颗粒碳和与矿物相关的有机碳对永久冻土退化的不同响应

《CATENA》：Divergent responses of particulate and mineral-associated organic carbon to permafrost degradation

研究分析中国兴安岭地区三种不同退化程度的永久冻土对土壤有机碳（SOC）及其组分（POC和MAOC）的影响，发现冻土退化降低POC含量和POC/SOC比例，同时提高MAOC含量和MAOC/SOC比例。通过随机森林模型，识别出总氮（TN）、微生物生物碳（MBC）和微生物生物氮（MBN）是影响POC和MAOC在SOC中占比的关键因素，分别解释了45%和46%的方差。

　　在北极冻土带逐渐消融的背景下，土壤有机碳（SOC）储量的变化及其背后的机制仍然是一个复杂且尚未完全厘清的问题。这项研究通过分析三种不同冻土类型——轻微退化的不连续冻土区（DP）、中度退化的零星冻土区（SP）以及严重退化的孤立斑块冻土（IP）——在0至10厘米、10至20厘米以及20至30厘米三个土壤深度中的样本数据，探讨了冻土退化对颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）的影响。研究发现，尽管整体SOC含量保持稳定，但POC含量随着冻土退化减少了45至77克每千克，而MAOC含量则增加了57至96克每千克。具体而言，POC在SOC中的比例下降了15至37%，而MAOC的比例则上升了16至37%。这些变化表明，冻土退化对SOC的组成产生了显著影响，同时突显了POC和MAOC在维持SOC储存中的不同作用。

冻土退化不仅影响SOC的总量，还通过直接和间接机制改变SOC的稳定性。直接效应方面，冻土消融使得原本被冻结的有机质暴露在微生物分解作用下，从而释放出二氧化碳和甲烷，导致SOC储量减少。这一过程在气候变暖的背景下尤为显著，因为冻土退化通常伴随着地表温度的上升和活跃层的加深。间接效应则体现在冻土退化对水文过程和微生物群落结构的改变上。例如，土壤水分条件的变化可能增强放线菌的活性，而放线菌在分解SOC方面具有较高的效率。此外，随着冻土退化的加剧，土壤中水分供应的减少可能促进真菌的相对丰度，进而推动MAOC的形成。这些变化表明，POC和MAOC在SOC的动态变化中扮演着不同的角色，而理解这些角色对于预测未来气候变化背景下SOC的储存和释放至关重要。

在研究过程中，研究人员使用随机森林模型，分析了总氮（TN）、微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）对POC和MAOC在SOC中贡献率的影响。结果显示，TN、MBC和MBN共同解释了POC/SOC和MAOC/SOC比例变化的45%和46%。这一发现强调了土壤微生物在调节SOC组成中的关键作用，同时也表明，除了这些已知的变量外，还有其他未被充分考虑的因素可能影响SOC的动态变化。例如，木质素和氨基酸糖等化合物作为指示物，可能在SOC的稳定性评估中发挥重要作用。

本研究的地点位于中国东北的兴安山脉，这里是第二大冻土区域，拥有独特的湿地生态系统。研究区域的气候属于寒冷温带大陆性季风气候，年均气温在-5.5至-1.5摄氏度之间，年降水量在400至600毫米之间。主要土壤类型为泥炭土，根据美国农业部土壤分类系统，归类为Histosols。植被以灌木为主，构成了该地区生态系统的重要组成部分。在过去60年间，该地区的冻土经历了显著的退化，冻土面积从4.8×10^5平方公里减少到3.1×10^5平方公里。这一变化使得研究该地区冻土退化对SOC储量的影响具有重要的现实意义，特别是在分析POC和MAOC的动态变化方面。

通过采集72个土壤样本，研究人员对不同深度的SOC、POC和MAOC进行了系统分析。研究发现，随着冻土退化的加剧，POC含量显著减少，而MAOC含量则增加。这一趋势表明，冻土退化对SOC的组成产生了深远影响。POC作为生物可利用性较高的碳库，其含量的减少可能意味着生态系统中碳的快速释放，进而加剧气候变化。相比之下，MAOC作为相对稳定的碳库，其含量的增加可能有助于维持SOC的长期储存，从而减缓气候变化的影响。这些发现为理解冻土退化对SOC储量的综合影响提供了新的视角。

此外，研究还揭示了冻土退化对环境因子的影响。例如，在IP区域，土壤含水量（SWC）在0至10厘米和20至30厘米深度分别比DP和SP区域低17%和11%，以及8%和3%。这些变化可能进一步影响SOC的稳定性。同时，pH值的变化也表明，随着冻土退化的加剧，土壤的酸碱环境发生了改变，这可能对微生物群落的组成和活性产生影响。TP（总磷）含量在IP区域比DP区域低51%，但在20至30厘米深度则没有显著差异。MBN（微生物生物量氮）含量在IP区域比DP区域减少了71%，这可能意味着冻土退化对微生物氮素的储存和循环产生了重要影响。这些环境因子的变化进一步支持了冻土退化对SOC组成和动态的复杂影响。

研究还探讨了冻土退化对SOC、POC和MAOC的影响机制。例如，POC含量的减少可能与植被生产力的下降有关，因为冻土退化会降低植物的生长速率，从而减少植物来源的碳输入。然而，温度的上升可能在一定程度上提高植被生产力，从而对POC含量产生相反的影响。因此，冻土退化对POC含量的影响可能受到多种因素的共同作用。相比之下，MAOC含量的增加可能与真菌活性的增强有关，因为真菌在分解有机质和促进矿物结合有机碳的形成方面具有重要作用。这些发现表明，POC和MAOC在冻土退化过程中具有不同的响应机制，而理解这些机制对于预测未来气候变化背景下SOC的储存和释放具有重要意义。

本研究还强调了微生物在调节SOC组成中的关键作用。通过分析土壤微生物的生物量和活性，研究人员发现，微生物群落的结构和功能在冻土退化过程中发生了显著变化。这些变化不仅影响了SOC的分解速率，还对POC和MAOC的比例产生了影响。例如，微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）的变化可能反映了微生物在冻土退化过程中的适应性调整。这些调整可能进一步影响SOC的稳定性，从而对全球碳循环和气候变化反馈产生重要影响。

此外，研究还评估了SOC及其各组成部分对冻土退化的敏感性。结果显示，POC对冻土退化的反应更为敏感，而MAOC则相对稳定。这一发现可能对未来的土地管理策略和碳减排措施提供重要参考。例如，在冻土退化区域，应更加关注POC的动态变化，因为其快速释放可能对全球碳排放产生显著影响。相比之下，MAOC的增加可能有助于维持SOC的长期储存，从而减缓气候变化的影响。因此，未来的研究应更加注重对POC和MAOC动态变化的监测，以更好地评估冻土退化对全球碳循环的影响。

本研究的发现对于理解冻土退化对SOC储量的综合影响具有重要意义。通过分析不同深度的SOC、POC和MAOC，研究人员揭示了冻土退化对SOC组成和动态的复杂影响。这些影响不仅涉及碳的释放和储存，还可能影响生态系统的服务功能和全球气候反馈。因此，未来的研究应更加注重对这些机制的深入探讨，以提高对SOC动态变化的预测能力。同时，研究还强调了微生物在调节SOC组成中的关键作用，这为未来的土地管理和生态修复提供了新的思路。

总之，冻土退化对SOC储量和组成的改变是一个复杂的过程，涉及直接和间接的多种机制。POC的减少可能意味着生态系统中碳的快速释放，而MAOC的增加可能有助于维持SOC的长期储存。这些变化不仅影响了全球碳循环，还可能对气候变化反馈产生重要影响。因此，理解这些变化背后的机制对于预测未来气候变化背景下SOC的储存和释放至关重要。同时，研究还强调了微生物在调节SOC组成中的关键作用，这为未来的土地管理和生态修复提供了新的思路。通过进一步的研究，可以更全面地评估冻土退化对全球碳循环的影响，为应对气候变化提供科学依据。