《CATENA》：The calcium-biological bridge: an integrated framework for soil organic carbon stabilization in calcareous ecosystems
编辑推荐：
•钙质土壤覆盖全球陆地面积的很大一部分，但在土壤有机碳（SOC）模型中研究不足。•现有框架（MEMS、MCP、SCM）缺乏钙介导的稳定化机制。•我们提出钙-生物桥（CBB）框架，整合微生物和钙途径。•CBB框架包括跨越短至长时间尺度的三种钙介导机制。•该框架为钙质土壤碳持久性
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钙质土壤覆盖全球陆地面积的很大一部分，但在土壤有机碳（SOC）模型中研究不足。
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现有框架（MEMS、MCP、SCM）缺乏钙介导的稳定化机制。
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我们提出钙-生物桥（CBB）框架，整合微生物和钙途径。
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CBB框架包括跨越短至长时间尺度的三种钙介导机制。
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该框架为钙质土壤碳持久性生成可检验的假说。
引言
土壤是最大的陆地碳库，储存约1500至2400 Pg C。这一数量超过陆地植被与大气的总和（Das等，2025年）。这一巨大的碳库与大气活跃地相互作用，在地球气候中发挥关键作用。鉴于该碳库的规模，SOC库的大小或周转的微小波动都可能加剧或缓解人为气候变化（Lal，2019；Zhang等，2022年）。除了气候调节外，SOC在土壤健康、水分保持、养分循环和农业生产率方面也发挥着关键作用（Kopittke等，2019；Zhang等，2022年）。尽管SOC如此重要，全球SOC储量正日益受到人为压力的威胁。仅农业活动就已从表层2米土壤中释放估计133 Pg C的碳（Sanderman等，2017年），而伐木和放牧等持续干扰正在造成额外损失（Jorge等，2025年）。这种消耗削弱了土壤健康、水分保持、养分循环和农业生产率（Lal，2020；Kopittke等，2019年）。钙质土壤以CaCO?为特征，pH值在7.5至8.5之间，覆盖地球陆地表面约30%（Str?m等，2001；Rowley等，2018年），在地中海、北美、中亚和澳大利亚地区尤为显著。钙质土壤含有大量有机碳储量，从干旱农业系统中的0.75至0.81%（Youssef等，2023年）到森林植被下的42.9–63.5 Mg C ha?1（Wasak和Drewnik，2015年）。它们还在表层1米中储存约750 Gt的无机碳（Zamanian等，2021年），这有助于缓冲酸化，并支撑半干旱地区的粮食安全（Kopittke等，2019；Zamanian等，2021年）。尽管其分布广泛且对碳储存意义重大，钙质土壤仍研究不足。现有SOC框架（MEMS、MCP、SCM）主要为酸性或温带系统开发，缺乏对钙驱动稳定化过程的机制表征（Cotrufo等，2013；Zhu等，2020；Lehmann和Kleber，2015）。MEMS未区分铁/铝主导的基质与钙主导的基质（Cotrufo等，2013）；MCP未考虑钙特异性的生物固氮稳定化（Zhu等，2020）；SCM未将有机-碳酸盐共沉淀作为独立途径纳入（Lehmann和Kleber，2015）。我们强调，CBB框架最适用于以高Ca2?可用性和相对较低的铁/铝氧化物丰度为特征的土壤环境条件。在铁/铝氧化物同样丰富的钙质土壤中，多种阳离子可能共同稳定化，各途径的相对贡献应根据具体地点进行评估。
各节摘要
范式转变：从抗性到生态系统控制
早期的SOC稳定性模型强调有机化合物的化学抗性。然而，近期观点将SOC视为分解物质的连续体，其持久性取决于限制微生物获取的生态系统因素（Lehmann和Kleber，2015；Dynarski等，2020；Lehmann等，2020年）。关键保护机制包括有机-矿物结合（Kleber等，2021；Wang等，2021a，Wang等，2021b）、土壤团聚体中的物理封闭（Rowley等，2018），
关键空白
当前SOC框架尚未将钙质土壤地球化学整合到统一模型中。虽然个别研究记录了钙介导的稳定化（Rowley等，2021，Rowley等，2018），以及钙影响的微生物加工（Hu等，2025；Shabtai等，2023），但这两个方向仍然割裂。关键空白在于缺乏综合：即一个将钙塑造的微生物群落与跨时间尺度的多机制钙稳定化相联系的框架。这样的框架
钙-生物桥（CBB）框架：一个整合性提案
我们引入CBB框架，提出钙质土壤中SOC稳定化由两个主要成分的协同作用驱动：
一、生物桥：我们假设，钙影响的微生物群落加工有机输入物，并产生可稳定化的化合物，主要是微生物残体。
二、钙桥：钙介导的途径（阳离子桥接、团聚和共沉淀）被假设为跨越多个
根系来源的碳
根系输入物，包括周转、黏液和根际沉积，是稳定土壤有机碳的主要来源。它们贡献了新SOC形成的约44%（Huang等，2021），其保留效率是凋落物输入的2至13倍（Sokol等，2019）。根系生长将矿物结合有机碳从总SOC的57%增加到65%（Yang等，2023），而根际沉积将光合碳的10–50%转移到土壤中（Li等，2024）。在钙质土壤中，
钙三联体：多尺度保护
三种主要的钙介导稳定化机制在空间和时间尺度上运作。
Ca2+ 阳离子桥接：二价Ca2?在有机质上带负电的有机基团与黏土矿物表面之间形成强键，创造稳定的有机质-Ca-矿物复合物（Rowley等，2021；Kleber等，2021）。在稳定的阳离子桥接之前，溶解性有机质可能通过弱的静电结合相互作用，促进随后的内层络合（Kalinichev和Kirkpatrick，2007；
MEMS、MCP和SCM：优势与局限性
MEMS将植物输入物的质量与微生物CUE和基质稳定化联系起来（Cotrufo等，2013）。然而，它将土壤基质视为一般实体，未能解决钙主导的地球化学问题。
MCP确立了微生物残体作为主要稳定SOC来源的地位（Zhu等，2020）。然而，它仍未说明周围地球化学，特别是Ca2?可用性如何决定残体的命运。
SCM将SOC视为一个连续体，其持久性受环境相互作用的支配（
理论基础与核心原则
CBB框架提出，钙质土壤中SOC的稳定化源于生物桥（微生物产生可稳定化碳）与钙桥（钙介导的保护）之间的持续相互作用。这些过程可能通过反馈回路相互加强。
核心原则：
1. 双桥系统：SOC的持久性假设由两个同等重要且相互关联的子系统驱动：生物系统和地球化学系统。
2. 钙作为中央连接体：Ca2?
有针对性的实验方法
同位素示踪研究：利用13CO?脉冲标记和1?N示踪可以追踪植物来源碳通过微生物生物量（生物桥）的转化，并可以量化其进入钙稳定化碳库（钙桥）的过程。这种方法可以直接检验H1，通过比较阳离子桥接分数和封闭分数中氨基糖和植物聚合物的富集度。
微生物群落操纵：选择性抑制剂、接种或土壤移植可以阐明钙如何影响微生物
结论
SOC稳定化是一个复杂的、多维度的过程，但在钙质土壤中，它可能强烈受钙化学影响。现有模型（MEMS、MCP和SCM）提供了宝贵的见解，但对于解释这些重要生态系统中SOC动态仍然不足。CBB框架旨在填补这一空白，提出一个整合系统，其中钙影响的生物桥将碳加工成适合稳定化的底物，而多机制的钙
CRediT作者贡献声明
Muhammad Muavia Ghauri：撰写—初稿。Liu Mengyun：指导。Umair Ali：可视化、验证。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
Muhammad Muavia Ghauri|Liu Mengyun|Umair Ali
