凋落物分解驱动热带次生林早期土壤有机碳积累：气候与森林属性的间接调控

《Journal of Tropical Ecology》：Breaking down to build up: litter decomposition drives soil organic carbon accumulation in young secondary forests

本刊推荐：为揭示热带次生林早期演替阶段土壤有机碳（SOC）积累机制，研究人员在加纳干旱与湿润森林区开展生态系统过程耦合研究。通过结构方程模型（SEM）解析发现，凋落物分解速率是驱动SOC积累的关键直接因子（R2=32%），而气候湿润度通过调控凋落物产量、氮浓度和土壤温度间接影响SOC。该研究首次明确了早期次生林碳汇形成的主控路径，为热带森林恢复的碳封存潜力评估提供理论依据。

　　

热带森林作为全球陆地碳汇的核心组成部分，储存着超过25%的陆地碳库，其净初级生产量占全球三分之一。然而惊人的是，每年约有920万公顷热带森林因农业扩张等活动消失。当这些土地被废弃后，大自然会启动神奇的自我修复机制——次生演替。目前次生林已占热带森林总面积的一半以上，它们通过快速的结构发育和物质循环，展现出强大的碳吸存能力。但科学界对地上碳库的研究已较为深入，对地下碳库的认识却存在巨大空白。尤其在演替早期，土壤有机碳（SOC）可占总碳库的70%，其动态机制却如同“黑箱”，这严重制约了我们对全球碳循环的精准预测。

在加纳的热带干湿森林交错带，一支跨国研究团队展开了为期数年的生态侦探工作。他们发现，年轻次生林（2.3-3.6年）的土壤碳库处于微妙的动态平衡中：一方面，植被恢复带来凋落物输入；另一方面，微生物呼吸和分解作用不断消耗碳源。更复杂的是，历史上刀耕火种留下的炭屑、耕作导致的碳损失、以及不同气候条件对分解者的调控，共同编织成一张错综复杂的因果网络。为解开这个谜团，研究人员提出了三重科学问题：气候湿润度如何塑造森林属性？生物与非生物因子如何调控碳通量？最终哪些因素决定土壤碳库的积累？

研究团队在35个样方（17个干旱林，18个湿润林）构建了多维观测网络。通过每木检尺（DBH≥1cm）结合异速生长方程估算地上生物量（AGB），利用TMS-4数据记录仪监测土壤温湿度，布设凋落物收集网量化凋落物产量。他们创新性地采用样方特异性凋落物袋法（网格尺寸1.03mm）测定分解速率，并通过便携式土壤呼吸测量系统（LCpro T）捕获碳通量。关键突破在于运用结构方程模型（SEM）从6个候选模型中优选最佳路径，最终揭示出令人惊讶的因果链。

气候梯度塑造相反的森林属性

湿润森林凭借更长的生长季节，地上生物量显著高于干旱林（13.0±3.6m vs 10.4±2.6m）。但干旱林却因更高的落叶树种比例（57.8% vs 8.5%）和固氮物种优势（19.4% vs 0.43%），使凋落物氮浓度显著提升。这种“质-量权衡”恰好印证了植物经济谱理论：干旱环境促发植物投资高营养叶片以实现雨季爆发式生长。

凋落物分解的三重驱动机制

最佳模型显示，分解速率同时受“温度-质量-数量”调控：土壤温度每升高1℃，微生物活性增强；凋落物氮浓度提升直接改善可分解性；而大量凋落物输入则维持了更大的微生物群落。值得注意的是，土壤呼吸却未显示显著相关性，这可能与其69%的极高空间异质性有关。

碳汇形成的关键路径突破

最颠覆性的发现在于：SOC仅与凋落物分解速率正相关（β=0.57），而与碳输入（凋落物产量）和碳输出（土壤呼吸）无直接联系。这意味着传统认知中“更多凋落物=更多土壤碳”的线性关系被打破，取而代之的是“高效转化”机制——即凋落物需通过快速微生物转化才能稳定固存于土壤。气候湿润度虽不直接作用，但通过提升生物量（+0.58）和土壤温度（+0.79），同时降低凋落物氮浓度（-0.88），产生相互抵消的间接效应。

方法论精要

研究在加纳干旱（阿博福尔）和湿润（邦萨）林区设立35个固定样方，通过群落普查、微型气候监测、凋落物收集网、凋落物袋法（4周孵化）和土壤呼吸测量（LCpro T系统），获取碳通量关键参数。土壤有机碳（SOC）采用0-15cm土层环刀法取样，通过Walkley-Black法测定。数据分析采用结构方程模型（SEM）优选气候-植被-过程-碳库的因果路径。

讨论与展望

该研究首次证实早期次生林碳汇形成遵循“分解主导”范式，修正了单纯强调碳输入的传统观点。凋落物以38%（干旱林）和31%（湿润林）的月分解速率快速转化为稳定有机质，这种高效转化可能抵消了粘土保护作用的缺失（湿润林粘土含量更高但SOC未显著提升）。未来研究需结合根系动态与微生物群落解析，并关注更长时序下的碳库演变。这项发表于《Journal of Tropical Ecology》的成果，为全球变化背景下的热带森林恢复提供了关键生态学机制支撑。