Ecology Letters | 杨元合课题组：土壤碳持久性受植物输入和矿物保护的影响

点击蓝字｜关注我们

Info 

原名：Soil carbon persistence governed by plant input and mineral protection at regional and global scales

译名：区域和全球尺度上的土壤碳持久性受植物输入和矿物保护的影响

期刊：Ecology Letters 

通讯作者：杨元合

通讯作者单位：中科院植物所

原文链接: https://doi.org/10.1111/ele.13723

 Introduction 

土壤是陆地生物圈中最大的碳储量，是全球碳循环的重要组成部分。即使是很小比例的土壤碳流失也可能引起大气二氧化碳浓度的显著波动，并引发对气候变化的潜在正反馈。由于对土壤有机质(SOM)稳定和失稳机制的认识不足，土壤碳命运的模型预测仍然存在很大的不确定性。据报道，地球系统模型将土壤碳周转率高估了6倍以上，部分原因是这些模型对SOM稳定机制的描述不完整。因此，深入了解土壤有机质在大地理尺度上的持续存在机制，对准确预测土壤碳动态及其对气候变暖的潜在反馈具有重要意义。之前的研究提出了一系列关于SOM稳定或不稳定的因素。其中，气候通常被认为是一个重要的控制因素，例如冻结温度和洪水条件有利于SOM的长期保存。除气候调节外，SOM质量由于其内在的化学顽固性，通过选择性保存调节土壤C动态，矿物保护通过形成矿物有机组合抑制SOM分解。此外，通过凋落物和根际沉积的植物C输入可能通过激发效应(植物C输入驱动的SOM微生物消耗)对SOM持久性产生不利影响。然而，在广泛的地理尺度上，植物C输入在调节SOM持久性方面的潜在作用尚不为人所知。特别是，虽然植物碳输入的潜在作用及其与其他因素的相互作用可能会随着土壤剖面的变化而变化，但没有实证研究试图探讨不同土壤深度下植物碳输入相对于其他因素的重要性。

 Methods 

本研究利用青藏高原2200 km草原样带30个样点的土壤样品，分别测定了表层(0-10 cm)和底土(30-50 cm)的放射性碳含量。综合气候和植物C输入数据，确定了2个土层中与矿物保护和SOM化学成分相关的变量，探讨了土壤有机质在大地理尺度上持续存在的主导因素。利用国际土壤放射性碳数据库(ISRaD)的数据，进一步评估了全球范围内深度依赖的SOM持久性控制的普遍性。作者提出假设：土壤有机质保存的主要控制因素不同，表层土壤以气候和植物碳输入为主，底层土壤以矿物保护为主。

 Results 

土壤Δ14C在两个土层之间呈现出明显的空间格局。表层土壤Δ14C值由东向西呈递减趋势(图1a)。同样，表层植物C输入和SOCD也呈现由东向西下降的趋势(图1c和e)。因此，Δ14C值越高的土壤，植物C输入(图1g)和SOCD值(图1h)越高，矿物保护和腐殖化SOM组分含量(图2)越低。

底土Δ14C范围为-573.5‰ ~ 41.3‰(图1b)，平均比表土低7倍。此外，与表土相比，底土Δ14C没有表现出明显的空间格局。底土Δ14C只与Fed + Ald与SOC和HIX(Humification Index)的摩尔比呈负相关(图2)。底土Δ14C与植物C输入(图1g)或SOCD(图1h)没有显著相关。尽管表层土壤Δ14C与气候、植物碳输入、矿物保护和SOM化学成分等四种因子显著相关(图2a)，表土Δ14C在控制了植物特性的作用后，与气候、矿物特性以及SOM组成的相关系数分别降低了87.8、68.4和115.0%(图2a)。

SEM分析一致表明，植物C输入是唯一的直接控制，对表土Δ14C产生了强烈的正效应(图3a)。气候通过对植物C投入的正向效应对表土Δ14C施加间接控制(图3a)。

与表土相比，底土Δ14C仅与矿物性质和HIX显著相关(图2b)。此外，即使在控制了气候、植物C输入和SOM化学成分的作用后，Feo+Alo和Mgexe与SOC的摩尔比仍然是与底土Δ14C始终显著相关的唯一两个变量(图2b)。SEM分析表明，土壤Δ14C受矿物性质的直接支配，气候和植物C输入对土壤Δ14C的空间变异影响较小(图3b)。

全球综合结果显示，表层土壤Δ14C与植物C输入(图4a-d)和气候因素(图S5a)密切相关，与青藏高原的大尺度观测结果一致。此外，与气候和植物碳输入相比，矿物质与有机碳的比值与深层土壤Δ14C密切相关(图4e-h)。

 Conclusion 

综上所述，尽管表层土壤Δ14C与气候、矿物变量以及SOM化学成分显著相关，但植物碳输入是导致表层土壤碳失稳的主要因素。相比之下，铁、铝氧化物和阳离子的矿物保护在保存深层土壤中的SOM方面变得更为重要。这些区域观测得到了国际土壤放射性碳数据库(ISRaD)的全球综合证实。本研究揭示了植物碳输入对土壤有机质持久性的不同影响，为模型更好地预测变化环境下土壤多层次碳动态提供了新的思路。

热门文章

长按/扫描二维码 ｜关注我们

微信 : Ecologist_all  ｜  邮箱：[e-mail]

点击“阅读原文”可获得论文链接 
转载授权、投稿、需PDF等请私信或发送邮箱：[e-mail]

喜欢就转发、收藏，点“在看”，侵权告删！！！