土壤是地球最大的陆地有机碳储库之一，但这些碳为什么能够在自然环境中长期保存一直是全球碳循环研究中的重要问题。过去研究主要依赖模型推测不同碳组分的循环过程（图1），缺少直接实验验证。本研究开发新的14C分析技术，希望直接追踪不同有机碳组分的 “生命轨迹” ，揭示土壤长期储碳的奥秘。

1、导读

地球上的土壤和沉积物储存了大量有机碳，它们像一个巨大的“碳仓库”，调节着全球气候变化。然而，一个长期困扰科学家的问题是：这些有机碳为什么能够在土壤中保存如此长时间？哪些碳容易被微生物分解，哪些碳能够长期稳定存在？过去，科学家通常利用数学模型推测不同类型有机碳的循环过程，但缺少直接观察这些碳组分年龄变化的方法。地表过程与水土风沙灾害风险防控全国重点实验室汪洪教授团队研发了一种新的热解-红外-14C联动分析技术，可以直接分离不同性质的有机碳，并测定它们各自的14C年龄，为破解陆地碳循环机制提供了新的实验工具。

图1 生物圈有机碳被矿物颗粒固存形成稳定陆相碳库的四种理论机制示意图。A 保护性保存机制： 有机碳进入土壤后，在未被微生物充分分解之前，被矿物颗粒包裹或吸附，从而长期保存；B 选择性保存机制： 有机碳首先经历微生物分解，易降解组分被消耗，剩余难降解组分被矿物颗粒固定；C 再加工保存机制： 有机碳经过水流或风力搬运，在迁移过程中发生氧化和再降解，随后被矿物颗粒再次保存；D 深度演化保存机制： 表层有机碳尚未受到矿物保护，随着土壤埋藏加深，微生物作用增强，部分有机碳逐渐转变为稳定碳库。

2、研究内容

实验室汪洪教授团队联合中国科学院地球环境研究所教授级工程师程鹏以及广州地化所和地环所、北师大地理学部和环境学院等学者和工程师，在安芷生和周卫健院士参与下，将高温热解、红外光谱分析和14C测年技术结合，使不同类型有机碳可以被分离，并分别追踪它们在环境中的保存时间。利用新研发的仪器和分析技术，对东北黑土剖面、吉林四海龙湾玛珥湖人类世沉积、华北黄河三角洲河流沉积、西北黄土沉积和西南喀斯特地貌区基岩表面岩漆序列，系统开展了土壤、岩石和沉积物有机碳活性-顽性和稳定-惰性组分萃取，组分特征-功能识别，以及14C年代-示踪分析，同时集成美国中西部关键带土壤、喀斯特溶洞洪水沉积和日本南部芒草农场土壤剖面的活性和惰性组分14C年代数据，对理论模拟的陆相有机碳循环机理，用高精度实验数据进行识别和验证。研究结果表明，无氧热解萃取的活-顽性有机碳组分与氧气燃烧热解残存物萃取的稳定-惰性有机碳组分，其AMS14C年代和浓度具有独特的时空变化规律，反映了有机碳组分循环的不同轨迹，逐一验证了理论模拟的碳循环机理（图2）。简单来说，这项技术让科学家第一次能够分别观察不同类型有机碳的“年龄变化轨迹”，就像追踪不同碳组分在土壤中的生命周期。

如果活性有机碳并没有像传统理论预测的那样快速分解，而是与惰性有机碳一样长期保存，甚至表现出更老的14C年龄，说明部分有机碳可能在进入土壤后立即受到矿物保护，避免了微生物降解。这一现象揭示了“保护性碳固存”机制的存在（protective preservation）（图1，2）。当活性有机碳表现出较年轻的14C年龄，而惰性有机碳表现出较老的14C年龄时，说明有机碳经历了典型的 “先分解、后保存” 过程。也就是说，微生物首先消耗容易降解的活性有机碳，剩余难降解的惰性组分随后被矿物颗粒固定，形成长期稳定的土壤碳库。这就是理论模拟中的 “选择性碳固存机制” （selective preservation）（图1，2）。其中最重要的发现是，土壤表层的不同有机碳组分具有相似的现代碳信号，而随着土壤深度增加，不同组分逐渐表现出不同的14C年龄。这说明未受保护的有机碳可以在土壤形成过程中逐渐被矿物固定，并最终形成长期稳定的碳库（图1，2）。

图2 不同有机碳组分14C年代变化轨迹揭示土壤碳循环机制。A–B. 活性有机碳较年轻，而稳定/惰性有机碳较老，表明有机碳经过微生物分解后，剩余组分被矿物颗粒选择性保存；C–D. 活性有机碳较老，而稳定/惰性有机碳较年轻，说明部分有机碳在未充分降解前即受到矿物保护；E–F. 土壤剖面中有机碳年龄随深度发生系统变化，揭示表层未保护有机碳逐渐转化为深层稳定碳库的过程；G–H. 黑土剖面和四海龙湾玛珥湖沉积记录展示了该方法在解析区域碳循环和环境演化过程中的应用。1982–2018年生长季干旱特征的时空格局。

3、总结与展望

这项研究建立了一种直接观察土壤碳循环的新方法，使科学家能够从实验角度识别不同有机碳的形成和保存过程。未来，该技术有望应用于河流、海洋、地震、滑坡以及人类活动影响区域的碳循环研究，为理解全球气候变化提供新的科学依据。

4、原文链接

https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-geo.2026.100251