北极干旱石南苔原夏季增雨与养分添加对土壤碳库的植物覆盖驱动机制研究

《Arctic Science》：Plant cover changes drive soil carbon pool responses in High Arctic dry heath exposed to decades of experimentally increased summer rain and nutrient addition

本研究针对气候变化下北极夏季降雨增加对干旱苔原碳循环的影响，通过25年野外实验揭示增雨促进禾本科植物覆盖，驱动表层土壤碳库增加6%，为北极碳汇潜力评估提供关键证据。

　　

随着气候变化的加速，北极地区正经历着显著的环境转变。科学家预测，未来北极夏季降雨将更加频繁，土壤温度也将升高。然而，这些变化如何影响北极干旱生态系统的植物组成和碳储存，仍是一个悬而未决的问题。北极土壤储存的碳量是大气中的两倍，因此任何碳平衡的微小变化都可能对全球气候产生重要反馈。尤其是占北极冰盖面积10%-30%的干旱极地石南苔原和半荒漠生态系统，尽管分布广泛，但其碳动态的研究却相对匮乏。这些生态系统通常在水碳交换中表现为微弱的碳汇或碳源，其响应机制尚不明确。

为了解答这些问题，研究人员在格陵兰东北部扎肯伯格山谷的干旱石南苔原建立了一项长期实验。自1997年起，他们每年夏季对实验地块进行加倍降水模拟（每周添加相当于8毫米降水量的融水）以及间歇性的氮（N）、磷（P）养分添加（25年内共添加4次）。通过持续25年的干预，团队系统评估了土壤和植被碳库、植物覆盖度、叶片化学特性以及生态系统二氧化碳（CO₂）通量的变化。

研究采用的关键技术方法包括：基于点截法（point-intercept method）的植物覆盖度量化，通过元素分析-同位素比值质谱（EA-IRMS）测定土壤和植物碳氮含量，利用便携式红外气体分析仪（EGM-4）测量净生态系统生产力（NEP）、生态系统呼吸（R_eco）和土壤呼吸（R_soil），并通过高温灼烧法（LOI）结合元素分析换算土壤有机碳（SOC）储量。实验设计为六重复区组的全因子随机区组，共48个样方。

土壤碳库及处理响应

结果显示，浇水使表层土壤（0-5厘米）的SOC储量显著增加6%，而磷添加单独使SOC提升10%。浇水主要通过促进禾本科植物生长间接驱动碳积累，但深层土壤（5-10厘米）碳库未受显著影响。

土壤生物地球化学响应

浇水使表层土壤pH值微升0.07单位，磷添加显著提高土壤氮、磷浓度，而浇水降低表层土壤磷浓度，表明水分改变了养分有效性。

植物覆盖与生物量响应

浇水使禾本科植物覆盖度增加78%，总植物覆盖度提升18%，但并未显著改变总地上生物量碳库。氮、磷单独添加可提升植物碳库，但二者联合使用时反而产生拮抗效应，导致碳库降低22%。

叶片化学响应

浇水未显著影响叶片δ¹³C（水分利用效率指标），但磷添加显著降低叶片δ¹⁵N，暗示磷供应可能改变植物氮吸收途径或菌根共生效率。

CO₂通量

浇水与氮添加分别刺激土壤呼吸（R_soil）20%，但净生态系统生产力（NEP）受天气条件强烈调控。在晴朗天气下，所有处理均表现为碳汇，而阴雨天气下生态系统转为碳源。

研究结论指出，长期夏季增雨可通过促进禾本科植物扩张驱动干旱苔原土壤碳库的缓慢积累，但这一过程受到养分供应和天气条件的复杂调控。磷添加对土壤碳库的正面影响提示磷循环在北极碳平衡中可能被低估。该研究首次揭示了长期增雨对高北极干旱生态系统的碳汇增强潜力，为预测气候变化下北极碳循环反馈提供了关键实证。论文发表于《Arctic Science》，为理解北极陆域碳循环机制及全球气候模型优化提供了重要依据。