全球1米深土壤有機碳儲量約為1500 Pg，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，其微小變化會引起大氣CO2濃度的顯著改變，在陸地碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。因此，闡明土壤有機碳累積過程與穩(wěn)定機制對于準確預(yù)測陸地碳循環(huán)與氣候變化之間的反饋關(guān)系至關(guān)重要。磷是限制植物生長和陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要元素之一，對維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能起到至關(guān)重要的作用。自工業(yè)革命以來，人為活動導(dǎo)致的磷輸入和大氣磷沉降增加了生態(tài)系統(tǒng)的磷可利用性，這會改變陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力、土壤微生物群落組成和活性以及有機質(zhì)分解和固存等諸多方面，進而會對生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一的土壤碳循環(huán)和儲存產(chǎn)生較大影響。因此，在磷增加的背景下，土壤有機碳含量、組成和穩(wěn)定性的改變可能會影響全球生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡。然而，至今關(guān)于長期磷添加對土壤有機碳不同組分的影響和潛在的調(diào)控機制尚不清楚。
中國科學(xué)院成都生物研究所地表過程與生態(tài)系統(tǒng)管理項目組特別研究助理羅如熠在龐學(xué)勇研究員的指導(dǎo)下，基于青藏高原東緣亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分添加長期定位試驗平臺（8年），以木質(zhì)素酚和氨基糖作為植物和微生物殘體標志物，結(jié)合固體13C交叉極化魔角自旋核磁共振和土壤有機碳物理分組等技術(shù)手段，系統(tǒng)探討長期不同磷添加量對亞高山森林土壤有機碳形成和穩(wěn)定的影響機制。結(jié)果表明：（1）持續(xù)磷添加顯著減少了細根生物量，但不影響土壤有機碳含量；（2）磷添加降低了植物木質(zhì)素對土壤有機碳的貢獻，主要來自于香草基類酚的減少，同時含甲氧基/氮烷基碳減少2.1–5.5%。這是由于降低的氧化酶活性雖然抑制了木質(zhì)素分解，但磷添加減少了細根碳輸入，導(dǎo)致木質(zhì)素來源化合物含量降低；（3）與此相反，磷添加主要通過增加真菌殘體促進微生物殘體的累積及其對土壤有機碳的貢獻，相應(yīng)地羰基碳含量增加9.1–12.4%。其原因在于磷添加通過降低微生物殘體分解相關(guān)的氮獲取酶活性，減緩了微生物殘體的分解，進而提高微生物殘體在土壤有機碳中的累積；（4）磷添加未顯著影響緩慢循環(huán)的礦物結(jié)合態(tài)有機碳庫，同時表征土壤有機碳化學(xué)穩(wěn)定性的脂化度和頑固度指數(shù)也保持不變。綜上所述，磷添加可通過改變植物和微生物來源碳的不同積累過程來影響亞高山森林土壤有機碳的組成，但不影響土壤有機碳的物理和化學(xué)穩(wěn)定性。上述發(fā)現(xiàn)有助于準確評估和預(yù)測日益增加磷有效性背景下土壤有機碳動態(tài)及其對氣候變化的潛在反饋，為提高地球系統(tǒng)模型對土壤固碳功能的預(yù)測能力提供了科學(xué)依據(jù)。
相關(guān)研究結(jié)果于2022年4月20日以“Phosphorus addition decreases plant lignin but increases microbial necromass contribution to soil organic carbon in a subalpine forest”為題，在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊Global Change Biology上。成都生物研究所特別研究助理羅如熠為論文第一作者，龐學(xué)勇研究員為論文通訊作者，德國哥廷根大學(xué)Kuzyakov Yakov教授和北京大學(xué)朱彪研究員參與了部分工作。該研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃項目、中科院重點部署項目、中國博士后科學(xué)基金面上項目等項目的聯(lián)合資助。
磷添加影響亞高山森林土壤有機碳累積和穩(wěn)定性的概念圖