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文献解读| 无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性

日期: 2024-07-01
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文献解读| 无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性

原名:Conversion of SIC to SOC enhances soil carbon sequestration and soil structural stability in alpine ecosystems of the Qinghai-Tibet Plateau.

译名:无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性。

期刊:Soil Biology and Biochemistry

IF:9.7

发表日期:2024.8(网络首发2024.5)

第一作者:马云桥 青海大学高原生态与农业国家重点实验室(李希来课题组)

一、背景

陆地生态系统储存了大量的有机碳(SOC)和无机碳(SIC),土壤有机碳和土壤无机碳由非生物和微生物因素驱动具有潜在动态相互关系,对土壤结构和固碳有重要影响(图1)。同时青藏高原约占国土面积的五分之一,是我国巨大的碳库,因此对该区域生物和非生物因子介导的土壤有机碳和无机碳动态转化过程和机制研究显得尤为重要。

文献解读| 无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性

图1 微生物驱动的有机碳和无机碳周转关系示意图

二、科学问题

1)评估不同空间尺度下不同植被类型中聚集体的组成和稳定性;

(2)量化SOC、MBC、DOC、SIC和碳水解酶酶活性(α-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖苷酶)的分布,以及不同植被类型不同土壤团聚体中细菌和真菌群落的组成和多样性;

(3)分析调控团聚体内SOC和SIC动态转化的主要生物和非生物因子,以约束土壤团聚体形成与土壤碳库动态转化的关系。


三、材料与方法

(1)研究地点位于中国青海省河南-蒙古自治县(北纬34°05′-34°56′,东经100°53′-102°16′),海拔范围3400-4200米。

(2)MS代表高寒草甸阳坡,SS代表高寒草甸阴坡,WR代表河滨湿地。每种地形的优势植物机水汽条件有所不同(表1)。

(3)设置样地并用5cm土钻取土,并将土壤分成不同粒径(图2)。

(4)测定指标:pH、SWC、STC、DOC、SOC、SIC、MBC、AG、BG、16s rRNA、ITS。

表1 不同地形基本特征

文献解读| 无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性


文献解读| 无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性

图2 样地和采样示意图


四、结果

(1)坡向和坡位对土壤团聚体分布和稳定性有显著影响(p<0.05),ms的大粒团聚体(>2 mm)主要向(<0.25>2 mm)主要向2 ~ 0.053 mm粒径转移,这导致阳坡和阴坡的MWD由上至下逐渐减小,但均显著高于滨江(图3)

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图3青藏高原MS、WR和SS上、中、底位置土壤团聚体分布(a)和团聚体平均重径(b)


(2)土壤的生物和非生物性质随坡向、坡位和团聚体粒径的变化而变化(图4)。

文献解读| 无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性

图4 青藏高原MS、WR和SS上部、中部和底部土壤团聚体的生物和非生物特性


(3)细菌多样性高于真菌多样性,对环境因素的敏感性较低。优势菌群的丰度分布不均,主要受坡位、坡向和团聚体粒径分数的影响。

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图5 弦线图显示青藏高原阳坡、阴坡和河滨的大小组分团聚体在门水平上的主要细菌(a)和真菌(c)的相对丰度。NMDS结果显示了土壤细菌(b)和真菌(d)微生物群落的变化


(4)根据相关性分析发现,团聚体中细菌和真菌收到土壤理化性质的显著影响,其中pH显著影响细菌和真菌的群落组成和群落多样性。

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图6 影响青藏高原MS、SS和WR不同大小组分细菌(a)和真菌(b)群落组成和多样性的土壤生物和非生物因子环境因素之间的相关性


(5)pH与STC、SOC、AG、BG、SWC和Chao1指数呈显著指数负相关;在MS、SS和WR不同位置的所有团聚体中,与SIC、DOC和Shannon指数呈指数正相关。由拟合方程可以看出,pH对酸性土壤(pH < 7)STC、SOC、AG、BG和Chao1的影响显著大于碱性土壤(pH > 7),而对SIC和DOC的影响则相反。

文献解读| 无机碳(SIC)向有机碳(SOC)的转化增强了青藏高原高寒生态系统的土壤固存和土壤结构稳定性

图7 pH和其他环境因子的回归分析图


(6)pH通过调节团聚体内的酶活性和微生物群落,促进无机碳向有机碳的转化,从而扩大土壤“碳汇”的规模,减少二氧化碳的排放。

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图8 pH调节下微生物驱动的无机碳和有机碳动态转化与土壤团聚体周转的协调示意图


五、结论

(1)小团聚体(主要为<0.053 mm)的微生物活性最低,而溶解有机碳(DOC)、SIC和pH值则相反。

(2)细菌多样性大于真菌多样性,对环境因素的敏感性较低,优势门丰度主要受坡度影响,团聚体大小对群落结构的影响分布不均。

(3)高寒山地的有机碳周转效率依次为向阳坡高寒草甸(MS)>河滨高寒湿地(WR)>阴坡高寒草甸(SS),粉砂+黏土组分>大团聚体>微团聚体。

(4)pH值是土壤团聚体中微生物驱动的有机-无机碳动力学的主要非生物调节因子。pH随粒径的增大抑制了酶活性,降低了细菌群落组成和多样性,然而真菌群落组成降低,真菌群落多样性增加,促进了MBC、DOC和SIC向SOC过渡。这导致土壤团聚体中储存的总碳增加,从而促进了土壤大团聚体结构及其稳定性。


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