非降雨水分输入调控荒漠土壤碳排放的日周期脉冲机制及其生态意义

本研究揭示了荒漠生态系统中非降雨水分输入（NRWI）诱导的日周期CO2释放脉冲现象，即“微Birch效应”。通过野外原位观测与控制实验，证实夜间NRWI是驱动午间土壤CO2显著排放（峰值约2 μmol m?2 s?1）的主控因子，其通过调控微生物（如土壤蔗糖酶、脱氢酶活性及Chao1指数）的休眠-激活转换实现，为全球旱区碳循环评估提供了新视角。

　　

Highlight

NRWI与土壤呼吸

在夏季和秋季的野外原位观测中，我们观察到生物土壤结皮（BSC）内的累积非降雨水分输入（NRWI）存在显著的日周期性变化。所有三种土壤类型（裸地、蓝藻/地衣结皮、苔藓结皮）在不同月份均表现出一致的呼吸日变化模式：夜间土壤呼吸速率稳定在基线水平（约0 μmol m^?2 s^?1），而午间达到峰值（约2 μmol m^?2 s^?1）。裸地、蓝藻/地衣结皮和苔藓结皮土壤的最大NRWI累积量范围分别为0.10-0.14 mm、0.13–0.20 mm和0.15–0.25 mm。值得注意的是，NRWI的峰值出现在黎明时分，而土壤呼吸的峰值则滞后2-4小时，出现在午间。随着结皮从裸地向蓝藻/地衣再到苔藓的成功演替，累积NRWI显著增加，但午间观测到的最大土壤呼吸速率却无显著差异。

NRWI对土壤呼吸的影响

在荒漠生态系统中，由于缺乏根系，微生物异养呼吸被认为是土壤呼吸的主要途径。此外，液态水的存在是微生物生存的基本要素。当我们在5月和9月使用湿度控制装置消除夜间的NRWI后，与暴露于自然条件下的对照组相比，土壤CO₂释放速率在上午10:00左右（5月）和中午12:00左右（9月）均显示出显著降低。这一结果直接证明了夜间NRWI是导致午间CO₂显著释放的主要决定因素。

NRWI影响土壤呼吸的潜在机制

为了阐明NRWI影响土壤呼吸的潜在机制，我们测量了土壤微生物的特性和活性。研究发现，午间的土壤蔗糖酶活性、脱氢酶活性、微生物丰富度以及土壤微生物的Chao1指数均显著高于夜间，这表明微生物在白天的活性远高于夜间。这些发现表明，NRWI诱导的午间CO₂释放现象类似于一个每日发生的“微Birch效应”，其根本原因可能在于NRWI介导了微生物在休眠和激活状态之间的转换。

结论

本研究阐明了荒漠生态系统土壤中夜间周期性形成的NRWI与午间大量CO₂释放之间的内在关系。研究结果证实，夜间NRWI是午间CO₂显著排放的关键决定因素。此外，观测到的夜间NRWI形成与午间CO₂显著释放之间的滞后，可归因于微生物休眠与激活过程存在延迟。在自然野外环境中，我们进一步证明，随着生物土壤结皮（BSC）的演替发展，其捕获NRWI的能力增强，但午间CO₂释放峰值并未随之显著增加。