土壤有机碳（SOC）分解是陆地碳循环的核心过程之一，其强度受氧化还原条件的重要调控。传统热力学理论认为厌氧（或缺氧）环境抑制有机碳分解，但近期研究发现，在某些土壤中缺氧反而可能提升SOC分解速率。这一现象的普遍性及其驱动机制尚未明晰。
针对这一问题，中国科学院植物研究所冯晓娟研究组在16个易发生间歇性淹水的区域，采集了20份涵盖不同有机质和矿物组成特征的土壤样品，利用微宇宙培养实验比较了有氧和缺氧条件下SOC的分解速率，并结合土壤生物地球化学性质的动态变化，揭示了驱动SOC缺氧快速分解的关键机制。研究发现，在90天的培养过程中，70%的SOC缺氧分解速率接近甚至超过有氧分解，最高达有氧速率的2.3倍。替代电子受体的还原遵循热力学反应序列：硝酸根在前20天贡献了78%的CO2释放，而第20–90天铁还原贡献率达90%。特别在铁还原阶段，SOC的缺氧分解速率显著高于有氧分解。同时，铁还原过程伴随低分子量水溶性有机碳含量和铁还原功能微生物相对丰度的显著上升。这些证据表明铁还原通过双重机制加速SOC的缺氧分解：既提供电子受体维持氧化还原反应，又通过矿物还原溶解作用释放易分解碳源。
将培养周期延长至200天后发现，缺氧条件下铁结合有机碳损失量达初始量的90%，且与SOC分解增加量显著正相关，表明缺氧条件下铁还原溶解释放的铁结合有机碳可能是SOC分解的重要碳源。随机森林模型表明富含可还原性铁、有机碳及铁还原微生物的土壤在间歇性缺氧条件下极有可能加速损失SOC。综上，间歇性缺氧可通过促发铁还原，诱导金属结合有机碳的溶解，释放易分解碳源，进而激活微生物的代谢活性，最终导致SOC缺氧分解速率超过有氧分解。这一发现修正了“缺氧抑制有机碳分解”的传统认知。因此，本研究建议在全球碳模型中引入铁介导的碳库动态模块，特别是在间歇性缺氧频发、富铁和富碳的热点区域。
该研究成果于近日发表于国际学术期刊Global Change Biology。植物所刘婷副研究员为论文第一作者，冯晓娟研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金的资助。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/gcb.70184
厌氧铁还原驱动土壤碳库加速分解