南京林业大学生态学博士在1区top期刊揭示人工林发育促进土壤团聚体的形成与稳定：对土壤碳氮固存的启示
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文章信息
第一作者：石珂
通讯作者：阮宏华教授
通讯单位：南京林业大学
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.catena.2024.108363
亮点
•土壤团聚体的稳定性随着林分发育而增强。
•土壤团聚体结合有机碳和氮的浓度随着林分年龄增加而增加。
•植物根系生物量、土壤非晶态铁氧化物、可交换性钙镁离子驱动了土壤团聚体的形成和稳定。
•生物和非生物结合因子对土壤团聚体的形成具有不同的重要性。
摘要
土壤团聚体有助于土壤有机碳和氮的积累，这对维持森林生态系统的多重服务功能至关重要。然而，关于森林发育过程中土壤团聚体变化的方向和程度，以及这些变化对土壤碳和氮固存的影响仍知之甚少。本研究调查了6至45年发育过程中的水杉人工林（Metasequoia glyptostroboides）中土壤团聚体的形成及其对土壤有机碳和氮储量的影响。研究发现土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径，以及土壤大团聚体（直径 >0.25 mm）的比例随着林分年龄的增加而增加，这表明森林发育过程中土壤团聚体的稳定性增强。此外，林分发展促进了土壤团聚体结合有机碳和氮的积累。植物细根生物量、土壤可交换性钙和镁以及非晶态铁氧化物也随林分年龄的增加而增加，这有助于解释土壤团聚体的大小分布和稳定性。这些研究结果表明，林分发育为土壤有机碳和氮提供了强有力的团聚体保护，进一步阐明了生物和非生物结合因子如何影响土壤团聚体的稳定性。这些发现将为人工林的建立和管理提供指导，从而帮助建立稳定的土壤碳库，并减缓全球气候变化。
研究背景
森林土壤储存的碳至少是其中活植物储存的三倍。土壤团聚体的形成与稳定对于解释土壤有机碳和氮的分布与积累至关重要。陆地生态系统表层土壤中约90%的有机碳被固定在团聚体中。自1959年以来，研究人员提出了一系列关于团聚体形成和稳定性的理论。这些研究表明土壤有机碳和金属阳离子通过增强土壤颗粒之间的结合来稳定团聚体。虽然非生物结合因子的影响早已被认可，但生物结合因子（如植物输入、真菌菌丝和微生物代谢产物）在土壤团聚体的形成和稳定中同样重要。一些研究发现，植物输入和根系产生的多糖和糖蛋白能够增强土壤团聚体的稳定性。此外，微生物分泌的胞外聚合物（Extracellular polymeric substances，EPS）在土壤颗粒的粘附和团聚体稳定中也发挥关键作用。基于此，南京林业大学生态与环境学院阮宏华教授课题组评估了森林林分发育不同阶段中土壤团聚体的变化，并探索了与这些变化相关的驱动机制，以及土壤团聚体特性如何影响土壤碳和氮的固存。旨在解决三个问题：（1）在长期的林分发育中，土壤团聚体的大小分布和稳定性以及团聚体结合有机碳和氮浓度如何变化？（2）团聚体结合因子在长期的林分发育过程中如何变化？（3）哪些结合因子是驱动团聚体稳定的主导因子？
研究结果
人工林的林分发育显著影响了土壤团聚体的大小分布和稳定性。随着林分年龄的增加，粗大团聚体的比例显著增加，而细大团聚体、微团聚体和粉黏团聚体的比例则显著下降。同时，土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径显著增加，表明较老的林分具有更高的团聚体稳定性。林分发育也提高了粗大团聚体、细大团聚体以及微团聚体结合有机碳和氮的浓度。除此之外，土壤团聚体的形成和稳定性依赖于结合因子的驱动。随着林分年龄的增加，非生物和生物结合因子的浓度显著变化，其中土壤结晶态铁铝氧化物、非晶态铁氧化物、络合态铁氧化物、可交换性钙镁离子浓度显著增加；细根生物量和EPS多糖浓度随林龄增加而增加，而EPS蛋白质浓度变化不显著。进一步的研究表明：细根生物量和交换性钙离子是驱动土壤团聚体的分布与稳定的重要因素。
图1 人工林林分发育过程中土壤团聚体的大小分布和稳定性
图2 人工林林分发育过程中土壤团聚体的非生物和生物结合因子的浓度
图3 非生物和生物结合因子与土壤团聚体大小分布及稳定性之间的关系
图4 人工林生长发育过程中土壤团聚体结合有机碳和氮的浓度
图5 结构方程模型描绘非生物和生物结合因子对土壤团聚体稳定性的直接和间接影响
研究意义
本研究揭示了林分发育过程中土壤团聚体的大小分布及其稳定性变化，深化了对团聚体如何保护土壤有机碳和氮的理解。研究结果表明，长期的林分发育显著促进了土壤团聚体的形成，增强了其稳定性，并积极影响了土壤碳和氮的固存。此外，林分发育通过调节细根输入和土壤矿物对土壤团聚体产生了积极的影响。然而，EPS对土壤团聚体的潜在影响尚未得到充分评估。作者鼓励研究人员进一步探讨EPS如何改善和恢复土壤结构，并建议在更广泛的土壤团聚体水平上开展对照实验和现场研究。综上所述，这项研究为非生物和生物结合因子在土壤团聚体形成中的作用，以及土壤团聚体对碳稳定的贡献提供了新的视角。这些发现对建立长期稳定的土壤碳库以应对全球气候变化具有重要的理论和实践意义。
作者介绍
该成果以“Forest development induces soil aggregate formation and stabilization: Implications for sequestration of soil carbon and nitrogen”为题，于2024年11月发表于Catena（1区，IF= 5.4）。南京林业大学生态学博士生石珂为第一作者，阮宏华教授为通讯作者，美国Puerto Rico大学邹晓明教授，加拿大Lakehead大学陈汉教授，西班牙国家研究委员会塞维利亚自然资源和农业生物学研究所Manuel Delgado-Baquerizo教授，奥地利维也纳大学Wolfgang Wanek教授为本文的合作作者，南京林业大学生态学博士生廖家辉、倪娟平、任婷婷，张晨、硕士生颜铮明参与了本研究。该研究得到国家重点研发计划项目-碳中和背景下森林碳汇形成及经营响应机理（No：2023YFD2200404，2021YFD22004）、国家自然科学基金（No：32071594）等项目的支持。
石珂，博士研究生。研究方向为森林生态与全球变化、微生物碳的固定过程。相关研究成果发表在Soil Biology and Biochemistry、Catena国际期刊上。
Email：shi_ke@njfu.edu.cn
阮宏华教授团队以往推文：SBB | 南京林业大学阮宏华团队揭示人工林发育过程中土壤有机碳积累的主要机制；GCB | 南京林大阮宏华团队揭示干旱对杨树人工林土壤微生物残留物碳的影响；SBB | 南京林大与晓庄学院团队揭示氮沉降和干旱背景下土壤动物对土壤温室气体排放的调控作用；南林阮宏华教授团队在全球变化对陆地生态系统影响领域取得一系列进展