鹽堿地是應(yīng)對全球氣候變化和保障糧食安全的重要耕地儲備資源，部分原因是它可以儲存大量的碳（C）。目前尚不清楚鹽堿土地復(fù)墾（將鹽堿土地轉(zhuǎn)化為耕地）如何影響土壤碳儲存。本研究結(jié)果表明，與鹽堿地相比，鹽堿地復(fù)墾顯著增加了植物來源的碳積累和植物來源的碳與微生物來源的碳比率，導(dǎo)致植物源碳成為SOC儲量的主要貢獻(xiàn)者，POC封存和MAOC封存分別與鹽堿復(fù)墾引起的植物和微生物來源的碳積累密切相關(guān)，即鹽堿地復(fù)墾通過優(yōu)先促進(jìn)植物來源的碳積累來增加表層土壤中的碳儲存量。

02

引言

土壤鹽堿化使全球土壤（0-30cm）SOC儲量減少了3.47t?ha^?1。利用土壤修復(fù)技術(shù)可以有效地逆轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，微生物殘體（特別是真菌殘體）優(yōu)先聚集土壤的POC部分。植物和微生物源碳與POC和MAOC含量之間的關(guān)系以及植物和微生物來源的碳對鹽堿條件下SOC儲存的貢獻(xiàn)知之甚少。

兩個公認(rèn)的生物標(biāo)志物（木質(zhì)素酚和氨基糖）已被廣泛用于估計植物衍生木質(zhì)素殘體和微生物殘體對SOC庫的貢獻(xiàn)。因此，我們分別使用木質(zhì)素酚和氨基糖作為植物和微生物殘體碳的表征。本研究的目的是(i)量化鹽堿土地復(fù)墾對表層土壤碳儲量的影響，確定影響碳儲量的關(guān)鍵因素；(ii)評估植物和微生物來源的碳與POC和MAOC池之間的關(guān)系，以及植物和微生物來源的碳對中國主要鹽堿區(qū)SOC儲存的貢獻(xiàn)。

鹽堿地復(fù)墾對中國主要鹽堿區(qū)表層土壤碳儲量的影響示意圖。每個餅圖的大小與土壤有機(jī)碳(SOC)密度成正比，“other”表示土壤有機(jī)碳分異過程中流失的土壤碳。箭頭表示碳的分配和積累過程，每個箭頭的大小反映了過程的強(qiáng)度。鹽堿地復(fù)墾(1)對土壤無機(jī)碳(SIC)儲量的影響不一致，主要是通過引起有機(jī)碳積累來增加土壤中碳的儲量；(2)減少植物源碳的微生物轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致植物源碳成為有機(jī)碳儲存的主要貢獻(xiàn)者；(3)通過促進(jìn)植物源碳和微生物源碳的積累，增加顆粒有機(jī)碳(POC)和礦物結(jié)合有機(jī)碳(MAOC)庫。

03

主要結(jié)果

1.?土壤無機(jī)碳密度和有機(jī)碳密度

栽培土壤和鹽堿土壤的SIC密度差異不一致。松嫩平原栽培土壤的SIC密度低于鹽堿土壤，河套平原栽培土壤的SIC密度高于鹽堿土壤，東部沿海和西北干旱地區(qū)的栽培土壤和鹽堿土壤的SIC密度相似（圖2a）。松嫩平原、東部沿海地區(qū)、河套平原和西北干旱區(qū)栽培土壤的SOC密度分別比鹽堿土壤高14.51、12.64、12.50和7.65 t ha^?1（均為p < 0.001；圖2a）。栽培土壤對土壤總碳密度的貢獻(xiàn)明顯高于鹽堿土壤（圖2a）。除西北干旱地區(qū)外，其他區(qū)域栽培土壤中POC儲量和MAOC儲量均大于鹽堿土壤（幾乎所有p < 0.001；圖2b）。松嫩平原和東部沿海地區(qū)的栽培土壤的POC/MAOC比值高于鹽堿土壤（圖2b）。

圖2.四個鹽堿區(qū)的土壤碳儲量：(a)土壤總碳（STC）、無機(jī)碳（SIC）和有機(jī)碳（SOC）密度，松嫩平原、東部沿海地區(qū)、河套平原和西北干旱地區(qū)鹽堿土壤和栽培土壤(b)顆粒有機(jī)碳（POC）、礦物結(jié)合有機(jī)碳（MAOC）密度和POC/MAOC。

2.土壤碳密度與環(huán)境因子的關(guān)系

分層劃分分析表明，經(jīng)度和土壤改良指數(shù)分別解釋了所有鹽堿土壤無機(jī)碳和有機(jī)碳（特別是SOC和POC）密度的大量變化（圖S3a）。土壤因素解釋了鹽堿土壤SOC、POC和MAOC密度變化的25.7%–40.1%（圖S3b）。除西北干旱區(qū)的POC和MAOC密度外，每個鹽堿區(qū)的碳密度變化比例較小，主要由氣候和地理因素解釋（圖S4a-h)。隨機(jī)森林模型表明，土壤改良指數(shù)可以很好地預(yù)測每個鹽堿區(qū)的SOC、POC和MAOC密度（圖S5)。

3.植物和微生物源碳積累

各地區(qū)栽培土壤中儲存的植物源碳均高于鹽堿土壤（差異為4.50-7.47t ha^?1），除東部沿海地區(qū)土壤外，各區(qū)域栽培土壤中儲存的微生物源碳高于鹽堿土壤（圖3a）。栽培土壤的植物源碳與微生物源碳比值高于鹽堿土壤（圖3a)。除西北干旱地區(qū)外，栽培土壤的肉桂基與香蘭素和丁香基與香草醛的比例高于鹽堿土壤，這表明栽培土壤中的木質(zhì)素降解比鹽堿土壤少（圖3b）。而西北干旱地區(qū)的丁香酚和香葉酚的酸醛比低于西北干旱地區(qū)的鹽堿土壤，表明栽培土壤的木質(zhì)素氧化程度低于西北干旱地區(qū)的土壤（圖3c）。將每個化合物濃度歸一化為SOC含量，以反映化合物對SOC含量的相對貢獻(xiàn)。

圖3.植物和微生物源C在四個鹽堿區(qū)的積累。(a)植物和微生物源碳密度、植物源碳：微生物源碳，(b)肉桂基和香草基（C：V）和丁香基和香草基的（S：V）比值，(c)鹽堿土壤和栽培土壤松嫩平原，東部沿海地區(qū)，河套平原和西北干旱地區(qū)丁香基和香草基的酸醛比。較高的C：V或S：V比率表明木質(zhì)素降解越少，較低的酸醛比值(Ac:Als) 和(Ac:Alv) 表明木質(zhì)素氧化越少。

4.植物和微生物源碳的積累與有機(jī)碳密度相關(guān)性

SOC和POC密度（p < 0.01）與所有鹽堿區(qū)的植物源C指標(biāo)呈顯著相關(guān)（圖4）。在每個鹽堿區(qū)域中，POC密度與大多數(shù)植物源C（而不是微生物源C指標(biāo)）之間存在顯著相關(guān)性（圖4）。結(jié)構(gòu)方程模型表明，SOC儲量與POC儲量和MAOC儲量也是顯著相關(guān)（p＜0.001），這兩種儲量分別與松嫩平原、河套平原和西北干旱區(qū)鹽堿地復(fù)墾引起的植物和微生物源的碳積累密切相關(guān)（圖5a-d）。

圖4.所有鹽堿區(qū)和每個鹽堿區(qū)的土壤有機(jī)碳SOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）和礦物結(jié)合有機(jī)碳（MAOC）密度與植物和微生物源的碳指標(biāo)之間的皮爾曼相關(guān)性。顏色表示相關(guān)系數(shù)，*和**分別表示在概率水平為0.05和0.01處的顯著相關(guān)性。