東北地理所在水溫耦合條件下黑土有機(jī)質(zhì)礦化及其溫度敏感性特征方面取得進(jìn)展
土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）在農(nóng)田土壤肥力維持、碳封存和緩解氣候變化起著至關(guān)重要的作用，將作物殘留物還田被認(rèn)為是維持和提升SOM的重要措施之一，然而，殘留物還田可能加速SOM的礦化，即為激發(fā)效應(yīng)（PE），溫度敏感性（Q10）作為表征SOM礦化特性的重要參數(shù)，很大程度上決定著陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)與氣候變暖之間反饋關(guān)系的方向與強(qiáng)度。影響SOM礦化過(guò)程的因素既包括生物因素，如土壤微生物和植物等，也包括非生物因素，如土壤水分和溫度等。盡管大量研究對(duì)SOM礦化過(guò)程及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制開(kāi)展了深入探討，但是在外源有機(jī)物輸入條件下，多因素耦合影響下如何影響SOM礦化過(guò)程尚不明確。
為此，東北地理所土壤物質(zhì)循環(huán)學(xué)科組李祿軍團(tuán)隊(duì)研究人員以東北農(nóng)田黑土為研究對(duì)象，通過(guò)微宇宙控制實(shí)驗(yàn)，利用13C穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，深入探究土壤溫度（12°C和22°C）和濕度（45%WHC和65%WHC）及其耦合作用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)激發(fā)效應(yīng)及其溫度敏感性的影響。
研究發(fā)現(xiàn)，在為期66天的培養(yǎng)期間，約有11%的秸稈碳被礦化成CO2，秸稈源CO2占總排放量的44-67%。SOM的礦化受到土壤溫度、濕度和土壤碳含量的交互影響，秸稈添加顯著增加了所有溫度和濕度水平下的SOM礦化速率，即產(chǎn)生正向激發(fā)效應(yīng)。由于新鮮外源碳的輸入，微生物為滿足自身生長(zhǎng)需求通過(guò)礦化土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)獲取氮素，這一研究結(jié)果支持了“微生物挖氮假說(shuō)”。在45% WHC和22°C處理下，低水分條件改變了微生物生長(zhǎng)策略，微生物生長(zhǎng)策略由r對(duì)策變?yōu)镵對(duì)策，K對(duì)策微生物加速了SOM的礦化速率，增強(qiáng)了SOM的激發(fā)效應(yīng)（圖1）。秸稈添加顯著降低了SOM礦化的溫度敏感性，外源活性物質(zhì)的輸入加速了SOM的分解，使得土壤中易分解碳占比增高，提高了SOM的質(zhì)量，而SOM的碳質(zhì)量被認(rèn)為是影響其溫度敏感性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。高質(zhì)量的有機(jī)質(zhì)分解通常需要較低的活化能，而較低的活化能導(dǎo)致較低的Q10值（圖2），這一結(jié)果符合阿倫尼烏斯方程定律，也支持碳質(zhì)量假說(shuō)（CQT hypothesis）。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著土壤水分的降低，SOM礦化的Q10值隨之降低（圖3），低水分限制了溶質(zhì)在土壤水膜中的擴(kuò)散和微生物的活動(dòng)，這意味著干旱條件可以通過(guò)降低Q10值來(lái)抵消由于升溫對(duì)SOM礦化造成的影響。本研究結(jié)果有助于增進(jìn)理解氣候變化背景下土壤碳動(dòng)態(tài)對(duì)外源有機(jī)物輸入響應(yīng)規(guī)律。
研究成果近期發(fā)表在農(nóng)林科學(xué)國(guó)際期刊《Geoderma》上。土壤物質(zhì)循環(huán)學(xué)科組博士生何朋為第一作者，李祿軍研究員和楊雪辰特別研究助理為共同通訊作者。研究得到中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局國(guó)際伙伴計(jì)劃項(xiàng)目（131323KYSB20210004）、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目（U23A6001）、面上基金項(xiàng)目（42277350）和黑龍江省杰出青年基金（JQ2021C004）聯(lián)合資助。
圖1 不同水溫耦合處理下源于土壤有機(jī)質(zhì)和秸稈碳的CO2分配情況
圖2 土壤有機(jī)質(zhì)礦化活化能與土壤碳質(zhì)量及溫度敏感性相關(guān)關(guān)系
圖3 不同水溫耦合處理下，土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)模式圖
論文信息：Peng He, Lu-Jun Li*, Shan-Shan Dai, Xiao-Li Guo, Ming Nie, Xuechen Yang*, Yakov Kuzyakov. Straw addition and low soil moisture decreased temperature sensitivity and activation energy of soil organic matter. Geoderma, 2024, 442, 116802.
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