滨海湿地作为复杂的海陆交互带生态系统，在全球碳循环中扮演着重要角色。滨海湿地碳积累源于厌氧环境对有机质分解的抑制以及持续的沉积物埋藏。此外，具有高反应活性的非晶态或弱晶态铁矿物（即亚稳态铁矿物）可通过矿物-有机质相互作用促进碳的长期稳定储存；然而，传统热力学理论预测，这类矿物在厌氧条件下极不稳定，会快速发生还原溶解。因此，在周期性缺氧的滨海湿地环境中，亚稳态铁矿物能否实现大量富集并持续发挥固碳功能，是一个亟待解决的关键科学问题。
为解答这一问题，天津大学地科院滨海关键带研究团队整合了全球23,000组铁矿物数据，并结合我国32个典型滨海湿地的大尺度野外调查，运用穆斯堡尔谱技术精准解析不同结晶度氧化铁矿物的赋存特征，首次揭示了滨海湿地中亚稳态铁矿物普遍富集的现象，量化了其对有机碳保存的贡献，为预测和调控滨海湿地碳库动态提供了新视角。
图1 研究地点分布图
研究发现，滨海湿地中非晶态或弱晶态活性铁矿物的含量显著高于内陆旱地土壤（森林、草地、农田等）。穆斯堡尔谱分析表明，滨海湿地的氧化铁组成以水铁矿、纳米针铁矿和高度无序相等亚稳态组分为主，而结晶良好的氧化铁矿物（如赤铁矿、磁铁矿）占比不足15%。该发现突破了“亚稳态铁矿物在周期性厌氧湿地环境中会被还原耗竭”的传统认知。此外，热带滨海湿地展现出最强的亚稳态铁矿物富集效应，与热带旱地土壤氧化铁矿物以结晶态稳定组分为主的格局形成鲜明对比。这种显著差异源于湿地特有的氧化还原波动、持续的沉积物埋藏以及有机质/铝/硅等共存物质的稳定作用，这些过程共同维系了亚稳态矿物的持续存在与再生。
图2 不同陆地生态系统中亚稳态活性氧化铁（Feo）含量及其在总氧化铁中的占比（Feo/Fed）
滨海湿地的铁结合有机碳占有机碳总量的比例（约13%）与森林、草地、农田等其他陆地生态系统相当。在全球尺度上，滨海湿地铁矿物保存了约4.32 × 1015克有机碳。更重要的是，滨海湿地中广泛富集的亚稳态铁矿物未显现有机碳饱和迹象，这表明其蕴藏着巨大的碳汇提升潜力。通过保护现有湿地、恢复退化湿地、以及促进有机质输入（如植被管理）等措施，可提升这些铁矿物的有机碳负载，从而显著增强滨海湿地的“蓝碳”功能。此外，亚稳态铁矿物凭借其高氧化还原活性和可循环性，还参与营养盐循环和污染物钝化等关键过程，塑造着滨海湿地生态系统的多功能性。
该成果以“Enrichment of metastable iron minerals in global coastal wetlands”为题在线发表于国际顶级学术期刊《自然·地球科学》(Nature Geoscience)。天津大学地科院2025届博士毕业生马华为论文第一作者，陈春梅教授为通讯作者。研究还得到天津大学刘丛强教授、美国佐治亚大学Aaron Thompson教授和威斯康星大学麦迪逊分校Steven J. Hall教授的指导。合作者包括天津大学在读硕士生王嘉琳、在读博士生肖艳琦。研究得到国家自然科学基金项目青年科学基金项目（B类）和重大项目课题的资助。
论文信息：Hua Ma, Aaron Thompson, Steven J. Hall, Jialin Wang, Yanqi Xiao, Cong-Qiang Liu & Chunmei Chen*. Enrichment of metastable iron minerals in global coastal wetlands. Nature Geoscience. 2025, https://www.nature.com/articles/s41561-025-01764-7.
