【论文】热带森林转换对土壤微生物残体碳含量的影响

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本文字数：1680字

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研究背景

日益增强的人类活动正在导致热带森林转换为其他土地利用类型。森林转换不但能引起多样性和生物量的巨大损失，而且深刻改变着原有土壤属性和土壤有机碳（SOC）的积累。研究指出，热带原始森林转换造成的SOC损失高达50%。因此，评估森林转换对SOC的影响对于认识全球变化背景下热带森林生态系统碳循环具有重要的意义。

土壤微生物残体碳是持久性土壤碳库的重要组成部分，可贡献超过30%的森林土壤SOC。近年来研究表明，温带森林转变显著影响了土壤微生物残体碳含量及其对SOC的贡献。然而，在热带地区，土壤微生物残体碳对森林转换的响应尚不清楚。本文以中国海南岛尖峰岭热带森林为研究对象，评估了原生林转换为次生林和次生林转化为人工林后土壤微生物残体碳含量及其对SOC贡献的变化。

材料与方法

研究地点位于海南省乐东黎族自治县尖峰岭国家森林公园（18°23′–18°50′ N, 108°36′–109°05′ E）。本研究在3个地点取样，每个地点选择了4种土地利用类型，包括热带山地雨林原始林、次生林、三华李（Prunus salicina ‘sanhuali’）园和茶园。次生林为原始林在上世纪70年代被间伐后的天然更新林，两种人工林则是次生林于2000年被间伐之后的种植园。于2017年3月份在每个样方内收集了地表凋落物，采集了表层0-10 cm的土壤样品。样品送回实验室后，测定了凋落物现存量、细根生物量、土壤理化性质、磷脂脂肪酸、胞外酶活性和氨基糖含量。测定的氨基糖包括：氨基葡萄糖（GluN）、氨基半乳糖（GlaN）和胞壁酸（MurN），据此计算真菌和细菌残体碳含量，二者之和为总微生物残体碳含量。使用单因素方差分析评估了四种植被类型之间各属性的差异，利用结构方程模型评估了植被、土壤和微生物因子对微生物残体碳积累的影响机制。

结果&讨论

原始林转换为次生林后SOC含量增加（图1），可能是因为SOC积累主要与根系输入增加有关，受微生物分解作用影响较弱（表1）。次生林转换为三华李园和茶园后，SOC含量显著降低（图1）。由于森林转换未显著改变土壤酶活性，但微生物生物量、凋落物现存量和根系生物量均显著减少（表1），说明人工林中SOC含量降低主要与地上植被碳输入减少有关。

图1 四种林型之间SOC和土壤氨基糖含量的差异

表1 四种林型的植被、土壤和微生物属性

原始林转换为次生林后，GluN和MurN含量未显著改变（图1），微生物残体碳及其对SOC贡献也均未显著改变（图2）。结构方程模型表明真菌生物量和胞外水解酶活性调控着微生物残体碳的积累（图3），故微生物残体碳未显著变化可能与土壤微生物生物量和酶活性无显著改变有关（表1）。

次生林转换为三华李园后，土壤微生物残体碳无显著改变，但细菌残体对SOC贡献显著增大（图2），这可能与真菌生物量减少造成的真菌残体生成及其比例减少有关（表1）。次生林转换为茶园后凋落物现存量、土壤真菌生物量、真菌残体碳和总微生物残体碳含量显著减少，说明凋落物现存量和真菌生物量的改变调控着茶园中土壤微生物残体碳的积累（图3）。

图2 土壤微生物残体碳含量及其对SOC贡献

图3 土壤微生物残体碳积累的影响机制

小结

我们研究发现热带森林转换显著影响着SOC含量和微生物残体碳含量，表明森林转换会改变热带森林土壤碳储存和稳定性。SOC以及微生物残体碳含量的改变随森林转换类型而变化。原始林转换为次生林后非微生物残体碳快速积累，造成SOC含量增加，表明森林干扰后自然演替过程中土壤发挥着积极的固碳效应。次生林转换为人工林则显著降低了SOC含量，并改变了其组成，尤其是转换为茶园后凋落物现存量减少引起真菌生物量下降造成微生物残体碳含量的降低，即微生物残体碳贡献了SOC的损失。总之，本研究表明森林转换过程中植被和土壤微生物的变化共同调控着热带森林土壤微生物来源碳的积累，这对于评估土地利用变化对热带森林碳循环的影响具有重要的意义。

本研究于2021年11月19日以“Loss of soil microbial residue carbon by converting a tropical forest to tea plantation”为题在线发表于Science of the Total Environment期刊上。北京大学城市与环境学院马素辉博士后为论文第一作者，北京大学朱彪研究员为论文通讯作者，陈国平、倪晓凤、周鲁宏、苏豪杰、蔡琼、陈笑、朱江玲、吉成均、李意德和方精云为合作作者并有重要贡献。本研究受到国家自然科学基金（31988102）和国家重点研发计划（2017YFC0503906）的资助。

作者简介

马素辉，主要研究方向是森林碳循环过程对氮磷沉降的响应机制。2020年博士毕业于北大城环学院生态学专业，博士导师为方精云教授。近年来在Soil Biology and Biochemistry、Environmental Pollution、Geoderma等期刊上发表多篇论文。

编辑 丨 王旭东

审核 丨 朱彪

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