范利超教授团队在钙-生物源CO2耦合驱动次生碳酸盐形成机制方面取得新进展

土壤无机碳是陆地生态系统碳库的重要组成部分，其储量与土壤有机碳相当，主要分布于干旱、半干旱地区的石灰性土壤中。次生碳酸盐的形成与溶解影响土壤碳收支、酸碱缓冲和有机碳稳定。然而，农业管理条件下Ca²⁺、生物源CO₂、土壤水分和酶促过程如何协同调控次生碳酸盐形成，目前仍缺乏定量认识。由此产生一个关键科学问题：次生碳酸盐形成究竟主要受哪些条件控制？这些控制因素在不同形成阶段是否具有一致的作用强度？

针对上述问题，范利超教授团队以石灰性农业土壤为对象，采用¹³CO₂同位素标记培养试验，通过调控土壤CO₂浓度、土壤含水量、Ca²⁺和氮素输入以及脲酶和碳酸酐酶添加等因素，定量解析不同环境因子及其时间动态对次生碳酸盐形成量和形成速率的影响，识别有利于碳酸盐积累的关键条件及其耦合机制。

图1 石灰性土壤碳酸盐动态的环境条件依赖性调控机制概念模型

研究发现，Ca²⁺供应是驱动次生碳酸盐形成的决定性因素，显著提高了次生碳酸盐的累积量和形成速率；生物源CO₂主要促进早期碳酸盐沉淀，但其作用随培养时间逐渐减弱，而Ca²⁺的促进作用则不断增强，形成了由CO₂驱动向Ca²⁺限制转变的时间调控格局。土壤水分主要通过影响离子运输、扩散和溶液浓缩过程调节碳酸盐形成，适度干燥条件更有利于碳酸盐累积；相比之下，氮添加以及脲酶和碳酸酐酶仅产生短暂或依赖环境条件的影响。研究据此提出受土壤水分调控的CO₂–Ca²⁺耦合模型，揭示了生物源CO₂供给与Ca²⁺介导沉淀共同驱动次生碳酸盐形成的机制。该研究深化了对石灰性农田无机碳形成及其时间动态的认识，为农田无机碳管理与碳汇评估提供了理论依据。

该研究以“Calcium-biogenic CO₂ coupling drives pedogenic carbonate formation depending on soil moisture”为题，在Soil Biology and Biochemistry期刊在线发表。西北农林科技大学资源环境学院为第一署名单位，郭晓伟副教授为第一作者，范利超教授为通讯作者。西北农林科技大学硕士毕业生祝慧、何梓和周建斌教授，浙江大学罗仲奎教授，德国哥廷根大学Yakov Kuzyakov教授以及德国莱布尼茨汉诺威大学Kazem Zamanian博士为论文共同作者。研究得到陕西省农业农村厅项目(2025JCQY041)、国家自然科学基金联合基金集成项目（U25A6029）、国家自然科学基金青年科学基金项目(32301384）、土壤健康山西省实验室开放基金(SHL2026GP06)和中国博士后科学基金(2022M722776)等项目资助。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2026.110206