哥伦比亚西北安第斯山脉不同海拔梯度森林土壤碳储量的驱动机制研究

《Ecosystems》：Drivers of Carbon Stocks in Forest Soils at Varying Elevations in the Northwest Andes of Colombia

本研究针对热带山地生态系统土壤碳循环对气候变化的响应机制这一关键科学问题，通过分析哥伦比亚西北部安第斯山脉167-2928米海拔梯度上9个森林样点的数据，采用结构方程模型揭示了气候因子和土壤肥力共同解释67%的土壤有机碳储量变异。研究发现SOC储量随温度升高而降低，但随土壤N:P比增加而升高，且低地和高地森林的碳储存机制存在显著差异：低地森林中丛枝菌根和固氮菌关联树种主导的生态系统通过提高磷可利用性加速碳循环，而高地森林中外生菌根树种通过调节土壤N:P比减缓碳循环。该研究为预测热带山地生态系统碳汇功能对气候变化的响应提供了重要理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，热带山地生态系统作为重要的碳汇功能区，其土壤有机碳储量的变化机制备受关注。土壤作为地球上最大的陆地碳库，储存着约70%的陆地生态系统有机碳，其碳循环过程直接影响大气二氧化碳浓度。然而，在海拔梯度上，温度、降水等气候因子的变化如何通过与土壤养分有效性、微生物群落组成和土壤矿物特性的交互作用来调控碳储存，仍是当前研究的薄弱环节。

为了揭示这些复杂关系，由哥伦比亚国立大学和明尼苏达大学组成的研究团队在《Ecosystems》上发表了最新研究成果。研究人员沿哥伦比亚西北部安第斯山脉167-2928米的海拔梯度设置了9个1公顷森林样地，系统采集了134个土壤样本，分析了土壤有机碳储量与气候因子、土壤养分、菌根共生类型等多重因子的关系。

研究采用的关键技术方法包括：基于CHELSA数据库获取气候数据，通过元素分析仪测定土壤碳氮含量，使用分光光度法测定磷浓度，应用结构方程模型解析多因子相互作用机制，并依据植物属性和家族水平鉴定菌根共生类型。这些方法为深入理解海拔梯度上碳储存驱动机制提供了可靠支撑。

海拔梯度上SOC和养分储量的变化规律

研究发现土壤有机碳浓度与海拔呈显著正相关，而土壤容重随海拔升高而降低，导致SOC储量从低地的43.54±3.98 Mg ha^-1增加到高地的125.31±9.63 Mg ha^-1。氮磷比也随海拔升高而增加，表明高海拔地区养分循环速率减缓。

共生根际微生物关联的海拔分布特征

外生菌根树种比例随海拔升高而增加，丛枝菌根和固氮树种比例则随海拔降低而占主导。这种菌根类型的海拔分异与土壤矿物学变化相耦合：低地土壤以高岭石为主，高地土壤则以水铝英石为主导。

海拔梯度上SOC积累的驱动机制

结构方程模型显示，气候和土壤肥力共同解释67%的SOC变异。温度升高和降水增加均导致SOC减少，而N:P比升高则促进SOC积累。值得注意的是，低地和高地森林的驱动机制存在显著差异：低地森林中，外生菌根增加反而降低SOC，丛枝菌根和N:P比起主导作用；而高地森林中，温度成为最关键因子，外生菌根通过调节N:P比对SOC产生间接影响。

研究结论强调，安第斯山脉北部SOC储量沿海拔梯度的增加是生物和非生物因子协同作用的结果。气候、矿物学、养分有效性和菌根共生类型共同调控分解和矿化速率，进而影响碳积累。由于气候变暖预计将改变沿海拔梯度的森林功能和组成，而这一过程又取决于土壤条件，因此提高对土壤中储存的大量碳可能命运的理解，应被视为热带山地生态系统的优先事项。

该研究的创新之处在于首次在热带安第斯山脉系统揭示了菌根类型转换与土壤矿物学变化对碳循环的耦合影响机制，为预测气候变化背景下热带山地碳汇功能演变提供了新视角。未来研究需要结合分子分析和原位分解实验，进一步量化不同菌根类型对分解过程的具体贡献，以完善热带山地碳循环模型。