微信復(fù)制原名：Naturalrevegetation over 160 years alters carbon and nitrogen sequestrationand stabilization in soil organic matter on the Loess Plateau ofChina
譯名：160多年的自然植被恢復(fù)改變了黃土高原土壤有機(jī)質(zhì)碳氮的固存和穩(wěn)定
作者：WenYang
期刊：CATENA
影響因子/分區(qū)：6.367/Q1
發(fā)表時(shí)間：2022.09.29
13C和15N、C和N穩(wěn)定、密度和粒度分餾、礦物伴生有機(jī)質(zhì)、植被恢復(fù)
（1）背景：自然植被恢復(fù)下植物的功能性狀，以及植物的組成、結(jié)構(gòu)、蓋度和植被群落的生物多樣性發(fā)生了很大變化。這些調(diào)整改變了進(jìn)入土壤的植物殘?jiān)臄?shù)量和質(zhì)量、土壤的物理化學(xué)屬性、土壤水分模式和土壤微生物數(shù)量。最終，這些因素會(huì)極大地影響生態(tài)系統(tǒng)中的C和N循環(huán)，特別是在土壤C和N的固存方面。??
自然植被恢復(fù)通過(guò)促進(jìn)植物和土壤中的碳和氮的吸收被認(rèn)為是減緩氣候變化的一種有前途的途徑。然而自然植被恢復(fù)是如何穩(wěn)定土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)中的C和N的，目前還不清楚。SOM中C和N的物理化學(xué)穩(wěn)定性以及有機(jī)質(zhì)(OM)的組成在決定陸地生態(tài)系統(tǒng)中C和N的持久性方面起著至關(guān)重要的作用。闡明自然植被如何影響土壤表層碳、氮的固存和穩(wěn)定，對(duì)于估算土壤碳、氮的長(zhǎng)期獲取和儲(chǔ)存及其對(duì)氣候變化的影響至關(guān)重要。
（2）主題：本研究將土壤物理分餾過(guò)程與穩(wěn)定同位素分析相結(jié)合，分析了SOM、FLF、IPOM和MAOM中的有機(jī)C和TN濃度和儲(chǔ)量、C:N比值以及δ13C和δ15N值。此外，我們檢測(cè)了土壤微生物生物量C和N(MBC和MBN)的濃度，土壤理化屬性，即土壤pH值、濕度和體積密度(BD)，以及在不同土壤深度(0-20、20-40和40-60cm)和不同恢復(fù)階段（農(nóng)田、先鋒雜草、草本植物、灌木到早期森林，最后到頂極林）的植物特征(即凋落物/根生物量、凋落物C:N比)
(1)長(zhǎng)期的自然植被恢復(fù)增加了SOM及其組分中C、N的固存，其中頂極林在SOM及其組分中C、N的固存量最大;
(2)長(zhǎng)期自然植被恢復(fù)通過(guò)將C和N向非保護(hù)和純物理保護(hù)的SOM組分轉(zhuǎn)移，改變了SOM中C和N的穩(wěn)定性，并相應(yīng)地減少了最穩(wěn)定的MAOM中C和N的分配;
(3)SOM及其組分的δ13C和δ15N值隨長(zhǎng)期自然植被恢復(fù)而變化。土壤有機(jī)質(zhì)中δ13C和δ15N值最豐富的是農(nóng)田。
（1）本次調(diào)查在中國(guó)陜西省?？h黃土高原中部地區(qū)的子午嶺進(jìn)行，該地區(qū)土壤疏松，人為干擾不斷，水土流失嚴(yán)重，自然植被恢復(fù)了廢棄的農(nóng)田，在過(guò)去的約160年里，人們觀察到了不同的植被恢復(fù)階段，從先鋒雜草到草本植物，到灌木，再到早期和頂極森林。
選取了6個(gè)典型的自然植被恢復(fù)階段為研究樣本:
(1)農(nóng)田階段(對(duì)照，0年，F(xiàn)S);
(2)雜草先驅(qū)期(約15年，PWS);
(3)草本期(30年，HS);
(4)灌木期(約50年，SS)；
(5)早期林期(110年,EFS);
(6)林頂期(160年,CFS)。
圖1
（2）于2019年10月采集樣本，每個(gè)植被恢復(fù)階段隨機(jī)建立4個(gè)重復(fù)小區(qū)。采用s型取樣技術(shù)，分別在0-20、20-40和40-60cm深度的每個(gè)地塊隨機(jī)抽取9個(gè)土壤樣品(5cm直徑×20 cm深)。在0-20、20-40和40-60cm土壤深度使用切割環(huán)確定每個(gè)地塊的容土密度。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)1× 1 m樣方進(jìn)行凋落物采樣。分別在土壤深度0-20、20-40、40-60cm處，用根鉆隨機(jī)抽取3個(gè)根樣芯(直徑10cm× 20cm深)。
(3)土壤樣品清除所有根系和有機(jī)碎片，然后通過(guò)2mm篩和完全混合，分離出三個(gè)子樣品。第一個(gè)子樣品在105?C恒重干燥，第二個(gè)子樣品在環(huán)境空氣中干燥，并過(guò)1毫米篩，第三個(gè)子樣品在環(huán)境空氣中干燥，并過(guò)2毫米篩，以確定SOM、FLF和IPOM中的C和N濃度。用切割環(huán)提取的新鮮土和固體土芯被加熱到105?C和干燥到一個(gè)均勻的重量，分別量化土壤水分和容重。用pH計(jì)測(cè)定土壤pH值。MBC和MBN濃度用氯仿熏蒸-萃取技術(shù)定量。清洗凋落物和根系樣本，并烘干，分別測(cè)量凋落物和根系的生物量。
(4)為了實(shí)現(xiàn)功能上完全不同的SOM池，通過(guò)結(jié)合密度和尺寸分餾來(lái)分離土壤樣品。將風(fēng)干的樣品放入離心管中，加入NaI溶液，然后塞管，振蕩離心。用尼龍膜將浮在NaI上清液上的FLF用玻璃真空過(guò)濾裝置分離。然后用CaCl2清洗殘留在過(guò)濾器上的物質(zhì)，以去除任何殘留的NaI，然后清洗。用NaI提取離心管中漂浮的材料兩次，并將這兩個(gè)亞組分轉(zhuǎn)移到玻璃燒杯中，在50?C下加熱和干燥，稱重創(chuàng)建FLF樣品。離心瓶底部殘留的土壤漂洗2次，離心，取上清。將洗凈的土壤樣品分散在SHMP中，土壤懸浮液過(guò)篩分離IPOM和MAOM。獲得的IPOM和MAOM樣品干燥并稱重。
(5)為了去除全部無(wú)機(jī)C，將通過(guò)土壤分餾過(guò)程獲得的大塊土壤(即整個(gè)SOM)、FLF、IPOM和MAOM組分置于1M HCl室溫下24小時(shí)。將烤箱干燥的SOM組分在球磨機(jī)中粉碎，制備有機(jī)C和TN濃度，并進(jìn)行C和N的同位素分析。使用VarioPYRO立方元素分析儀測(cè)量SOM組分和植物材料中的C和N濃度。平均而言，采用該分選方法后，土壤質(zhì)量回收率為94.1%，C回收率為93.9%，N回收率為93.5%。使用IsoPrime100同位素比質(zhì)譜儀對(duì)SOM餾分的穩(wěn)定C和N同位素進(jìn)行了評(píng)估。穩(wěn)定的C和N同位素比值以δX(‰)表示:δX= [(RSAMPLE/RSTANDARD)?1]×1000‰每隔12個(gè)樣品確定標(biāo)準(zhǔn)，δ13C和δ15N的重復(fù)測(cè)量精度分別為±0.15‰和±0.2‰。每個(gè)SOM組分的土壤C或N存儲(chǔ)量(gm?2)由以下公式確定:土壤C或N存儲(chǔ)量=Con. × BD × T × 10，其中Con.為每個(gè)SOM組分的有機(jī)C或TN濃度(gkg?1)，T為土層厚度(cm)。
（6）采用單因素方差分析評(píng)價(jià)自然植被和土壤深度對(duì)土壤根系生物量、土壤pH、水分、BD、MBC、MBN、C和N濃度、SOM組分儲(chǔ)量、SOM組分δ13C和δ15N值、SOM組分C和N分布比例以及SOM組分C:N比的影響。 采用單因素方差分析分析了自然植被對(duì)植被生物量、C、N含量和凋落物C:N比值的影響。 用鄧肯檢驗(yàn)評(píng)價(jià)各組平均值之間的顯著差異(P<0.05)。采用雙向方差分析研究了自然植被、土壤深度及其相互作用對(duì)土壤和植物屬性、碳氮濃度、δ13C和δ15N以及SOM組分C:N比值的影響。 ?采用Pearson相關(guān)分析研究了SOM組分中C、N與植物土壤性質(zhì)的關(guān)系。
（1）植物和土壤的特征
在0-20cm土層內(nèi)，植被恢復(fù)階段之間的農(nóng)田、早期林和頂極林根系生物量最大。然而，20-60cm土層的根系生物量在植被恢復(fù)階段之間沒(méi)有顯著變化。凋落物生物量隨著自然植被的恢復(fù)逐漸增加，在頂極林達(dá)到最大值。植被恢復(fù)階段之間，頂極林凋落物C:N比最大，農(nóng)田最低。自然植被對(duì)根系生物量、土壤pH值、濕度、MBC和MBN有顯著影響（表1）。隨著自然植被的恢復(fù)，0-20cm土層pH值逐漸下降。土壤水分(0-20cm)以頂極林最高。植被恢復(fù)階段之間，農(nóng)田和草本植物的土壤BD(0 - 20 cm)最大。MBC和MBN(0 - 20cm)濃度隨自然植被恢復(fù)而逐漸增加。土壤pH、水分、BD、MBC和MBN受到土壤深度的顯著影響(表1)。在每個(gè)植被恢復(fù)階段，土壤MBC和MBN濃度隨土層深度的增加而下降。
（2）SOM組分的C、N濃度和存儲(chǔ)量
自然植被恢復(fù)顯著(P< 0.001)影響SOM、FLF和IPOM中的有機(jī)C和全N，而對(duì)MAOM中的有機(jī)C和全N無(wú)顯著影響(P> 0.05)(表1)。在0-20cm土層中，頂極林和早期林的SOM、FLF和IPOM的有機(jī)C濃度和庫(kù)存量均顯著高于灌木、草本植物、先鋒雜草和農(nóng)田(表2，圖2a、b、d)。0- 20 cm土壤中MAOM有機(jī)碳庫(kù)存量在頂極林最大，在植被恢復(fù)期之間的草本期最小(圖2c)。植被恢復(fù)階段之間，頂極林中SOM(20 - 40 cm)、FLF和IPOM(20 - 60 cm)的有機(jī)C濃度和庫(kù)存量最大(表2，圖2a、b、d)。
頂極林和早期林的SOM總氮濃度和庫(kù)存量、FLF(0 - 20 cm)的N庫(kù)存量均顯著高于其他植被恢復(fù)階段(表2、圖2e、h)。草本期和農(nóng)田期IPOM(0 - 20 cm)的總氮濃度和庫(kù)存量均顯著低于其他植被恢復(fù)階段(表2、圖2f)。0- 20 cm土層中MAOM全氮濃度和庫(kù)存量以頂極林最高，灌叢期最低(表2，圖2g)。植被恢復(fù)階段之間，頂極林20- 40 cm土層FLF和20- 60 cm土層IPOM的總N庫(kù)存量最高(圖2e,f)。
表1?基于雙向方差分析，植被恢復(fù)階段、土壤深度及其相互作用對(duì)SOM組分(0~ 60 cm)植物、土壤屬性及C、N的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F值、P值)。
表2?黃土高原不同植被恢復(fù)階段土壤有機(jī)質(zhì)組分中有機(jī)碳和全氮的濃度(平均值±SE,N = 4)
不同上標(biāo)大寫(xiě)字母表示同一土壤深度下不同植被階段間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(α= 0.05)。不同上標(biāo)小寫(xiě)字母表示同一植被階段土壤深度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(α= 0.05)。
圖2?黃土高原不同植被恢復(fù)階段土壤有機(jī)質(zhì)C和全氮儲(chǔ)量(平均值±SE,N = 4)
不同上標(biāo)大寫(xiě)字母表示同一土壤深度下不同植被階段間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(α= 0.05)。不同上標(biāo)小寫(xiě)字母表示在同一植被恢復(fù)階段不同土壤深度間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
FS:農(nóng)田階段;PWS:雜草先驅(qū)期;海關(guān):草本階段;SS:灌木階段;EFS:早期森林階段;CFS:頂級(jí)森林階段。）
圖3黃土高原不同植被恢復(fù)階段SOM、FLF、IPOM和MAOM的C:N比值(均值±SE, N = 4)條形上的大寫(xiě)字母表示各土壤組分在α = 0.05水平上的植被恢復(fù)階段差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。條形上的小寫(xiě)字母表示各植被恢復(fù)階段SOM組分間的α = 0.05水平差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 | 圖4黃土高原不同植被階段土壤(0 ~ 20、20 ~ 40和40 ~ 60 cm深度)中FLF、IPOM和MAOM的質(zhì)量比(均值±SE, n = 4)。條形圖上不同的大寫(xiě)字母表示各土壤組分在α = 0.05水平上的植被恢復(fù)階段差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。條形圖上不同小寫(xiě)字母表示各恢復(fù)階段SOM組分間α = 0.05水平差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 |
圖5黃土高原不同植被恢復(fù)階段FLF、IPOM和MAOM中C、N含量的分布比例(均值±SE,N = 15)不同上標(biāo)大寫(xiě)字母表示同一土壤深度下不同植被階段間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(α= 0.05)。不同上標(biāo)小寫(xiě)字母表示同一植被階段土壤深度在α= 0.05水平上差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
表3 黃土高原不同植被恢復(fù)階段有機(jī)質(zhì)組分δ13C(‰)和δ15N(‰)值
表4 黃土高原表層有機(jī)質(zhì)中碳氮含量與0- 60 cm土壤性質(zhì)的相關(guān)性分析
土壤深度對(duì)SOM、FLF、IPOM、MAOM有機(jī)碳和全氮濃度影響較大。0- 20 cm土層SOM、FLF、IPOM和MAOM的有機(jī)碳和全氮含量及庫(kù)存量均顯著高于20- 40和40- 60 cm土層，除農(nóng)田的IPOM的有機(jī)碳濃度和庫(kù)存量、灌叢的MAOM的有機(jī)碳和全氮庫(kù)存量外。20-40cm和40-60cm土層有機(jī)質(zhì)C和TN濃度以及SOM,FLF, IPOM, MAOM庫(kù)存量差異不顯著，例外情況極少。0-20cm土層SOM和IPOM的C:N比值，20- 60 cm土層SOM和FLF的C:N比值隨自然植被的恢復(fù)逐漸增加(圖3)。
(3)有機(jī)質(zhì)組分中碳、氮的分布
0 -60 cm土層中FLF占土壤容重的0.49- 3.58%(圖4);但各植被恢復(fù)階段有機(jī)C含量占SOM(SOM-C)含量的7.75-36.00%，SOM(SOM-N)中總氮含量的2.76-22.57%(圖5a和d)。0- 60 cm土層的IPOM占土壤容重的10.46- 23.31%(圖4)，分別占土壤SOM-C含量的9.11- 25.38%和SOM-N含量的5.78- 32.18%(圖5b和e)。 隨著自然植被恢復(fù)，0-20cm土層的FLF質(zhì)量百分比逐漸升高(圖4a)。隨著自然植被的恢復(fù)，IPOM和MAOM質(zhì)量(0-40cm)的百分比變化不大(圖4a和b)。
0 -60cm土層的FLF-C/SOM-C和0-40cm土層的IPOM-C/SOM-C隨自然植被恢復(fù)逐漸增加(圖5a和b)。0-20cm土層的MAOM-C/SOM-C隨自然植被恢復(fù)逐漸減少，(圖5c)。0-20cm土層的FLF-N/SOM-N在頂極期、早期森林和灌木階段顯著大于草本、先鋒雜草和農(nóng)田階段(圖5d)。
（4）SOM的自然穩(wěn)定同位素豐度分?jǐn)?shù)
自然植被對(duì)SOM、FLF、IPOM、MAOM的δ13C和δ15N值有顯著影響(表1),0- 60 cm土層SOM、FLF和IPOM的δ13C值在植被恢復(fù)階段之間最大(表3)。0- 20 cm土層SOM的δ13C值在早林和頂極林中最低(表3)。頂級(jí)林和早期森林，灌木，草本和先鋒雜草階段的SOM、IPOM(20 - 60 cm)和FLF(40 - 60 cm) δ13C的消耗顯著(P< 0.05)高于農(nóng)田(表3)。MAOM(0 - 20 cm)的δ13C值隨自然植被恢復(fù)變化不大(表3)。農(nóng)田和草本階段0- 20 cm土層的SOMδ13C含量顯著(P<0.05)高于灌叢、早期和頂級(jí)林(表3)。此外，SOM、FLF、IPOM、MAOM的δ13C和δ15N值受土壤深度影響明顯(表1)。
（5）將SOM餾分與植物和土壤特性聯(lián)系起來(lái)
Pearson相關(guān)分析表明SOM、FLF、IPOM的C、N濃度、FLF-C/SOM-C、IPOM-C/SOM-C、FLF-N/SOM-N、IPOM-N/SOM-N、C:N比SOM、MBC、0~ 60 cm的MBN均與枯落物和根系生物量呈顯著正相關(guān)(P< 0.05)(表4)。MAOM-c /SOM- c和MAOM-n /SOM- n與枯落物和根系生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(表4)。SOM、FLF、MAOM的δ13C值和FLF、MAOM-c /SOC、MAOM-n /SOM- n的δ15N值與枯落物生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)(表4)。各植被恢復(fù)階段的MAOM-C/SOM-C、MAOM-N/SOM-N與根系生物量呈顯著負(fù)相關(guān)(表4)。植被恢復(fù)各階段SOM、FLF、IPOM和MAOM的C、N濃度以及SOM和MAOM的C:N比值之間呈極顯著正相關(guān)(P< 0.01)。與土壤水分、MBC、MBN均呈極顯著正相關(guān)，與土壤pH、BD呈極顯著(P< 0.01)負(fù)相關(guān)(表4)。各植被階段SOM、FLF、IPOM、MAOM的δ13C、δ15N值與土壤pH、BD呈極顯著(P< 0.05)正相關(guān);而與土壤濕度、MBC、MBN、SOM、FLF和IPOM的C、N濃度呈顯著負(fù)相關(guān)(表4)。FLF-C/SOM-C、IPOM-C/SOC、FLF-N/SOM-N、IPOM-N/SOM-N與SOM、FLF和IPOM的土壤濕度、MBC、MBN、C、N濃度呈顯著正相關(guān)，與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)(表4)。
自然植被顯著促進(jìn)黃土高原表層(0-20cm)土壤有機(jī)質(zhì)及其組分中有機(jī)C和TN的積累(表2;圖2)。表層土壤SOM及其組分中C、N的濃度和庫(kù)存量在植被恢復(fù)后期(即早期和頂極林階段)顯著增加(表2;圖2)。 頂極林表層土壤SOM中最大的C和N儲(chǔ)量主要來(lái)自于FLF和IPOM中C和N的增加(圖2)。總SOC池的增強(qiáng)主要來(lái)自于非受保護(hù)C的增加，F(xiàn)LF是非受保護(hù)OM，主要由未降解和部分腐爛的植物殘?bào)w組成，包括凋落物和根物質(zhì)的未附著顆粒、孢子和真菌菌絲。IPOM也主要由新的和部分腐爛的植物殘?bào)w組成。然而，它受到土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)。
在本研究中，凋落物和根系的生物量隨自然植被的恢復(fù)而逐漸增強(qiáng)(表S2;圖S1)。由此推斷，大量增加的植物碎屑(即枯落物、根系等)是進(jìn)入土壤的FLF和IPOM最重要的組成部分之一(表S2;圖S1)，這促進(jìn)了植被恢復(fù)后期FLF、IPOM和大塊SOM(0 - 20cm)中C和N的積累，特別是在頂極林(表2)。同時(shí)，頂極林表層土壤SOM中C和N儲(chǔ)量的增加部分歸因于MAOM中C和N的富集，盡管它們的增加儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于FLF和IPOM(圖2)。Olayemi等人記錄了MAOM隨著IPOM分解的增強(qiáng)而增加。
此外，據(jù)報(bào)道，高質(zhì)量的植物C輸入，特別是來(lái)自根部碎屑和滲出物，為微生物提供了豐富的有效底物，促進(jìn)了微生物的增殖和活性，從而增加了驅(qū)動(dòng)MAOM形成的微生物副產(chǎn)物。在本研究中，根系生物量、MBC、MBN濃度、表層土壤IPOM濃度和庫(kù)存量隨著自然植被的恢復(fù)逐漸增加，在頂極林達(dá)到最大值(表2和表S2;圖2)。結(jié)果顯示，MAOM-C和MAOM-N與根系生物量、MBC、MBN、IPOM-c和IPOM-N呈強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系(表4)，而與凋落物生物量無(wú)相關(guān)性，這進(jìn)一步支持了先前的研究，即MAOM獨(dú)立于原始植物凋落物。我們推斷，頂極林表層土壤中MAOM的最高C和N儲(chǔ)量主要由推動(dòng)MAOM形成的IPOM、微生物生物量(即MBC、MBN)和根系生物量的大幅增加所主導(dǎo)。
在整個(gè)土壤剖面上，SOM組分中的根系生物量、C和N儲(chǔ)量隨著土壤深度的增加而顯著下降(表S2;圖2)，這與早期研究一致，表明SOM餾分中的C和N含量隨著土壤深度的增加而下降。 平均而言，56%的根系生物量、70%的FLF-C、75%的FLF-N、65%的IPOM-C、64%的IPOM-N、51%的MAOM-C、44%的MAOM-N、58%的SOM-C和51%的SOM-N分配到不同植被恢復(fù)階段的表層土壤(表S2);這表明，在不同植被恢復(fù)階段，SOM組分中C和N的垂直分布主要集中在表層土壤。在每個(gè)植被恢復(fù)階段，表層土壤SOM組分中C和N的分配高于深層土壤，這主要是由于覆蓋表層土壤的凋落物層較厚，以及大部分根系物質(zhì)分布在表層土壤中(表S2)。這些大量的植物殘?bào)w進(jìn)入表層土壤，在每個(gè)植被恢復(fù)階段都極大地促進(jìn)了表層土壤C和N的積累。20-60cm土層中FLF-C、IPOM-C和IPOM-N的庫(kù)存量以及20-40cm土層中FLF-N的庫(kù)存量在頂極林中最高(圖2)，這可能仍然受到最大凋落物輸入的影響(圖S1a)。MAOM-C(20-60 cm)和MAOM-N(40-60cm)的儲(chǔ)量不受自然植被恢復(fù)的影響(圖2)，這主要?dú)w因于根系生物量，以及微生物生物量。這些是較深層土壤中MAOM變化不受植被恢復(fù)影響的重要驅(qū)動(dòng)因素(表S2)。
自然植被的恢復(fù)極大地改變了SOM組分中C和N的分布和穩(wěn)定性(圖5)。FLF被廣泛認(rèn)為是最新鮮、最不穩(wěn)定的組分，分解速度快，不受土壤的物理或化學(xué)保護(hù)，可被微生物獲取。相反，MAOM是最古老和最持久的成分，生物利用度和分解率較低，在土壤中停留時(shí)間較長(zhǎng)，因?yàn)樗c礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)結(jié)合。然而，由于IPOM受到土壤團(tuán)聚體的物理保護(hù)，它的停留時(shí)間比FLF更長(zhǎng)。在本研究中，隨著自然植被的恢復(fù)，表層土壤中FLF中C(即FLF-C/SOM-C)和IPOM中N(即IPOM-N/SOM-N)的分布比例(0-60cm)、IPOM中C(即IPOM-C/SOM-C)和FLF中N(即FLF-N/SOM-N)的分布比例逐漸增大(圖5)。這表明，自然植被恢復(fù)通過(guò)增加非保護(hù)和純物理保護(hù)的C和N的分布比例，降低化學(xué)保護(hù)的C和N的分布比例，改變了土壤表層土壤C和N的穩(wěn)定性(圖5)。一般來(lái)說(shuō)，在SOM分解過(guò)程中，C:N比值會(huì)降低，C:N比值越高意味著SOM分解速率越低。在本研究中，表層土壤SOM的C:N比值隨著自然植被的恢復(fù)而逐漸增強(qiáng)，這主要是由于FLF和IPOM中C:N比值的增加(圖3)。頂極林表層土壤中FLF和IPOM分解較低(圖3)可能主要?dú)w因于頂極林中抗分解的凋落物C:N比率較高(圖S1)。
自然植被恢復(fù)顯著(P<0.001)改變了SOM組分之間的δ13C和δ15N穩(wěn)定同位素特征(表1)，并影響了C和N的轉(zhuǎn)換(表3)。在本研究中，與其他植被恢復(fù)階段(表3)相比，SOM、FLF和IPOM(0-60cm)的δ13C值在農(nóng)田中最為豐富，這可能是因?yàn)镕LF和IPOM的δ13C值與現(xiàn)有的直立植被相似。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每個(gè)植被階段的每個(gè)土壤深度，δ13C值隨著SOM分解從FLF到IPOM再到MAOM逐漸增加(表3)。微生物處理可能導(dǎo)致土壤C中13C的富集，因?yàn)榧?xì)菌更喜歡代謝富含12C的化合物，最終導(dǎo)致更多的12C通過(guò)土壤呼吸流失，而13C則在SOM分解過(guò)程中保留。據(jù)報(bào)道，微生物在SOM分解過(guò)程中更喜歡使用14N，因此土壤中δ15N的富集，在每個(gè)植被階段的每個(gè)土壤深度，從FLF、IPOM和MAOM向環(huán)境大氣損失更多的14N。此外，SOM、FLF、IPOM和MAOM中δ13C和δ15N值在深層土壤(20-60cm)中比表層土壤(0-20cm)中更富，很少有例外。有人認(rèn)為這是由于MAOM(20-60cm)中C和N的分布比例增強(qiáng)所致，這意味著更深的土壤中SOM分解增加(圖5c和f)。這導(dǎo)致了在微生物處理下12C和14N的損失，δ13C和δ15N的富集。
160年的自然植被恢復(fù)顯著促進(jìn)了土壤表層C和N的固存，主要是通過(guò)FLF和IPOM中C和N的積累，以及植被恢復(fù)后期表層土壤中MAOM中C和N含量的緩慢增加。
表層土壤隨自然植被的恢復(fù)，C和N在FLF和IPOM中的分布比例增加，而在MAOM中的分布比例降低。δ13C和δ15N值隨有機(jī)質(zhì)分解和土壤深度的增加而逐漸增加。土壤有機(jī)質(zhì)δ15N值越高，土壤有機(jī)質(zhì)C:N比值越低，說(shuō)明土壤氮循環(huán)越容易發(fā)生氮流失，且土壤有機(jī)質(zhì)分解程度越高。
結(jié)果表明，自然植被通過(guò)增強(qiáng)表層土壤有機(jī)質(zhì)及其組分中C和N的固存作用，對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)中C和N的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，并通過(guò)增加非保護(hù)和純物理保護(hù)的C和N的相對(duì)分布，減少化學(xué)保護(hù)的C和N的相對(duì)分布，極大地改變了表層土壤有機(jī)質(zhì)中C和N的穩(wěn)定。
氨基糖、木質(zhì)素、PLFA
磷組分、有機(jī)酸、有機(jī)氮組分
微生物量碳氮磷、同位素等
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