现代农业科学学院

有机碳（OC）降解与保存之间的平衡对于调节地球系统中大气CO₂和O₂至关重要。这不仅调节短期气候，还对早期地球的氧化起着重要作用。最近，矿物碳泵（MnCP）的提出，用来描述土壤矿物如何增强OC的持久性和积累，其中与矿物的相互作用（包括吸附、封闭、聚集、地质聚合和氧化还原反应）稳定了易降解OC。鉴于金属（水）氧化物和粘土矿物在陆地和海洋环境中的广泛存在，并基于最近在矿物-OC相互作用方面的进展，该文章建议MnCP在地球系统中普遍存在，并在OC保存和全球碳和氧循环中发挥关键作用（图1）。

在许多陆地和海洋环境中，矿物与OC之间的接触是不可避免的，界面反应可以在带有电荷的羟基或永久电荷的上矿物与OC官能团（尤其是羧基、酚基和胺基）之间自发产生。金属（水）氧化物，特别是铁（水）氧化物，通常比粘土矿物的丰度低一个数量级，但由于它们具有更高的表面积和反应表面，促进了动态界面反应，因此在OC保存中更为重要。在全球陆地和海洋沉积环境中，高达80%的OC与活性铁相关。在海洋沉积物中发现，活性铁和锰矿物可以将易降解的OC分子通过地质聚合成合成更复杂、更难以降解的大分子OC，每年埋藏量约为4.1 Mt C。在海洋内部，最近的研究表明，胶体铁矿物与OC分子的耦合在控制海水中铁分布起着关键作用。这种胶体分馏机制强调了铁矿物与OC之间具有重要联系，就像它们在海洋沉积物中的耦合一样。因此，尽管海洋初级生产（PP）往往受到铁的限制，但MnCP可以通过加强保存来分离PP与OC埋藏，而不需要同时增加PP。

粘土矿物具有带电的羟基和永久表面电荷，因此也可以在陆地和海洋环境中为OC提供重要的储存库，同时也可能在其层间封闭OC。铁（水）氧化物/粘土矿物共同作用，可以在侵蚀和河流传输过程中促进陆地OC的埋藏，这将生物圈颗粒有机碳（POC）转移到下游沉积盆地或湖泊，而矿物保护就可以显著减少POC的氧化损失。河流OC在与云母和绿泥石紧密结合时也可以在海洋环境中持久存在，这种结合方式避免了在暴露于海水高离子强度时解离的发生。一旦进入海洋，铁（水）氧化物/粘土矿物可以与藻类聚集，增加生物碳泵的碳封存，因为矿物-OC聚集体通常在海水中下沉得更快，不易受到微生物降解。这些发现有力地支持MnCP在土壤以外的环境，包括河流和海洋环境中的运行，其中在海洋环境中除了海洋微生物碳泵之外，MnCP也会发生。

矿物与OC在地球系统中相互作用的重要性，导致MnCP可能帮助推动了生命起源，并促进地球的生物地球化学演化。海底热液沉积物和狭缝可以提供流动梯度系统（如pH、温度和氧化还原），将活性矿物与有机化合物结合起来，为生命起源可能起关键作用的氧化还原和地质聚合反应提供有利条件。活性矿物如铁（水）氧化物或皂石粘土可以在这些环境中催化较小OC分子合成大分子（如RNA、肽）。鉴于通过MnCP保护OC导致OC部分埋藏，这允许O₂在地球早期大气中积累。通过对地球历史上细粒海洋沉积物中铁氧化物含量的汇总研究发现，后拉伸纪（<830 Ma）的铁氧化物平均含量是前冰期（>830 Ma）的两倍多。利用生物地球化学模型，该研究表明，与铁氧化物相关的OC埋藏的增加可能是新元古代氧化事件（NOE）和大氧化事件（GOE）的驱动力。大气氧气增加可以进一步促进海洋沉积物中黄铁矿氧化为铁氧化物，进一步加速OC埋藏和大气氧化，从而为氧化提供正反馈。

总之，该研究认为MnCP在许多不同的地球系统中普遍存在，应该被囊括在多个建模过程中。基于各种活性矿物，包括金属（水）氧化物和粘土，不同类型和来源的OC以及地球系统中存在的各种环境条件，我们推测不同的矿物-OC相互作用（MnCP）可能在不同的系统中占主导地位，导致MnCP的不同速率或者效率。目前，应该定量评估它们对OC保存和埋藏、碳和氧循环以及相关地球系统过程的影响。利用MnCP的力量在增加OC储量以缓解气候变化和实现碳中和方面也可能发挥关键作用。