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原名：Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter
譯名：土壤碳儲量由顆粒和礦物結(jié)合有機(jī)質(zhì)決定
期刊：NATURE GEOSCIENCE
IF：21.531
發(fā)表時間：2019.11
第一作者：Francesca Cotrufo
為緩解氣候變化實(shí)行的有效陸地解決方案要求采取行動，能最大限度地提高土壤碳儲量，同時不產(chǎn)生多余的氮。在土地管理的固碳工作中最常依據(jù)大量非根際土壤碳儲量，而不考慮碳的儲存形式、容量、持久性和氮需求。本研究中，介紹了歐洲范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)庫，包括土壤有機(jī)質(zhì)物理分組，以確定大陸尺度森林和草地表層土壤碳和氮儲量及其在礦物結(jié)合和顆粒有機(jī)物質(zhì)之間的分布。草地和叢枝菌根林將更多的土壤碳儲存在礦物結(jié)合有機(jī)碳中，這種有機(jī)碳更持久，有較高的氮需求，飽和程度也更高。
外生菌根森林將更多的碳儲存在顆粒有機(jī)物中，這些物質(zhì)更容易受到干擾，但對氮的需求更低，并可能無限積累。礦物結(jié)合有機(jī)質(zhì)和顆粒有機(jī)質(zhì)中碳的分配和碳氮比影響土壤碳儲量，并介導(dǎo)其他變量對土壤碳儲量的影響。了解礦物結(jié)合有機(jī)物與顆粒有機(jī)物中有機(jī)物質(zhì)的物理分布可以為土地管理提供信息，以實(shí)現(xiàn)氮高效固碳，這由生態(tài)系統(tǒng)中固有的土壤碳容量和氮可用性驅(qū)動。
根據(jù)不斷增加的大氣二氧化碳濃度對全球氣候的影響制定有效的大氣二氧化碳捕獲策略。碳在土壤有機(jī)質(zhì)的儲存被認(rèn)為是其中一種策略。它還可以帶來重要的共同利益，如改善土壤健康和提供土壤服務(wù)。溫帶森林和草地土壤占據(jù)了廣闊的土地面積，通過管理可以儲存大量的碳。因此，這些策略可以在未來的土壤C管理中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
土壤中的有機(jī)碳儲存在無數(shù)種不同的化合物中，其中許多化合物含有氮，或通過需要氮的微生物活動形成。此外，與植物生物量相比，SOM每單位C需要更多的N。因此，土壤儲存碳的能力與氮的有效性有關(guān)。提高土壤碳儲量而不增加氮肥或在土壤中固定氮，從而影響植物生產(chǎn)力是土壤碳封存策略的主要挑戰(zhàn)。土壤碳氮比被認(rèn)為是土壤固C潛力的一個指標(biāo)，土壤碳氮比高的系統(tǒng)能夠在單位N上積累更多的C。根據(jù)這一邏輯，外生菌根系統(tǒng)比叢枝菌根系統(tǒng)具有更高的碳氮比，而具有更高的固C潛力。
然而，施氮量對土壤碳儲量的影響仍存在爭議，長期施氮會增加土壤碳儲量，也會減少土壤碳儲量。最近的研究表明，如果SOM被廣泛地分為顆粒有機(jī)質(zhì)(POM)和礦物結(jié)合有機(jī)質(zhì)(MAOM)，則可以更好地描述土壤C的積累、持久性和對N有效性的響應(yīng)。POM主要來源于植物，含有許多氮含量低的結(jié)構(gòu)碳化合物，通過固有的生化抗性、團(tuán)聚體物理保護(hù)或微生物抑制作用在土壤中持續(xù)存在。MAOM主要由富含氮的微生物產(chǎn)物組成，由于與礦物質(zhì)的化學(xué)鍵和小團(tuán)聚體的物理保護(hù)，在土壤中持續(xù)存在。這兩個組分可以通過大小或密度能進(jìn)行解析分離，并在周轉(zhuǎn)時間上表現(xiàn)出差異，POM更容易受到干擾，并且比MAOM循環(huán)更快。
1.土壤有機(jī)碳和N儲存
表層礦質(zhì)土壤(0-20cm)有機(jī)碳和氮儲量隨地理位置和土地利用覆蓋而變化(圖1)?？傮w而言，與闊葉林和草地相比，混交林和針葉林的平均有機(jī)碳儲量最高。純草地平均氮蓄積量最高。然而，這些土地覆蓋之間的差異也可能是由于森林表土(0-20cm)中土壤有機(jī)碳(OC)的比例(占其總OC儲量的50%)普遍高于草地(42%)。
圖1歐洲森林和草地表層礦質(zhì)土(0-20
cm)土壤OC和N儲量的地理分布
歐洲森林和草地表層礦質(zhì)土壤C/N被較好的限制?？傮w土壤C/N平均值為15.0±6.5，處于世界土壤C/N平均值(9.9-25.8)的分布范圍內(nèi)。針葉林和混交林土壤的C/N最高，變化更大(分別為22.5±7.1和20.0±6.2)，而闊葉林(13.8±4.0)和純草地(11.0±2.1)的C/N比針葉林和混交林低，更多的被限制(圖2)，這表明它們的標(biāo)準(zhǔn)差較小。在所有土地利用類別中，土壤C/N比值隨fMAOM的增加而降低，并隨C/NPOM和C/NMAOM的增加而增加(圖2)?？傮w而言，MAOM的C/N(12.6±4.7)低于POM的C/N(22.1±14.9;圖2)。盡管植物的碳氮比在不同的植物種類和植物器官以及在對環(huán)境壓力的反應(yīng)中存在很大差異，但土壤微生物的碳氮比較小，真菌的碳氮比通常在4.5-15之間，細(xì)菌的碳氮比在3-5之間。因此，POM主要由部分分解的植物材料組成，其C/N比MAOM的變化更大(圖2)，而MAOM的來源主要是微生物。因?yàn)槟举|(zhì)輸入具有高C/N和POM的持久性的特征，與草地相比森林土壤中C/N、POM和MAOM一般更高(圖2)。在森林中，C/NMAOM超過了微生物的范圍，這表明在這些系統(tǒng)中，植物源性OM對MAOM的貢獻(xiàn)更高，可能是通過植物輸入物的體外微生物轉(zhuǎn)化或植物源性顆粒結(jié)構(gòu)在小(<53μm)聚集物中的保護(hù)作用。
? ? ? 圖2歐洲森林和草地表層礦質(zhì)土(0-20 cm)土壤碳氮比
菌根組合的類型也可能是土壤C/N和fMAOM的重要驅(qū)動因素，因?yàn)樗鼈冏陨斫M織的降解性不同，降解有機(jī)質(zhì)和釋放礦物N的能力也不同。ECM真菌通過產(chǎn)生水解酶，而叢枝菌根真菌依賴腐營養(yǎng)有機(jī)物的腐爛和礦物N的產(chǎn)生。然而，在植物經(jīng)濟(jì)譜的框架下，植物性狀直接控制植物殘體的分解，從而影響土壤中C和N的循環(huán)。植物性狀與菌根關(guān)聯(lián)可能存在相互聯(lián)系，但兩者與土壤C/N或碳儲量之間是否存在因果關(guān)系仍是一個懸而未決的問題。
圖3菌根關(guān)聯(lián)的SOM與C/N箱線圖
因此，菌根對土壤有機(jī)質(zhì)及其C/N比值的影響在同一土地覆被類別內(nèi)具有較好的評價效果;闊葉林提供了這種機(jī)會，因?yàn)樗鼈兊臉淠炯扔型馍钟袇仓．?dāng)需要比較存在菌根關(guān)聯(lián)的闊葉林和混交林的土壤C/N、C/NPOM、C/NMAOM、fMAOM以及MAOM和POM中的C儲量時，觀察到AM土壤的C/N比ECM土壤平均低24%(圖3)。這與C/NMAOM的減少和fMAOM的增加(圖3)以及MAOM中整體較高的C儲存有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)并概括了最近對微生物殘留積累的觀察，與以ECM為主的溫帶森林相比，AM主導(dǎo)的溫帶森林中MAOM的土壤氮含量更高，后者在POM中儲存了更多的C?？傮w而言，ECM和AM闊葉林土壤之間的這些差異導(dǎo)致ECM土壤有機(jī)碳平均儲量高于AM系統(tǒng)，與全球趨勢一致。ECM森林可能會在有機(jī)土層中積累更多的POM，從而導(dǎo)致這些森林的土壤C總體上增加。
2.對土壤碳封存的影響
歐洲草地和森林土壤的平均土壤碳儲量在46-84MgCha?1之間，針葉林或混交林的土壤碳儲量最高(圖1)。事實(shí)上，在所有實(shí)驗(yàn)樣地中，隨著土壤總碳含量的增加，MAOM和POM組分的碳儲量呈現(xiàn)不同的動態(tài)變化(圖4)。在碳含量較低的土壤中，碳在MAOM中的儲存占優(yōu)勢。然而，當(dāng)它飽和時，額外的碳儲存只能通過POM的累積來實(shí)現(xiàn)。在整個土壤有機(jī)碳范圍內(nèi)，草地系統(tǒng)的MAOM比例高于森林，POM比例低于森林，特別是與針葉林相比(圖4)。由于碳飽和，土壤碳儲量與fMAOM呈高度負(fù)相關(guān)(圖5)。C/NMAOM與土壤碳儲量呈極顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)?/span>MAOM是SOM的主導(dǎo)庫(即fMAOM>50%;圖2)，而令人驚訝的是，C/NPOM似乎不那么重要，與土壤C儲量呈負(fù)相關(guān)(圖5)。這一發(fā)現(xiàn)表明，在大陸尺度上，碳封存的N效率(封存一個單位C所需的N量)取決于MAOM和POM之間的分配，以及它們的C/N比。在歐洲草原和森林土壤中進(jìn)行的另一項(xiàng)研究中，POM被認(rèn)為是有機(jī)碳和氮的一個強(qiáng)有力的預(yù)測因子，表明這種主要來源于植物且相對脆弱的碳儲存部分在這些生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。除土地覆蓋外，土壤因子(如土壤質(zhì)地和pH值)通過影響fMAOM和C/NMAOM來控制碳儲量(圖5)。值得注意的是，C/NMAOM與pH、C/NMAOM與游粉塵呈負(fù)相關(guān)，這可能表明粗質(zhì)酸性土壤中細(xì)菌來源的有機(jī)質(zhì)對MAOM的貢獻(xiàn)較低。
圖4 MAOM和POM中的土壤有機(jī)碳
圖5控制有機(jī)碳儲量的結(jié)構(gòu)方程模型
實(shí)施土壤碳封存戰(zhàn)略需要明確的、基于科學(xué)的指導(dǎo)方針，考慮特定地點(diǎn)的土壤和生態(tài)系統(tǒng)特性，包括SOM在MAOM和POM中的相對分布。在本研究中，發(fā)現(xiàn)草地中的碳封存是高度持續(xù)的，但由于MAOM-C在這些系統(tǒng)中的主導(dǎo)地位，因此需要大量的N飽和。因此，管理對于草地的碳收益應(yīng)針對低于其飽和水平的土壤，這表明需要對土壤碳飽和赤字進(jìn)行地理估計。然而，森林在積累土壤碳的方式上具有更大的可塑性，因?yàn)樗鼈兛梢栽诔志眯暂^弱和更脆弱的POM部分中儲存更多的碳。土壤碳封存的造林應(yīng)根據(jù)土壤性質(zhì)(如粉砂和粘土含量、pH值)、碳虧缺和氮有效性進(jìn)行設(shè)計，并應(yīng)使用AM或ECM相關(guān)樹種以最大限度地提高碳收益。
論文id：https://doi.org/10.1038/s41561-019-0484-6
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、CUE等
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