【论文】植物源有机质输入介导了土壤碳矿化和净氮矿化之间的交互作用

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本文字数：1404字

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研究背景

土壤有机碳（SOC）矿化是陆地生态系统中CO2的主要来源，而净氮矿化能够为植物提供活性氮，并通过植物生长促进CO2的固存。土壤碳矿化与净氮矿化的交互作用能够调节气候-碳循环反馈，影响陆地生态系统的碳平衡。土壤碳矿化与净氮矿化的交互作用具有土壤特异性，并受到气候和非气候因子的影响。土壤碳-氮矿化交互作用的复杂性会导致对土壤碳储量预测的不确定性。因此，探究土壤碳矿化与净氮矿化的交互作用及其对环境变化的响应，对于更好地预测全球环境变化下土壤碳动态具有重要意义。

材料与方法

本研究所用的土壤采自中国科学院沈阳农业试验站（41°32′ N, 122°23′ E, 海拔50 m）的撂荒地（old field）和裸休耕（bare fallow）样地（耕层0~20 cm）。截止到本研究取样时，裸休耕样地通过人工除草的方式已连续23年没有新鲜有机质输入，而撂荒地在无人为干扰的状态下连续23年保持杂草的自由生长。我们在每个样地内随机取5个点，并分别将5个取样点的土壤样品混合均匀。两个样地的土壤样品分别设置对照和玉米叶添加处理，每个处理分别设置2个温度处理（10℃，20℃），每个处理3个重复。培养过程中测定土壤基础理化指标、土壤呼吸、微生物生物量、群落组成、底物有效性以及土壤净氮矿化。采用回归分析研究长期缺乏有机质输入、短期新鲜有机质添加以及升温对土壤碳矿化和净氮矿化之间交互作用的影响。

结果&讨论

研究结果表明，升温和有机质输入均改变了土壤碳矿化和净氮矿化之间的交互作用（图1）。在撂荒地土壤中，升温对微生物活性、活性碳的快速同化具有促进作用，而对微生物氮的固定具有抑制作用。升温对微生物功能的这些影响促进了活性氮的释放，从而改变了土壤碳和净氮矿化之间的交互作用。长期缺乏有机质输入显著降低了土壤净氮矿化，但对土壤碳矿化的影响较小，这导致土壤碳矿化与净氮矿化解耦合。我们推测新鲜有机质输入（玉米叶）改变土壤碳矿化与净氮矿化之间交互作用的主要原因是新鲜有机质的快速矿化导致微生物对氮的需求量增加。土壤净氮矿化速率较低时，土壤碳矿化与净氮矿化呈负相关；随着土壤净氮矿化速率的增加，土壤碳矿化与净氮矿化呈正相关，这是因为对氮需求量的增加刺激微生物从土壤有机质中挖掘更多的氮。

图1 升温和长期缺乏新鲜有机质输入对土壤碳矿化和净氮矿化交互作用的影响（a & b）以及短期新鲜有机质输入对土壤碳矿化和净氮矿化交互作用的影响（c & d）

小结

综上所述，长期缺乏新鲜有机质输入导致土壤净氮矿化的降低以及土壤碳矿化与净氮矿化的解耦合；短期新鲜有机质添加导致土壤碳矿化与净氮矿化由负相关向正相关关系的转变，说明了土壤有机质矿化对环境变化的敏感性，也预示着土壤净氮矿化可能会随活性碳、氮组分的增加而升高，并进一步刺激SOC的矿化。虽然部分推论还有待进一步验证，但本研究结果将有助于加深我们对土壤碳氮矿化交互作用的理解。

本研究于2021年6月2日以“Plant inputs mediate the linkage between soil carbon and net nitrogen mineralization为题在线发表于Science of the Total Environment期刊上，台州学院湿地生态与克隆生态研究所讲师张秀玮为论文第一作者，并与北京大学城市与环境学院地下生态学研究组朱彪研究员为论文共同通讯作者，其它合作作者还包括台州学院的于飞海教授和美国加州大学圣克鲁兹分校的程维信教授。本研究受到浙江省自然科学基金项目(LQ20D030001)和国家自然科学基金项目(31988102)的资助。

作者简介

张秀玮，台州学院生命科学学院讲师，博士毕业于中国科学院沈阳应用生态研究所。主要从事全球变化生态学，碳循环和养分循环等方面的研究。目前以第一作者在Science of the Total Environment、Plos One、Plant, Soil and Environment、Journal of Plant Nutrition等期刊发表了一系列成果。

编辑 丨 王旭东

审核 丨 朱彪

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