【技术交流】土壤铁氧化物与有机碳的耦合机制及其对碳固持的研究进展

来源：市场资讯

（来源：生态修复网）

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题目

土壤铁氧化物与有机碳的耦合机制及其对碳固持的研究进展

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作者

田熠辉，许运，侯静涛，黄传琴，谭文峰

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单位

生态环境部土壤健康诊断与绿色修复重点实验室；华中农业大学资源与环境学院

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卷期

《土壤学报》2026年 第63卷 第3期

土壤是重要的陆地有机碳库，在缓解气候变化和促进农业可持续发展中发挥着重要作用。铁氧化物是土壤中的重要活性组分，不仅能够固定和保护有机碳，也可能在氧化还原循环中促进有机碳转化与分解。铁氧化物与有机碳之间并非单向作用，而是一个受物理、化学、生物过程和环境条件共同调控的耦合体系。

本文系统梳理土壤铁氧化物在有机碳固定与周转中的作用机制，阐述有机碳对铁氧化物形态转化的反馈效应，并讨论关键生物过程及水分、氧含量、pH、光照和温度等环境因素对铁碳耦合的调节作用。

1.土壤铁碳耦合的重要性

土壤中约含 2 344 Pg有机碳，是地球碳库的重要组成部分。据估算，全球表层 0～30 cm土壤中铁结合态有机碳（FeOC）储量为 233 Pg C，占表层土壤总有机碳储量的 33%±15%。FeOC与土壤有机碳及矿物结合态有机碳呈显著正相关，表明铁氧化物在有机碳积累和保护中具有重要作用。

2.铁氧化物对有机碳固定与周转的影响

铁氧化物可通过静电作用、配体交换、表面络合、疏水作用、氢键和阳离子桥联等方式与有机碳结合，并通过吸附、共沉淀和团聚结构形成较稳定的FeOC。其主导机制会随碳铁摩尔比变化：当C:Fe约为1时，吸附作用占主导；当C:Fe达到6～10时，共沉淀作用成为主导。与吸附态针铁矿—葡萄糖复合物相比，共沉淀态铁碳复合物可使葡萄糖平均驻留时间增加10.8倍，衍生CO₂释放量降低16.7%。

铁还可作为催化剂，通过美拉德反应促进小分子有机碳聚合，形成分子量更高、稳定性更强的有机物；但在铁氧化还原循环中，芬顿和类芬顿反应产生的活性氧又会促进有机碳氧化、形态转化和矿化。因此，铁氧化物在土壤碳循环中同时具有“保护”和“转化”两类作用。

图1 土壤铁对有机碳分子的固定、催化和分解作用

3.有机碳对铁氧化物的反馈作用

有机碳分子能够通过表面吸附、络合以及与Fe（Ⅱ）的相互作用，影响铁氧化物的成核、结晶、老化和矿相转化。羧基、酚羟基等官能团可占据铁氧化物表面活性位点，抑制其进一步结晶；不同有机碳分子量、官能团类型及碳铁比例，会使这种抑制作用表现出差异。

在还原条件下，微生物以有机碳为电子供体，促进Fe（Ⅲ）还原溶解并释放原先结合的有机碳；在重新氧化阶段，新生铁氧化物又可与有机碳重新结合。由此形成了铁与有机碳解耦、再耦合的动态过程。

4.参与铁碳耦合的关键生物过程

文章重点讨论了“酶栓”、“铁门”和激发效应。长期积水及缺氧条件下，酚氧化酶活性受限，可形成抑制有机质分解的“酶栓”；铁氧化物对有机质和酶的吸附固定可形成“铁门”，降低有机碳的生物可利用性。与此同时，新鲜有机物输入可能诱发激发效应，改变原有土壤有机碳的分解，而铁氧化物的吸附与矿物保护可在一定程度上抑制由激发效应造成的碳损失。

5.环境因素对铁碳关系的调节

水分和氧含量决定铁氧化还原状态，是驱动铁碳解耦与再耦合的重要因素；pH影响铁氧化物表面电荷、有机碳解离状态和铁碳结合方式；光照可引发铁的光化学还原并促进有机碳转化，也可通过光絮凝促进颗粒态有机物积累；温度升高则会改变有机碳矿化及矿物保护的温度敏感性。

图2 铁在碳泵中的关键作用及其在不同环境条件下与土壤碳周转的相互关系

未来研究重点

Future

文章提出四个重点方向：一是对土壤有机碳聚合反应进行直观验证与定量；二是解析土壤微区生物过程对铁碳耦合的调控机制；三是量化铁氧化还原过程中有机碳固定与形态转化之间的权衡；四是将微观尺度的吸附、催化等铁碳机制整合进土壤有机碳模型，开展跨尺度碳汇潜力评估。

土壤铁是矿物碳泵的核心组成，也是矿物碳泵与微生物碳泵联合固碳的重要桥梁。铁氧化物一方面通过吸附、共沉淀、团聚体形成和催化聚合促进稳定碳库形成，另一方面又通过氧化还原循环和芬顿反应推动有机碳形态转化。

未来将原位微区表征、碳同位素示踪、同步辐射、质谱以及人工智能等技术结合，有望进一步解析铁碳耦合的微观机制，并推动土壤有机碳固持效益的宏观量化，为提升土壤碳库稳定性和应对气候变化提供理论支撑。