礦質(zhì)土壤水分含量升高導(dǎo)致礦物保護有機碳釋放并引起碳損失

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題目: Elevated moisture stimulates carbon loss from mineral soils by releasing protected organic matter

期刊：Nature Communications

發(fā)表時間：2017年11月

第一作者：Huang Wenjuan

通訊作者及聯(lián)系方式： stevenjh@iastate.edu

影響因子：2020年IF=14.919;5年IF=15.805

文獻解讀

土壤微生物對有機碳的分解利用促進了土壤碳的釋放，進而影響全球碳循環(huán)。微生物活性主要受到土壤水分含量的影響，合適的水分、氧氣含量以及通過土壤水分擴散的碳底物使得有機碳的分解加快。因此在土壤水分條件適中時，短期異養(yǎng)呼吸導(dǎo)致的CO2釋放量升高。然而，土壤水分含量達到飽和狀態(tài)時，氧氣有效性降低對土壤異養(yǎng)呼吸的影響關(guān)注不足。因此，闡明異養(yǎng)微生物活性對土壤水分含量增加的響應(yīng)機制仍然是預(yù)測碳循環(huán)對氣候變化反饋的關(guān)鍵。

土壤活性礦物，特別是活性鐵氧化物可以保護有機碳不受微生物的分解，進而起到穩(wěn)定固存有機碳的作用。易被微生物分解利用的親水性和羧基碳化合物可以通過吸附和共沉淀方式被土壤鐵氧化物穩(wěn)定固存，土壤表層礦物結(jié)合態(tài)碳庫可以在十年到千年尺度上周轉(zhuǎn)。然而對礦物結(jié)合態(tài)碳釋放并被微生物分解利用的生物地球化學(xué)過程關(guān)注較少，特別是鐵氧化物對土壤有機碳的保護易受土壤水分含量變化引起的氧化還原動力學(xué)的影響。值得注意的是，好氧條件下與鐵氧化物結(jié)合態(tài)碳約占有機碳的40%，這部分碳在鐵還原溶解后極易被釋放和分解。

厭氧條件下鐵氧化物的還原溶解會增加土壤中溶解態(tài)和膠體態(tài)有機碳的含量，此碳組分的微生物有效性較高。同時，厭氧條件下控制土壤有機質(zhì)分解的水解酶含量降低，而且酚類物質(zhì)的增加也會抑制水解酶的活性，因此，與好氧條件相比，厭氧條件下有機碳的微生物分解降低。但當(dāng)有可水解碳或單體碳存在時，短暫的厭氧條件并不一定能抑制異養(yǎng)微生物活性。鐵還原引起的溶解態(tài)和膠體態(tài)有機碳的釋放在介導(dǎo)異養(yǎng)呼吸對土壤水分升高的響應(yīng)機制尚不清楚，無法定量鐵還原所導(dǎo)致的有機碳損失能在多大程度上抵消厭氧條件引起的有機碳含量增加。因此，文章假設(shè)短時間尺度上(小時/天)，土壤水分含量提高抑制土壤呼吸引起的土壤有機碳含量增加會被與鐵氧化物結(jié)合的有機碳的釋放和礦化抵消。

研究選取長期進行玉米(C4)與大豆(C3)輪作土壤進行培養(yǎng)實驗，玉米(C4)與大豆(C3)輪作可以為實驗提供了自然穩(wěn)定同位素(δ13C)標記。同時考慮到地形特點，選擇坡頂(ridge)，坡面(footslope)及坡底(depression)進行采樣。研究區(qū)域即使有人工排水系統(tǒng)，但土壤含水量和水位也經(jīng)常出現(xiàn)較大的季節(jié)性波動，因此培養(yǎng)實驗設(shè)置三種水分環(huán)境(田間持水量的51%、77%、99%)。通過152天的恒溫培養(yǎng)實驗來研究土壤水分含量變化對土壤CO2和CH4產(chǎn)生及其δ13C值的影響。

研究結(jié)果

結(jié)論

土壤碳礦化與土壤水分含量之間的傳統(tǒng)理論認為，短期(小時/天)厭氧條件下，由于能量和酶對微生物活性的限制，高土壤水分含量限制了土壤碳礦化。這一關(guān)系符合生態(tài)系統(tǒng)模型中異養(yǎng)呼吸的典型水分響應(yīng)函數(shù)（圖2），然而，在更長的時間尺度上，該模型可能低估了當(dāng)土壤經(jīng)歷持續(xù)的高水分時期的碳礦化。通過水分與土壤呼吸響應(yīng)函數(shù)計算發(fā)現(xiàn)，在土壤經(jīng)歷長期淹水時，該函數(shù)低估了土壤累積碳礦化(>50%)，這是由于受礦物保護的有機碳在土壤水分含量升高條件下被釋放和礦化(圖2)。當(dāng)土壤中鐵氧化物發(fā)生還原溶解時，它會促進微生物接觸之前受保護的不穩(wěn)定碳，從而加速礦質(zhì)土壤中碳的流失。

主要圖表

Fig. 1 Carbonmineralization from three Mollisols incubated under moisture levels at andabove field capacity. a CO2 production rate; b cumulative CO2production; c total C mineralization rate (CO2+CH4); dcumulative total C mineralization (CO2+CH4). The verticaldashed line indicates when gradual drainage was initiated in the saturatedsoils. The error bars indicate s.e.m. (n = 4)

Fig. 2 Relationships between soil moisture and cumulative C mineralization.Values of soil C mineralization from our study were normalized by the values at field capacity measured at 25, 82, and 152 days, respectively.Soil moisture for the saturated/drained period at 152 days is the mean value overthis experiment. The dashed line is the best-fit relationship from Moyano etal.5: SRH = 3.11θS?2.42θS2,in which SRH is soil C mineralization and θS is relativewater saturation. Each point is the averaged value across the three Mollisols.The error bars indicate s.e.m. (n = 12)

Fig. 3 Cumulative mineralization of different C sources in threeMollisols incubated under moisture levels at and above field capacity. a, c Short-termcumulative mineralization of C4-derived C (a) and C3-derivedC (c) respired as CO2; b, d long-term cumulativemineralization of C4-derived C (b) and C3-derivedC (d) respired as CO2 and CH4. The vertical dashedline indicates when gradual drainage was initiated in the saturated soils. Theerror bars indicates.e.m. (n=4)

Fig. 4 Temporal chemical variations in footslope soils incubatedunder field capacity and saturation. a Redox potential (Eh) and ferrous iron(Fe(II)); b dissolved organic carbon (DOC) from C4 and C3sources. The error bars indicate s.e.m. (n=4, except for Eh where n=5)