河岸土壤干湿交替的生物地球化学响应调控碳动员机制

本研究针对北方 boreal 河岸有机质 rich 土壤在干旱-再湿润条件下碳动员的关键科学问题，通过室内土壤柱模拟实验，揭示了干旱强度对溶解性有机质 (DOM)、二氧化碳 (CO2) 和甲烷 (CH4) 产生的差异化影响及其生物地球化学驱动机制。研究发现，干旱通过氧化土壤剖面、补充硫酸盐 (SO42-) 等终端电子受体 (TEA) 短期内抑制 DOM 浓度，但长期再湿润阶段 DOM 动员增强，且与过氧化物酶活性持续升高相关；CO2 产生受干旱强度抑制，而 CH4 恢复则受 SO42- 浓度延迟。该研究对理解气候变化下 boreal 流域碳循环及水生生态系统具有重要启示意义，发表于《SOIL BIOLOGY》。

　　

在广袤的北方 boreal 景观中，蜿蜒的溪流两岸分布着富含有机质的土壤，这些河岸带如同大地与水流之间的活跃界面，不仅是重要的碳储存库，更是向源头溪流输送有机和无机碳的主要源头。然而，在全球气候变化加剧的背景下，极端水文气候事件，如干旱，正变得越来越频繁和强烈。这些事件导致地下水位剧烈波动，使原本湿润的河岸土壤经历干燥后再被湿润的过程。这种干湿交替如何影响土壤中碳的转化与移动，进而改变输入溪流的碳通量与形态，成为了一个亟待解答的关键科学问题。尤其与离散景观单元（如沼泽）中的泥炭土研究相比，人们对河岸区这一关键界面在干湿交替过程中的生物地球化学响应知之甚少。理解这一过程，对于预测未来 boreal 流域碳循环、水体水质及水生生态系统健康至关重要。

为了深入探究这一问题，来自瑞典农业科学大学森林生态与管理系的 Martin ?kerlep、Melissa Reidy、Hjalmar Laudon 和 Ryan A. Sponseller 的研究团队，在《SOIL BIOLOGY》上发表了一项研究，他们通过精巧的室内控制实验，模拟了不同强度的干旱及随后的再湿润过程，系统揭示了河岸土壤碳动员对干湿交替的响应机制。

研究人员在瑞典北部 boreal 地区 Krycklan 流域研究站（KCS）的一个河岸带采集了原状土壤柱。这些土壤属于有机土（Histosols），常年处于饱和状态。在实验室中，土壤柱经过预培养后，被随机分为三组进行干旱处理：极端干旱（水分减少75%）、中度干旱（水分减少36%）和持续湿润的对照组。干旱期结束后，将所有土壤柱重新湿润至初始重量，并在此后57天的再湿润期内，定期采集土壤溶液，分析其中溶解性有机碳（DOC）、二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、硫酸根（SO₄^2-）等溶质浓度，同时测定酚氧化酶和过氧化物酶的活性，并利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）分析溶解性有机质（DOM）的功能组成变化。研究采用重复测量方差分析等统计方法评估处理效应。

3.1. DOM 动态

研究发现，再湿润初期，干旱处理土壤的 DOC 浓度显著低于对照组，这与干旱氧化土壤产生的硫酸盐（SO₄^2-）浓度升高及其导致的 pH 值下降有关。然而，从再湿润第9天起，干旱处理的 DOC 浓度恢复至对照水平，并在此后持续上升，在实验末期达到近乎翻倍的水平，且干旱强度对 DOC 浓度无显著影响。这表明短期内的 DOM 抑制是氧化还原条件改变的结果，而长期的 DOM 动员增强则可能与微生物过程相关。

3.2. 无机溶质

干旱处理显著提高了再湿润初期土壤溶液中的 SO₄^2- 浓度，这是由于干旱期间土壤中的硫化物被氧化所致。SO₄^2- 浓度在再湿润约9天后迅速下降，21天后恢复至干旱前水平。线性回归分析显示，在干旱处理中，SO₄^2- 与 DOC 浓度呈显著负相关，支持了 SO₄^2- 抑制 DOM 溶解度的假说。铁（Fe）浓度变化不规律，而铵盐（NH₄⁺）浓度在所有处理中均逐渐增加，硝酸盐（NO₃^-）浓度始终极低。

3.3. 酶活性

酶活性测定表明，再湿润期间，干旱处理的酚氧化酶活性在早期（第3-9天）有所升高，而过氧化物酶活性则在后期呈现上升趋势，且高于对照组。尽管处理间差异有时不显著，但相关性分析揭示，在干旱处理中，过氧化物酶活性与 DOC 浓度存在强正相关关系，而在对照组中无此关系。这暗示过氧化物酶介导的有机质分解可能在长期 DOM 动员中扮演重要角色。

3.4. 有机质组成

FTIR 光谱分析表明，干旱后重新湿润的土壤，其 DOM 中羧基（1712 cm^-1）和芳香族结构（1612 cm^-1）相对于多糖（1075 cm^-1）的比例升高，表明 DOM 的氧化程度和顽固性增加，腐殖化程度更高。这些组成变化在实验后期依然存在，反映了干旱对 DOM 性质的持久影响。

3.5. CO₂ 和 CH₄ 动态

再湿润初期，干旱处理的 CO₂ 和 CH₄ 浓度均急剧下降。CO₂ 浓度在干旱处理后逐渐恢复，但极端干旱处理的恢复速度慢于中度干旱处理，且 CO₂ 浓度与 DOC 浓度在干旱处理中呈强正相关。CH₄ 浓度在再湿润后14天内接近零，直到第21天 SO₄^2- 浓度显著下降后，才开始缓慢恢复，并在实验末期接近干旱前水平。CH₄ 与 SO₄^2- 浓度呈显著的负相关关系，证实了更有利的终端电子受体（TEA）对产甲烷作用的抑制。

综合以上结果，本研究得出以下主要结论和重要意义：

该研究清晰地表明，河岸土壤干湿交替事件通过多种生物地球化学机制，在不同时间尺度上影响着不同形态碳的动员。短期响应主要由氧化还原化学驱动，SO₄^2- 的生成和 pH 下降抑制了 DOM 的溶解度。而长期响应则更可能与微生物酶活性的变化相关，过氧化物酶活性的持续升高可能与 DOM 的长期增加有关。CO₂ 的产生受干旱强度的影响，并与 DOM 有效性紧密相连，而 CH₄ 的恢复则严格受控于更有利的 TEA（如 SO₄^2-）的消耗。

这项研究的意义在于，它首次在控制实验条件下系统阐明了 boreal 河岸土壤碳动员对干湿交替的完整响应轨迹，区分了短期地球化学效应和长期生物效应的相对重要性。研究结果挑战了仅从氧化还原角度理解干旱后碳动员的传统观点，强调了微生物酶介导过程在长期碳释放中的潜在作用。这对于准确预测未来气候情景下， boreal 流域碳从陆地到水体的横向通量、溪流温室气体排放以及水生生态系统功能的变化具有至关重要的启示。随着 boreal 地区干旱事件频发，河岸土壤这一关键界面的生物地球化学记忆效应，可能对区域乃至全球的碳循环产生深远影响。