土壤线虫食物网中相互作用的非线性动态特征在盐碱梯度上的变化

《CATENA》：Nonlinear dynamics of interactions within the soil nematode food web across a saline-alkaline gradient

红树林土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC）的空间分布受潮间梯度、恢复时间及土壤深度调控，SOC与SIC呈显著负相关，土壤化学性质（如CEC和C:N）是主要驱动因素，潮汐频率和植被生物量通过间接途径影响碳分布。

　　本研究聚焦于中国东南沿海地区一个红树林修复区域的土壤有机碳（SOC）和土壤无机碳（SIC）在不同维度上的分布特征及其控制因素。红树林生态系统作为重要的碳汇，其碳储存能力源于高初级生产力和缺氧土壤条件，这些条件有助于减缓有机物的分解速率。然而，尽管红树林在减缓气候变化方面具有显著潜力，目前对于SOC和SIC在空间分布上的理解仍然有限。本研究旨在揭示SOC和SIC在修复区域中的变化规律，识别影响其空间分布的关键因素，并进一步探讨这些碳组分之间的相互关系。

研究发现，在0至100厘米的土壤深度范围内，SOC和SIC密度之间存在显著的负相关关系（p < 0.05）。SOC含量随着距离海岸线的增加而呈正相关，而SIC则表现出相反的趋势，即随着距离海岸线的增加而减少。这一结果表明，潮汐引起的梯度是SOC和SIC空间分布的主要驱动因素。相比之下，土壤深度和植物修复时间序列对SOC和SIC的影响较为有限，仅有2014年修复的红树林表现出显著高于2018年修复区域的SIC含量（p < 0.05）。此外，研究还发现，土壤化学性质，如土壤容重、总氮含量、碳氮比（C:N）以及阳离子交换容量（CEC），是SOC分布的主要控制因素，而CEC和C:N比对SIC的影响最为显著。

总体来看，空间梯度不仅通过直接作用影响SOC和SIC的分布，还通过环境中介因素间接调控。在这些中介因素中，土壤化学性质始终发挥着最核心的作用。这些发现强调了环境驱动因素之间复杂的相互作用关系，揭示了蓝碳空间分布的机制，为改善红树林碳监测和制定更有效的管理策略提供了重要依据。

### 红树林生态系统的碳储存潜力

红树林生态系统因其独特的地理位置和生物特性，具备强大的碳储存能力。它们通常位于热带和亚热带海岸线附近，不仅提供多种生态系统服务，如养分循环、土壤形成、木材生产、污染去除、生态旅游和水产养殖，还因其高效的碳固定能力而成为全球重要的碳汇之一。SOC和SIC是红树林土壤碳库的核心组成部分，它们的分布和变化对红树林生态系统的碳平衡具有深远影响。

SOC主要来源于植物残体的分解和土壤微生物活动，其在土壤中的积累受到多种环境因素的共同作用，如土壤pH值、含水量、总氮含量、碳氮比以及阳离子交换容量。SIC则主要由碳酸盐的沉淀和淋溶过程形成，其含量通常与土壤的化学性质密切相关。例如，高pH值和低含水量的环境更有利于碳酸盐的沉淀，从而增加SIC的积累。研究还发现，SOC和SIC在不同深度和空间位置上的分布存在显著差异，这种差异可能受到潮汐作用、植物恢复时间以及土壤结构等因素的影响。

### 环境因素对SOC和SIC分布的影响

为了深入理解SOC和SIC的空间分布机制，研究采用了多种统计方法，包括方差分解分析（VPA）、极端梯度提升（XGBoost）算法和部分最小二乘路径建模（PLS-PM）。这些方法帮助识别了SOC和SIC分布的关键环境驱动因素及其相互作用。结果显示，SOC的分布主要受到土壤化学性质（如总氮、碳氮比和阳离子交换容量）以及潮汐频率的影响，而SIC则主要与土壤化学性质（如阳离子交换容量和碳氮比）相关。此外，研究还发现，SOC和SIC之间存在复杂的反馈关系，这种关系在不同的土壤深度和区域表现出不同的特征。

SOC和SIC的分布呈现出明显的空间异质性。SOC在远离海岸线的区域更为丰富，而SIC则在靠近海岸线的区域积累更多。这种差异可能与潮汐作用、土壤物理化学性质以及植物生长条件有关。例如，潮汐频繁的区域由于水分和养分的不断输入，可能促进SOC的积累，同时抑制SIC的形成。而在土壤深度较大的区域，由于有机质分解的增加和碳酸盐的淋溶作用，SOC和SIC的分布趋势可能会发生变化。

### 红树林修复对SOC和SIC的影响

红树林的生态修复不仅有助于恢复其原有的生态系统功能，还可能改变SOC和SIC的分布模式。本研究发现，修复时间对SOC和SIC的影响较为有限，但在某些情况下，如土壤化学性质的改变，修复时间可能对碳储存产生重要影响。例如，2014年修复的红树林表现出更高的SIC含量，这可能与修复初期土壤条件的变化有关。同时，研究还发现，植物恢复时间对SOC和SIC的影响主要通过土壤化学性质间接实现，例如通过调节土壤的氮含量和碳氮比。

此外，红树林的修复过程可能会改变土壤的物理结构和化学性质，从而影响SOC和SIC的分布。例如，修复后土壤的容重可能会降低，这有助于提高土壤的通气性和养分保持能力，从而促进SOC的积累。然而，修复过程也可能导致土壤的酸化，这种酸化作用可能促进碳酸盐的溶解，从而减少SIC的含量。因此，在红树林修复过程中，需要综合考虑土壤化学性质、潮汐作用以及植物恢复时间等多方面因素，以实现最佳的碳储存效果。

### 土壤化学性质的主导作用

研究进一步指出，土壤化学性质在SOC和SIC的分布中起着主导作用。SOC的分布主要受到总氮、碳氮比和阳离子交换容量的影响，而SIC则主要与阳离子交换容量和碳氮比相关。这些土壤化学性质不仅直接影响SOC和SIC的含量，还通过与其他环境因素的相互作用间接影响它们的分布。例如，高阳离子交换容量可以促进土壤团聚体的形成，从而提高SOC的稳定性，而低碳氮比则可能促进微生物对有机质的分解，从而增加SOC的流失。

值得注意的是，SOC和SIC之间存在负反馈关系。SOC的积累可能会导致土壤pH值的下降，从而促进碳酸盐的溶解，减少SIC的含量。这种负反馈机制在不同土壤深度和区域表现不同，可能受到多种因素的共同影响，如潮汐作用、土壤结构以及植物恢复过程中的生物活动。因此，在红树林生态系统中，SOC和SIC的分布不仅受到单一因素的影响，还可能涉及复杂的生物地球化学过程。

### 红树林修复对碳储存的启示

本研究的结果为红树林碳管理提供了重要的科学依据。首先，研究发现SOC和SIC的分布模式受到潮汐梯度的显著影响，SOC在远离海岸线的区域更为丰富，而SIC则在靠近海岸线的区域积累更多。这一发现表明，在红树林修复过程中，应优先考虑潮汐作用对土壤碳分布的影响。其次，研究还发现，SOC和SIC的分布可能受到土壤化学性质的调控，例如高阳离子交换容量和低碳氮比有助于提高SOC的稳定性，而高碳氮比则可能促进SIC的形成。因此，在红树林修复过程中，应重视土壤化学性质的改善，以提高其碳储存能力。

此外，研究还指出，红树林修复的时间对SOC和SIC的影响相对较小，这可能与修复过程中土壤化学性质的变化速度较慢有关。然而，修复时间仍然可能通过调节植物生长和土壤环境间接影响SOC和SIC的分布。例如，修复时间较长的区域可能表现出更高的植物生物量和更稳定的土壤碳库。因此，在红树林修复过程中，应关注修复时间对土壤碳库的影响，并结合其他环境因素进行综合评估。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究提供了关于红树林修复区域SOC和SIC分布的重要见解，但仍存在一些局限性。首先，由于潮汐作用的影响，部分关键指标（如氧化还原电位）未能被测量，这可能影响对土壤环境条件和生物地球化学过程的全面理解。其次，研究未考虑更深层土壤（超过100厘米）中的碳储量，这些深层土壤可能包含大量未被测量的碳，因此未来研究应扩展土壤采样深度，以更全面地评估红树林碳库的结构。此外，研究的样本量和空间异质性可能对结果产生一定影响，因此未来研究应结合长期监测和更大范围的采样，以减少空间异质性对结果的干扰。

最后，本研究的发现表明，红树林修复对SOC和SIC的分布具有重要的调控作用，但其具体机制仍需进一步研究。未来的研究应关注红树林修复过程中SOC和SIC的动态变化，以及不同环境因素如何相互作用以影响土壤碳的积累和流失。这不仅有助于更全面地理解红树林碳循环，也为制定有效的碳管理策略提供了科学依据。