標(biāo)題：Soil carbon persistence governed by plant input and mineral?protection at regional and global scales
論文id：https://doi.org/10.1111/ele.13723
原名：Soil carbon persistence governed by plant input and mineral protection at regional and global scales
譯名：區(qū)域和全球尺度上土壤碳持久性受植物輸入和礦物保護(hù)影響
期刊：Ecology Letters
IF：8.665
發(fā)表時(shí)間：2021.03.11
第一作者：陳蕾伊
通訊作者：楊元合
主要單位：中國(guó)科學(xué)院植物研究所
摘要
闡明影響土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）持久性的潛在過(guò)程是預(yù)測(cè)土壤碳-氣候反饋的前提。然而，大地理尺度上植物碳（C）輸入調(diào)控多層土壤SOM存留的潛在作用仍然不清晰?；谠谇嗖馗咴_(kāi)展的大尺度土壤放射性碳(Δ14C）測(cè)定，我們發(fā)現(xiàn)盡管表土層Δ14C與氣候、礦物性質(zhì)和SOM化學(xué)組成有重要的聯(lián)系，植物C輸入是造成表層土壤C不穩(wěn)定的主要貢獻(xiàn)者。與之相反，鐵鋁氧化物和陽(yáng)離子的礦物保護(hù)在深層土壤SOM留存中更為重要。這些區(qū)域性的觀測(cè)結(jié)果得到了全球土壤放射性碳數(shù)據(jù)庫(kù)（ISRaD）的全球整合結(jié)果的證實(shí)。我們的研究結(jié)果闡明了植物C輸入對(duì)不同土壤層SOM持久性的差異化影響，為模型更好地預(yù)測(cè)變化環(huán)境下多層土壤的C動(dòng)態(tài)提供了新見(jiàn)解。
研究背景
土壤是陸地生物圈中最大的碳儲(chǔ)量，在全球碳循環(huán)中具有舉足輕重的地位。土壤碳的微小損失也可能強(qiáng)烈地影響大氣二氧化碳（CO2）濃度，并觸發(fā)對(duì)氣候變暖的潛在正反饋。由于對(duì)土壤SOM的穩(wěn)定和不穩(wěn)定機(jī)制認(rèn)識(shí)不足，有關(guān)土壤C命運(yùn)的預(yù)測(cè)模型仍然存在很大不確定性。曾有報(bào)道表示地球系統(tǒng)模型高估了土壤C周轉(zhuǎn)率超過(guò)6倍，部分原因是這些模型缺乏對(duì)SOM穩(wěn)定機(jī)制的完整描述。因此，要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤C動(dòng)態(tài)及其對(duì)氣候變暖的潛在反饋，就必須深入了解大地理尺度上SOM持久存在的潛在機(jī)制。
放射性碳（14C）是研究不同時(shí)間尺度碳動(dòng)力學(xué)的有效工具。土壤放射性碳含量已被廣泛認(rèn)可用以表征SOM持久性?；?4C，先前的研究已經(jīng)提出了影響SOM穩(wěn)定或不穩(wěn)定的多種因素。其中，氣候通常被視為一個(gè)重要的調(diào)控因素，例如，凍結(jié)溫度和水淹條件有助于SOM的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。除了氣候調(diào)節(jié)外，由于SOM內(nèi)在的化學(xué)頑抗性，SOM性質(zhì)也可以通過(guò)選擇性保護(hù)來(lái)調(diào)節(jié)土壤C動(dòng)態(tài)，并且礦物-有機(jī)復(fù)合體的形成能抑制SOM分解。此外，以凋落物和根際沉積物形式的植物C輸入會(huì)誘導(dǎo)激發(fā)效應(yīng)（植物C輸入驅(qū)動(dòng)微生物對(duì)SOM的消耗），可能不利于SOM的長(zhǎng)期留存。然而，與前三個(gè)因素相比，在廣泛的地理尺度上，植物C輸入在調(diào)節(jié)SOM持久性中的潛在作用仍不清楚。植物C輸入的潛在作用和其他因素的交互作用可能會(huì)沿著土壤剖面發(fā)生變化，而目前缺乏關(guān)于探索植物C輸入在不同土壤深度以及與其他因素之間的相對(duì)重要性的實(shí)證研究。
研究?jī)?nèi)容
本研究利用青藏高原2200km草原樣帶30個(gè)采樣點(diǎn)的樣品，測(cè)定了土壤表土(0-10cm)和底土(30-50cm)的放射性碳含量。為了探索廣泛地理尺度上SOM持久性的主要驅(qū)動(dòng)因素，我們綜合了氣候和植物C輸入數(shù)據(jù)，并測(cè)定了與兩層土壤礦物保護(hù)和SOM化學(xué)組成相關(guān)的變量。利用國(guó)際土壤放射性碳數(shù)據(jù)庫(kù)（ISRaD）的數(shù)據(jù)，我們進(jìn)一步評(píng)估了全球范圍內(nèi)SOM持久性的土壤深度依賴(lài)調(diào)控的普遍性。我們假設(shè)兩個(gè)土層對(duì)SOM儲(chǔ)存的主要控制因素可能不同，氣候和植物C輸入主導(dǎo)了表土，而底土則受礦物保護(hù)主導(dǎo)。
主要結(jié)果
土壤Δ14C在兩個(gè)土層間表現(xiàn)出明顯的空間分布格局。
表層土壤 Δ14C值由青藏高原東部向西部呈下降趨勢(shì)?(圖.1a)。同樣地，表土的植物C輸入和SOCD也表現(xiàn)出從東向西的下降趨勢(shì)(圖.1c、e)，而連二亞硫酸根萃取的 Fe/Al 和可交換的 Ca2+?與 SOC和HIX 的摩爾比則表現(xiàn)出由東向西上升的趨勢(shì)(圖.c,、e)。結(jié)果表明，Δ14C值較高的土壤，植物C輸入量和SOCD輸入量較高，而礦物保護(hù)和腐殖化SOM較低。
底土Δ14C范圍為?573.5‰至?41.3‰（圖.1b），平均比表土低7倍。此外，與表土相比，底土Δ14C沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的空間模式。底土Δ14C僅與Fed?+ Ald和SOC、和HIX的摩爾比呈負(fù)相關(guān)。底土Δ14C與植物C輸入或土壤 SOCD無(wú)顯著相關(guān)性（圖. 1g、h)。
圖1.青藏高原草地土壤放射性碳豐度的空間分布(Δ14C,a-b)，植物C輸入（c-d）和土壤SOC密度（SOCD,e-f）及其與表土和底土中Δ14C（g-h）的關(guān)系。表土的植物C輸入量估計(jì)為地上凈初級(jí)生產(chǎn)力（ANPP）和分配到0-10cm（BNPP0-10）的地下凈初級(jí)生產(chǎn)力之和；底土的植物C輸入估計(jì)為30–50 cm（BNPP30-50）的BNPP。背景圖代表了整個(gè)研究區(qū)域的海拔高度。
區(qū)域和全球尺度上對(duì)土壤Δ14C的主導(dǎo)控制前面所涉及的四種因素和土壤Δ14C有著顯著相關(guān)性，但控制植物特性的作用后，表層土壤Δ14C與氣候、礦物性質(zhì)和SOM成分的相關(guān)系數(shù)分別下降了87.8% 、68.4% 和115.0%?(圖. 2a)。相比之下，植物特性，尤其是NDVI和EVI，總是與表土Δ14C顯著相關(guān)，即使是在控制了其他三種因素的情況下也是如此。與表土相反，底土Δ14C僅與礦物性質(zhì)和HIX顯著相關(guān)。此外，F(xiàn)eo+Alo和Mgexe與SOC的摩爾比是與底土Δ14C顯著相關(guān)的唯二變量，即使是在控制了氣候、植物C輸入和SOM化學(xué)成分的作用后（圖. 2b）。
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圖2.?土壤放射性碳豐度的偏相關(guān)分析(Δ14C）以及導(dǎo)致表土和底土中SOM穩(wěn)定和不穩(wěn)定的四種因素。最外圓表示與土壤相關(guān)的因子（即氣候（CL）、植物C輸入（PL）、礦物保護(hù)（MI）和SOM化學(xué)組成（CO）與Δ14C的相關(guān)性檢驗(yàn)。
圖3a的SEM分析表明，植物C輸入是最終模型中的單一直接控制，對(duì)表土Δ14C有較強(qiáng)的正效應(yīng)。氣候通過(guò)對(duì)植物C輸入的正效應(yīng)對(duì)表土Δ14C實(shí)現(xiàn)間接控制。相應(yīng)地，圖3b的SEM分析表明Δ14C主要直接受礦物性質(zhì)控制，而氣候和植物C輸入對(duì)土壤Δ14C空間變異的影響較小。
圖3.?結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）揭示了氣候、植物C輸入、礦物保護(hù)和SOM化學(xué)組成對(duì)土壤放射性碳豐度的直接和間接影響(Δ14C）及其標(biāo)準(zhǔn)化的直接和間接影響(a）表土的SEM和（b）底土的SEM。單頭箭頭：因果關(guān)系的假設(shè)方向；紅色和藍(lán)色實(shí)心箭頭：積極和消極的關(guān)系；灰色虛線箭頭；不重要的關(guān)系；紅色和藍(lán)色箭頭的寬度與關(guān)系的強(qiáng)度成正比；箭頭旁的數(shù)字；標(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)。
全球綜合結(jié)果顯示，表土Δ14C與植物C輸入(圖. 4a-d)和氣候因子(圖. 4a-d)緊密相關(guān)。與氣候和植物C輸入相比，礦物質(zhì)與SOC的比值與深層土壤中的Δ14C密切相關(guān)(圖. 4e–h)。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在青藏高原草原上觀測(cè)到的土壤碳持久性的深度依賴(lài)控制可以推廣到全球范圍。
圖4全球范圍內(nèi)的表土（綠點(diǎn)）和深層土壤（橘色）中土壤碳豐度(Δ14C）與植物C輸入和礦物保護(hù)的相關(guān)性。植物C輸入變量包括（a）標(biāo)準(zhǔn)化植被指數(shù)（NDVI），（b）增強(qiáng)植被指數(shù)（EVI），（C）葉面積指數(shù)（LAI）和（d）凈初級(jí)生產(chǎn)力（NPP）。礦物保護(hù)變量包括（e）dithionite-extractable連二亞硫酸鈉可提取鐵（Fed），（f）草酸鹽可提取鐵（Feo），（g）連二亞硫酸鈉可提取鋁（Ald）和（h）草酸鹽可提取鋁（Alo）與SOC的摩爾比。
總結(jié)
本研究區(qū)域觀測(cè)的結(jié)果和全球綜合結(jié)果一致地證明，土壤層之間土壤碳持久性的主要決定因素是不同的。首次量化了植物C輸入相對(duì)于其他因素的相對(duì)重要性。盡管表土Δ14C與多種因素顯著相關(guān)，但植物C輸入主要控制表層土壤碳的長(zhǎng)期儲(chǔ)存，而礦物保護(hù)則主要在底土起作用。本研究利于加深對(duì)環(huán)境變化下土壤C動(dòng)態(tài)的了解，有助于C-氣候反饋模型的完善。