南湖新闻网讯（通讯员 贾崇昊）2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的双碳目标是我国重大的战略目标之一。为促进双碳目标的实现，我校生物-地质矿化研究团队近年来聚焦于土壤矿物对有机质的固定过程展开了系列研究。目前最新研究成果陆续发表在环境领域期刊Environmental Science & Technology、Environmental Science : Nano上，并在在环境领域综述期刊Reviews in Environmental Science & Bio-Technology上发表了题为“Retention of soil organic matter by occlusion within soil minerals”的综述论文。
图1 矿物通过颗粒黏附和螺旋生长方式包埋土壤有机质的示意图。
土壤是重要的有机碳库，其土壤有机质（SOM）含量可以达到其它生态系统（如大气、海洋）至少三倍以上，这些土壤有机质稳定性对于土壤肥力、水质、食品安全具有重要意义，且有机质可以被多种生物和非生物因素分解为二氧化碳、甲烷等温室气体，从而显著影响全球气候变化。传统的研究主要关注于有机质在矿物表面的吸附解吸等界面过程，对于封存的动力学过程和微观机制却鲜有研究。本研究通过多种微米/纳米尺度的技术表征，发现土壤矿物可通过与有机物聚合以及矿物螺旋生长方式对有机质进行封存固定（图1）。
图2： (A-C) 颗粒黏附方式对土壤有机质包埋的示意图。(D-F) 扫描电子显微镜、纳米二次离子质谱、透射电子显微镜观察有机-矿物团聚体对有机质的包埋。（G-I）原子力显微镜原位观察铁氧化物对土壤有机组分的包埋过程。
图3：方解石对有机质的吸附和包埋的动力学过程。（A）方解石在碳酸钙过饱和溶液中（通过螺旋生长方式进行生长。（B）在近平衡的碳酸钙过饱和溶液中，台阶的前进速度为0。（C）通入有机质的碳酸钙过饱和溶液后，有机质可以吸附到晶体表面。（D-H）重新通入σ = 1.196的碳酸钙过饱和溶液后，吸附的有机质颗粒伴随着台阶的前进持续被包埋进入晶体中。（I）方解石包埋有机质的示意图。
矿物-有机聚合固定有机质过程广泛存在于金属氧化物或氢氧化物以及层状硅酸盐等粘土矿物中（图2）。在该过程中有机组分首先通过静电作用、范德华力、氢键等机制吸附到矿物的表面，之后有机-矿物的颗粒可以进一步聚合，并伴随发生矿物的相转变以及结晶过程对有机质进行封存。除了颗粒聚合的方式外，矿物还可以通过螺旋生长的方式包裹有机质，吸附的有机质可以通过以下三个步骤被前进的晶面台阶逐渐包埋封存进入矿物内部（图3）：前进的台阶开始覆盖和包埋吸附的有机质颗粒；吸附的颗粒受到台阶的压缩，在这个过程中会有缺陷或者空洞的产生；空洞被彻底封闭，有机质最终被矿物内部封存。以上过程受到矿物的性质（形貌、结晶度、晶面性质）、有机质性质（表面功能基团、带电性、分子量）以及土壤溶液条件的共同调控。
上述研究得到国家自然科学基金，国家重点研发计划和校自主科技创新基金的支持。系列论文第一作者为博士研究生迟家霖，通讯作者为王荔军教授和张文君副教授。
