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原名：Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter

譯名：土壤碳儲(chǔ)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(shí)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(dòng)，能最大限度地提高土壤碳儲(chǔ)量，同時(shí)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(chǔ)量，而不考慮碳的儲(chǔ)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(kù)，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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)存在顆粒有機(jī)物中，這些物質(zhì)更容易受到干擾，但對(duì)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(chǔ)量，并介導(dǎo)其他變量對(duì)土壤碳儲(chǔ)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(dòng)。

根據(jù)不斷增加的大氣二氧化碳濃度對(duì)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(dòng)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(chǔ)存碳的能力與氮的有效性有關(guān)。提高土壤碳儲(chǔ)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(gè)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(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響仍存在爭(zhēng)議，長(zhǎng)期施氮會(huì)增加土壤碳儲(chǔ)量，也會(huì)減少土壤碳儲(chǔ)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(duì)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(gè)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(shí)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(chǔ)存

表層礦質(zhì)土壤(0-20cm)有機(jī)碳和氮儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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f_MAOM的增加而降低，并隨C/N_POM和C/N_MAOM的增加而增加(圖2)。總體而言，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(duì)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/N_MAOM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(duì)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f_MAOM的重要驅(qū)動(dòng)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(yíng)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?bào)w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(chǔ)量之間是否存在因果關(guān)系仍是一個(gè)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(duì)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(píng)價(jià)效果;闊葉林提供了這種機(jī)會(huì)，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/N_POM、C/N_MAOM、f_MAOM以及MAOM和POM中的C儲(chǔ)量時(shí)，觀察到AM土壤的C/N比ECM土壤平均低24%(圖3)。這與C/N_MAOM的減少和f_MAOM的增加(圖3)以及MAOM中整體較高的C儲(chǔ)存有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)并概括了最近對(duì)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(chǔ)存了更多的C。總體而言，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(chǔ)量高于AM系統(tǒng)，與全球趨勢(shì)一致。ECM森林可能會(huì)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(duì)土壤碳封存的影響

歐洲草地和森林土壤的平均土壤碳儲(chǔ)量在46-84MgCha^?1之間，針葉林或混交林的土壤碳儲(chǔ)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(chǔ)量呈現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)變化(圖4)。在碳含量較低的土壤中，碳在MAOM中的儲(chǔ)存占優(yōu)勢(shì)。然而，當(dāng)它飽和時(shí)，額外的碳儲(chǔ)存只能通過POM的累積來實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)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(chǔ)量與f_MAOM呈高度負(fù)相關(guān)(圖5)。C/N_MAOM與土壤碳儲(chǔ)量呈極顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)?/span>MAOM是SOM的主導(dǎo)庫(kù)(即f_MAOM>50%;圖2)，而令人驚訝的是，C/N_POM似乎不那么重要，與土壤C儲(chǔ)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(gè)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(gè)強(qiáng)有力的預(yù)測(cè)因子，表明這種主要來源于植物且相對(duì)脆弱的碳儲(chǔ)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f_MAOM和C/N_MAOM來控制碳儲(chǔ)量(圖5)。值得注意的是，C/N_MAOM與pH、C/N_MAOM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(duì)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(chǔ)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(duì)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(duì)于草地的碳收益應(yīng)針對(duì)低于其飽和水平的土壤，這表明需要對(duì)土壤碳飽和赤字進(jìn)行地理估計(jì)。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(chǔ)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(jì)，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

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