近日，国科大杭州高等研究院环境学院张庆华教授工作室在火灾诱导的泥炭土壤有机质转化研究方面取得进展，相关成果以“Fire-Induced Multiple Changes in Electron Transfer Properties of Peat Soil Organic Matter: The Role of Functional Groups, Graphitic Carbon, and Iron”为题在Environmental Science & Technology上发表。
泥炭地以土壤有机质形式累积了1/3的全球土壤碳。这些丰富的泥炭土壤有机质（PSOM）具有强的电子传递能力，可通过调节微生物呼吸的电子受体有效性，在泥炭地甲烷排放及铁循环等众多生物地球化学过程中发挥重要作用。然而，全球气温升高和干旱趋势加剧，导致全球8%的泥炭地受到野火侵袭，其火灾面积高达全球野火总面积的近一半。这些增加的火灾显著改变了PSOM的结构组成，可能改变其电子传递能力，进而影响火后泥炭地的生物地球化学过程。目前，火灾诱导的PSOM电子传递特性和相关电活性结构的变化尚不明确，阻碍了对火灾后生物地球化学过程的理解。
本研究通过模拟泥炭燃烧（150-500℃），揭示了PSOM随温度变化的电子交换容量（EEC），极大地改变了火灾后微生物铁还原和CH4生成。无论氧气是否参与，随着温度的升高，酚-醌基团的损耗导致EEC显著减少（损失60-75%）。有氧燃烧条件下，由于氧气可与PSOM反应形成额外的醌类基团，导致其最终的EEC超过了缺氧燃烧的1.5倍。值得注意的是，EEC的耐热性高达200℃，且在350℃以上保持稳定。此外，火灾重塑了EEC相关的氧化还原活性基团。燃烧产生的杂环氮与醌类基团共同贡献了受电子能力（EAC），而受电子能力（EDC）则由酚类和结合的Fe(II)贡献。然而，杂环氮与Fe(II)的优先结合抑制了Fe(II)的EDC。有趣的是，EAC的降低削弱了其在微生物铁还原中的电子穿梭效应，但火诱导石墨碳的形成增强了PSOM的导电能力（EC），促进了电子转移，可能增强火灾后泥炭地的CH4生成。这些发现增强了我们对火灾后泥炭地元素生物地球化学循环和温室气体排放机制的认识。
图1. 火诱导的泥炭土壤有机质电子传递能力的多重变化
论文第一作者为博士后杨佩杰，通讯作者为刘艳伟助理研究员与阴永光教授，研究工作得到了国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会等项目的资助支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c06586
