東北地理所在不同外源碳類型調(diào)控土壤激發(fā)效應(yīng)研究中取得進展
土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的有機碳庫，其微小變化即可顯著影響大氣二氧化碳濃度和全球氣候。外源碳輸入可通過激發(fā)效應(yīng)促進或抑制土壤有機質(zhì)的礦化，但不同碳源類型誘導(dǎo)的激發(fā)效應(yīng)強度、方向及其驅(qū)動機制一直缺乏全球尺度的系統(tǒng)評估。
中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李祿軍研究員團隊聯(lián)合浙江大學(xué)、英國雷丁大學(xué)和美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校等國內(nèi)外多家科研機構(gòu)，在國際學(xué)術(shù)期刊Global Change Biology發(fā)表題為“Priming effects on soil organic matter mineralization by carbon substrates: A global meta-analysis”的學(xué)術(shù)論文。該研究基于100年激發(fā)效應(yīng)的研究數(shù)據(jù)(1926-2026; 283篇文獻、8,015組觀測數(shù)據(jù))，首次系統(tǒng)比較了植物殘體、根系分泌物、生物炭和可降解微塑料四種外源碳輸入對土壤有機質(zhì)激發(fā)效應(yīng)的影響，并闡明了不同碳源類型及其組分特征調(diào)控激發(fā)效應(yīng)的內(nèi)在機制。
研究發(fā)現(xiàn)，四種外源碳均誘導(dǎo)正激發(fā)效應(yīng)，即促進了土壤有機質(zhì)的礦化，但其強度差異顯著。植物殘體誘導(dǎo)的激發(fā)效應(yīng)最高，平均增幅達319%；其次為根系分泌物(193%)、生物炭(130%)和可降解微塑料(107%；圖1)。
圖1四種碳源誘導(dǎo)土壤激發(fā)效應(yīng)的均值和效應(yīng)值
具體而言，植物殘體中富含纖維素/半纖維素的非木本植物殘體(如草本植物和農(nóng)作物)使土壤有機質(zhì)礦化增加113%，而富含木質(zhì)素的木本植物殘體僅增加25%(圖2)。木質(zhì)素較高的抗分解性及其與黏土礦物的結(jié)合是削弱激發(fā)效應(yīng)的主要原因(圖4)。對于不同的根系分泌物組分，有機酸誘導(dǎo)的激發(fā)效應(yīng)最強(土壤有機質(zhì)礦化增加151%)，遠高于單糖(53%)和多糖(12%; 圖2)。主要是由于有機酸通過酸化土壤釋放額外的礦質(zhì)養(yǎng)分，并因其低分子量可直接被微生物利用，從而促進微生物的生長和激發(fā)效應(yīng)的強度(圖4)。具有高芳香碳含量的木本植物來源生物炭誘導(dǎo)的激發(fā)效應(yīng)(48%)略高于非木本植物來源生物炭(43%; 圖2)。生物炭的熱解溫度起關(guān)鍵調(diào)控作用，在200–400°C下制備的非木本植物來源生物炭誘導(dǎo)的激發(fā)效應(yīng)最強(84%)，而在400–600°C制備的木本植物來源生物炭誘導(dǎo)激發(fā)效應(yīng)最強(83%; 圖3)。具有高降解性聚羥基脂肪酸酯(PHA)微塑料使土壤有機質(zhì)礦化增加258%，而低降解性聚乳酸(PLA)對土壤有機質(zhì)礦化無影響(圖2)。快速降解的微塑料(如PHA)易水解、熔點低，可快速為微生物提供碳源，從而通過激發(fā)效應(yīng)促進土壤有機質(zhì)的礦化；緩慢降解的微塑料(如PLA)則因降解緩慢，可通過形成“塑料際”抑制土壤有機質(zhì)的礦化(圖4)。
圖2不同碳源組分誘導(dǎo)的土壤激發(fā)效應(yīng)平均效應(yīng)值
圖3熱解溫度對生物炭誘導(dǎo)土壤激發(fā)效應(yīng)的影響
該研究首次在全球尺度上系統(tǒng)闡明了不同外源碳基質(zhì)類型及其組分對土壤激發(fā)效應(yīng)的差異化影響，明確強調(diào)了碳源類型和質(zhì)量(如纖維素/木質(zhì)素比例、分子量、可降解性等)在土壤有機質(zhì)礦化過程中的核心作用(圖4)。研究成果為精準(zhǔn)預(yù)測土壤碳動態(tài)、優(yōu)化農(nóng)業(yè)廢棄物還田管理以減緩?fù)寥捞紟鞊p失提供了重要科學(xué)依據(jù)。
圖4四種碳源類型誘導(dǎo)土壤有機質(zhì)激發(fā)效應(yīng)的概念圖
論文第一作者為中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所在讀博士生董宏鑫，通訊作者為李祿軍研究員。合作者還包括中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所特別研究助理戴閃閃、何朋博士，浙江大學(xué)符穎怡博士后、羅煜副教授，英國雷丁大學(xué)Margaret A. Oliver教授，美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校William R. Horwath教授。該研究得到國家自然科學(xué)基金、黑土地保護與利用重點實驗室(中國科學(xué)院)、中國科學(xué)院國際伙伴計劃以及吉林省自然科學(xué)基金的聯(lián)合資助。
論文信息：Dong, H., Fu, Y., Dai, S., He, P., Luo, Y., Oliver, M.A., Horwath, W.R., Li, L.J., 2026. Priming effects on soil organic matter mineralization by carbon substrates: A global meta-analysis. Global Change Biology 32(4), e70861.
論文鏈接：https://doi.org/10.1111/gcb.70861
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