ13C数据，首次系统揭示了土壤有机质（SOM）从游离轻组分（fLF）向矿物结合态（MAOM）的碳流路径，证实矿物吸附是长期固碳的核心机制。研究人员利用13C自然分馏特征，阐明了土地利用、气候和黏土含量如何通过调控微生物活动影响SOM稳定化，为全球碳汇管理提供了理论依据。

　　

土壤作为全球最大的陆地碳库，其有机质（Soil Organic Matter, SOM）的稳定化机制直接关系到气候变化应对策略。然而，植物凋落物如何通过物理保护（如团聚体包裹）和化学吸附（如矿物结合）转化为稳定SOM的过程始终是个"黑箱"。传统研究依赖¹³C标记或土地利用变更等干扰方法，难以揭示自然状态下碳的连续转化路径。更棘手的是，全球不同气候带、土壤类型和农业管理措施如何影响这些路径，至今缺乏系统性证据。

中国科学院的Ying Wang、Anna Gunina团队联合国际学者，在《Soil Biology and Biochemistry》发表了一项突破性研究。他们创新性地利用¹³C自然丰度差异——即微生物优先分解¹²C导致的同位素分馏效应，构建了全球78项研究、1555组δ¹³C数据的分析框架。通过比较团聚体粒径分级（>250μm宏团聚体至<53μm粉粒+黏粒）和密度分组（游离轻组分fLF_<1.6至矿物组分MF_>2.0）的Δ¹³C（各组分与全土δ¹³C差值），首次绘制出不受人为干扰的SOM转化路径图谱。

关键技术方法
研究整合了全球33个站点的团聚体数据和83个站点的密度分组数据，采用同位素质谱测定δ¹³C值。通过计算Δ¹³C量化不同组分间的分馏强度，结合土壤理化性质（黏土含量、pH）和气候因子（温度、降水）进行多变量分析。

研究结果

同位素分馏揭示碳流方向
数据显示：宏团聚体δ¹³C比全土低0.8‰，而微团聚体（<250μm）和粉粒+黏粒组分分别富集0.15‰和0.4‰，证实碳从大团聚体向小粒径迁移。密度分组中，从fLF到矿物结合态MAOM的Δ¹³C增幅达1.5‰，其中封闭轻组分（oLF）向封闭重组分（oDF）转换时出现最大分馏（+1.1‰），暗示该步骤涉及多次微生物改造。

矿物吸附主导长期固碳
MAOM在所有土壤中表现出最重的Δ¹³C特征（比全土高1.2-1.8‰），其分馏程度与黏土含量正相关。这表明微生物代谢产物通过化学键合在矿物表面形成"终极"稳定碳库，其滞留时间可达世纪尺度。

环境因子的调控作用
黏土含量每增加10%，MAOM的Δ¹³C提高0.2‰；酸性土壤（pH<5.5）中微生物活动受限，导致oLF→oDF分馏减弱。干旱区碳流速率比湿润区慢30%，而耕作土壤因物理扰动使宏团聚体δ¹³C分异度降低40%。

结论与意义
该研究证实全球土壤存在统一的SOM转化路径：植物残体→团聚体保护→微生物改造→矿物固定。这一路径受黏土含量、pH和气候的协同调控，但MAOM始终是碳汇的最终归宿。成果为精准预测不同管理措施下的固碳潜力提供了同位素示踪新范式，尤其为农业减排（如免耕保护团聚体）和生态修复（如黏质土壤优先保护）提供了理论支撑。通过建立δ¹³C分馏强度与稳定性的定量关系，未来可发展无需标记的土壤碳周转诊断技术。