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客户文章(IF:18.9)|盐碱地复垦通过优先积累植物源碳来提高表层土壤碳储量

日期: 2024-06-17
标签:
文献解读

 名:Saline-alkali land reclamation boosts topsoil carbon storage by preferentially accumulating plant-derived carbon

译 名:盐碱地复垦通过优先积累植物源碳来提高表层土壤碳储量

期 刊:Science Bulletin

IF:18.9

发表日期:2024.5.18

第一作者:Lin Chen



01
摘要
客户文章(IF:18.9)|盐碱地复垦通过优先积累植物源碳来提高表层土壤碳储量

盐碱地是应对全球气候变化和保障粮食安全的重要耕地储备资源,部分原因是它可以储存大量的碳(C)。目前尚不清楚盐碱土地复垦(将盐碱土地转化为耕地)如何影响土壤碳储存。本研究结果表明,与盐碱地相比,盐碱地复垦显著增加了植物来源的碳积累和植物来源的碳与微生物来源的碳比率,导致植物源碳成为SOC储量的主要贡献者,POC封存和MAOC封存分别与盐碱复垦引起的植物和微生物来源的碳积累密切相关,即盐碱地复垦通过优先促进植物来源的碳积累来增加表层土壤中的碳储存量。


02
引言
客户文章(IF:18.9)|盐碱地复垦通过优先积累植物源碳来提高表层土壤碳储量

土壤盐碱化使全球土壤(0-30cm)SOC储量减少了3.47t ha−1。利用土壤修复技术可以有效地逆转这一现象。在农业生态系统中,微生物残体(特别是真菌残体)优先聚集土壤的POC部分。植物和微生物源碳与POC和MAOC含量之间的关系以及植物和微生物来源的碳对盐碱条件下SOC储存的贡献知之甚少。

两个公认的生物标志物(木质素酚和氨基糖)已被广泛用于估计植物衍生木质素残体和微生物残体对SOC库的贡献。因此,我们分别使用木质素酚和氨基糖作为植物和微生物残体碳的表征。本研究的目的是(i)量化盐碱土地复垦对表层土壤碳储量的影响,确定影响碳储量的关键因素;(ii)评估植物和微生物来源的碳与POC和MAOC池之间的关系,以及植物和微生物来源的碳对中国主要盐碱区SOC储存的贡献。

客户文章(IF:18.9)|盐碱地复垦通过优先积累植物源碳来提高表层土壤碳储量

盐碱地复垦对中国主要盐碱区表层土壤碳储量的影响示意图。每个饼图的大小与土壤有机碳(SOC)密度成正比“other”表示土壤有机碳分异过程中流失的土壤碳。箭头表示碳的分配和积累过程,每个箭头的大小反映了过程的强度。盐碱地复垦(1)对土壤无机碳(SIC)储量的影响不一致,主要是通过引起有机碳积累来增加土壤中碳的储量(2)减少植物源碳的微生物转化,导致植物源碳成为有机碳储存的主要贡献者(3)通过促进植物源碳和微生物源碳的积累,增加颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)库。


03
主要结果
客户文章(IF:18.9)|盐碱地复垦通过优先积累植物源碳来提高表层土壤碳储量

1. 土壤无机碳密度和有机碳密度

栽培土壤和盐碱土壤的SIC密度差异不一致。松嫩平原栽培土壤的SIC密度低于盐碱土壤,河套平原栽培土壤的SIC密度高于盐碱土壤,东部沿海和西北干旱地区的栽培土壤和盐碱土壤的SIC密度相似(图2a)。松嫩平原、东部沿海地区、河套平原和西北干旱区栽培土壤的SOC密度分别比盐碱土壤高14.51、12.64、12.50和7.65 t ha−1(均为p < 0.001;图2a)。栽培土壤对土壤总碳密度的贡献明显高于盐碱土壤(图2a)。除西北干旱地区外,其他区域栽培土壤中POC储量和MAOC储量均大于盐碱土壤(几乎所有p < 0.001;图2b)。松嫩平原和东部沿海地区的栽培土壤的POC/MAOC比值高于盐碱土壤(图2b)。

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图2.四个盐碱区的土壤碳储量:(a)土壤总碳(STC)、无机碳(SIC)和有机碳(SOC)密度,松嫩平原、东部沿海地区、河套平原和西北干旱地区盐碱土壤和栽培土壤(b)颗粒有机碳(POC)、矿物结合有机碳(MAOC)密度和POC/MAOC。


2.土壤碳密度与环境因子的关系

分层划分分析表明,经度和土壤改良指数分别解释了所有盐碱土壤无机碳和有机碳(特别是SOC和POC)密度的大量变化(图S3a)。土壤因素解释了盐碱土壤SOC、POC和MAOC密度变化的25.7%–40.1%(图S3b)。除西北干旱区的POC和MAOC密度外,每个盐碱区的碳密度变化比例较小,主要由气候和地理因素解释(图S4a-h)。随机森林模型表明,土壤改良指数可以很好地预测每个盐碱区的SOC、POC和MAOC密度(图S5)。


3.植物和微生物源碳积累

各地区栽培土壤中储存的植物源碳均高于盐碱土壤(差异为4.50-7.47t ha−1),除东部沿海地区土壤外,各区域栽培土壤中储存的微生物源碳高于盐碱土壤(图3a)。栽培土壤的植物源碳与微生物源碳比值高于盐碱土壤(图3a)。除西北干旱地区外,栽培土壤的肉桂基与香兰素和丁香基与香草醛的比例高于盐碱土壤,这表明栽培土壤中的木质素降解比盐碱土壤少(图3b)。而西北干旱地区的丁香酚和香叶酚的酸醛比低于西北干旱地区的盐碱土壤,表明栽培土壤的木质素氧化程度低于西北干旱地区的土壤(图3c)。将每个化合物浓度归一化为SOC含量,以反映化合物对SOC含量的相对贡献。

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图3.植物和微生物源C在四个盐碱区的积累。(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)盐碱土壤和栽培土壤松嫩平原,东部沿海地区,河套平原和西北干旱地区丁香基和香草基的酸醛比。较高的C:V或S:V比率表明木质素降解越少,较低的酸醛比值(Ac:Als) 和(Ac:Alv) 表明木质素氧化越少。


4.植物和微生物源碳的积累与有机碳密度相关性

SOC和POC密度(p < 0.01)与所有盐碱区的植物源C指标呈显著相关(图4)。在每个盐碱区域中,POC密度与大多数植物源C(而不是微生物源C指标)之间存在显著相关性(图4)。结构方程模型表明,SOC储量与POC储量和MAOC储量也是显著相关(p<0.001),这两种储量分别与松嫩平原、河套平原和西北干旱区盐碱地复垦引起的植物和微生物源的碳积累密切相关(图5a-d)。

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图4.所有盐碱区和每个盐碱区的土壤有机碳SOC)、颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)密度与植物和微生物源的碳指标之间的皮尔曼相关性。颜色表示相关系数,*和**分别表示在概率水平为0.05和0.01处的显著相关性。


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图5.将土壤碳储存与植物和微生物衍生的碳积累联系起来。结构方程模型揭示了(a) 松嫩平原、(b)东部沿海地区、(c)河套平原和(d)西北干旱地区的盐碱地开垦、植物和微生物源碳积累和有机碳储存之间的直接和间接关系。实心箭头表示显著的正相关关系,箭头的宽度与这些关系的强度成正比。箭头旁边的数字是标准化的路径系数。植物和微生物源碳的积累以相关的观察变量为特征,有机碳密度是相应的碳储存的代表。盐碱地复垦引起的变量显著增加或减少用灰色箭头标记。


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