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迈向基于土壤的气候变化解决方案 

一项新的研究检查了土壤中生物分子和粘土矿物之间的相互作用,并揭示了影响土壤中植物碳捕获的因素。研究发现,生物分子和粘土矿物上的电荷、生物分子的结构、土壤中的天然金属成分以及生物分子之间的配对在土壤中固碳方面发挥着关键作用。虽然土壤中存在带正电的金属离子有利于碳捕获,但生物分子之间的静电配对抑制了生物分子对粘土矿物的吸附。这些发现可能有助于预测最有效地捕获土壤中碳的土壤化学成分,这反过来又可以为基于土壤的解决方案铺平道路,以减少大气中的碳以及全球变暖和气候变化。   

碳循环涉及碳从大气中转移到地球上的植物和动物中,然后又返回到大气中。海洋、大气和生物体是碳循环的主要储存库或汇。大量的 储存/封存在岩石、沉积物和土壤中。岩石和沉积物中死去的生物可能会在数百万年内变成化石燃料。为了满足能源需求而燃烧化石燃料会在大气中释放大量碳,这破坏了大气碳平衡,并导致全球变暖和随之而来的气候变化。  

人们正在努力到 1.5 年将全球变暖限制在工业化前水平的 2050°C 以内。为了将全球变暖限制在 1.5°C 以内,温室气体排放量必须在 2025 年之前达到峰值,并在 2030 年之前减少一半。然而,最近的全球盘点据透露,到本世纪末,世界还无法将气温上升限制在 1.5°C 之内。这一转变的速度还不够快,无法实现到 43 年温室气体排放量减少 2030%,而这可能将全球变暖限制在当前的目标之内。 

正是在这种背景下,土壤的作用 有机碳 作为应对全球变暖的潜在碳排放源以及大气碳的自然汇,气候变化中的有机碳(SOC)正变得越来越重要。  

尽管存在历史遗留的碳负荷(即自 1,000 年工业革命开始以来排放了约 1750 万亿吨碳),但全球气温的任何上升都有可能从土壤中释放更多的碳到大气中,因此必须保护现有的碳排放量。土壤碳储量。   

土壤作为汇 有机  

土壤仍然是地球第二大(仅次于海洋)汇 有机 碳。它含有约2,500万亿吨碳,大约是大气中碳含量的十倍,但它在封存大气碳方面具有巨大的未开发潜力。农田可捕获 0.90 至 1.85 拍克(1 Pg = 1015 克)每年的碳(Pg C),大约是“目标的 26-53%”4每个1000计划”(即全球土壤的年增长率为 0.4% 有机 碳储量可以抵消当前大气中碳排放的增加,有助于实现气候目标)。然而,影响植物基诱捕的因素之间的相互作用 有机 土壤中的物质目前还不是很清楚。 

什么影响土壤中碳的锁定  

一项新的研究揭示了决定植物性食品是否有效的因素 有机 物质在进入土壤时会被捕获,或者最终是否会喂养微生物并以二氧化碳的形式将碳返回到大气中2。在检查了生物分子和粘土矿物之间的相互作用后,研究人员发现生物分子和粘土矿物上的电荷、生物分子的结构、土壤中的天然金属成分以及生物分子之间的配对在土壤中的碳封存中发挥着关键作用。  

对粘土矿物和单个生物分子之间相互作用的检查表明,这种结合是可以预测的。由于粘土矿物带负电荷,因此具有带正电荷的成分(赖氨酸、组氨酸和苏氨酸)的生物分子经历了强烈的结合。这种结合还受到生物分子是否足够灵活以使其带正电的成分与带负电的粘土矿物对齐的影响。  

除了静电荷和生物分子的结构特征之外,土壤中的天然金属成分被发现在通过桥形成的结合中发挥着重要作用。例如,带正电的镁和钙在带负电的生物分子和粘土矿物质之间形成了一座桥梁,从而形成了一种化学键,这表明土壤中的天然金属成分可以促进土壤中的碳捕获。  

另一方面,生物分子本身之间的静电引力对结合产生不利影响。事实上,发现生物分子之间的吸引力能量高于生物分子对粘土矿物的吸引力能量。这意味着粘土对生物分子的吸附减少。因此,虽然土壤中存在带正电的金属离子有利于碳捕获,但生物分子之间的静电配对抑制了生物分子对粘土矿物的吸附。  

这些新发现关于如何 有机 碳生物分子与土壤中的粘土矿物结合,可以帮助适当改变土壤化学成分,有利于碳捕获,从而为基于土壤的气候变化解决方案铺平道路。 

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参考文献:  

  1. Zomer, RJ、Bossio, DA、Sommer, R. 等人。农田土壤中有机碳增加的全球固存潜力。科学报告 7, 15554 (2017)。 https://doi.org/10.1038/s41598-017-15794-8 
  1. Rumpel, C.、Amiraslani, F.、Chenu, C. 等人。 4p1000 倡议:实施土壤有机碳固存作为可持续发展战略的机遇、限制和挑战。环境 49, 350–360 (2020)。 https://doi.org/10.1007/s13280-019-01165-2  
  1. Wang J.、Wilson RS 和 Aristilde L.,2024。水-粘土界面生物分子吸附层次中的静电耦合和水桥。美国国家科学院院刊。 8 年 2024.121 月 7 日.2316569121 (XNUMX) eXNUMX。数字编号: https://doi.org/10.1073/pnas.2316569121  

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乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
乌梅什·普拉萨德(Umesh Prasad)
科学记者| 《科学欧洲》杂志创始人编辑

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