北极沙丘上的植被演替控制着土壤中有机物的积累以及二氧化碳的排放量

《CATENA》：Vegetation succession on Arctic sand dunes controls organic matter accumulation and CO 2 efflux from soil

北极沙丘植被演替过程中，土壤有机碳（Corg）含量从活动沙丘的1.1 g·kg?1增至 climax 森林的7.3 g·kg?1，pH从6.1降至4.7，微生物呼吸（MicCO2）和生物量（Cmic）随演替增强，qCO2在 leeward 坡和 young 林最高，反映易分解有机物输入增加，而 climax 森林因针叶凋落物输入导致 Cmic积累与 qCO2降低并存。

　　在北极和亚北极地区，风沙丘是生态系统中广泛存在的自然景观。这些沙丘的移动与稳定过程不仅影响土壤的发育，还对植被的扩展起到关键作用。随着植被的逐步建立和演替，土壤中的有机碳积累以及微生物活动的变化成为研究的重点。本研究聚焦于西西伯利亚北部典型的沙丘生态系统，探讨植被演替对土壤有机碳积累和微生物活动的影响。研究团队假设，植被对沙丘的稳定作用会促进有机碳的积累，并通过提高微生物的生物量和活动性，增加土壤中的二氧化碳排放。通过分析五个代表不同植被演替阶段的样地，包括活动沙丘的迎风坡、沙丘顶部、背风坡，以及稳定沙丘上的年轻森林和成熟森林，研究人员揭示了沙丘生态系统中土壤碳循环和微生物活动的动态变化。

沙丘的稳定过程通常与植被的扩展密切相关。在活动沙丘上，由于风力持续作用，土壤的有机碳含量较低，仅为1.1克/千克，而随着沙丘逐渐被植被覆盖，有机碳含量显著增加，最终在成熟森林中达到7.3克/千克。这一过程伴随着土壤pH值的下降，表明土壤环境在植被影响下发生了明显的变化。在植被覆盖较弱的区域，土壤的酸碱度较高，而在植被逐渐丰富、形成稳定的森林生态系统后，土壤酸化程度显著降低。这可能与植物根系对土壤结构的改善以及有机物质的输入有关。植物根系能够促进土壤颗粒的结合，增强土壤的稳定性，同时通过落叶、枯枝等有机残体的积累，为土壤提供丰富的碳源。

随着植被的演替，土壤中的微生物活动也呈现出明显的增强趋势。研究人员发现，土壤中的二氧化碳排放速率和微生物生物量碳含量均随植被的扩展而上升。特别是在年轻森林和活动沙丘的背风坡区域，微生物的活动性最强，这可能与这些区域中有机物质的可利用性较高有关。相反，在成熟森林中，尽管土壤有机碳含量较高，但微生物的代谢商和二氧化碳排放与有机碳的比例较低，表明该区域的有机物质更难被微生物分解。成熟森林中输入的有机物质主要是针叶树的落叶和枝条，其结构复杂，分解难度较大，因此微生物的活动性相对较低。然而，微生物生物量仍然较高，这说明尽管分解效率较低，但微生物的总体数量在成熟森林中得到了积累。

土壤的物理化学性质在植被演替过程中也发生了显著变化。有机碳含量的增加不仅与植被的扩展有关，还受到土壤pH值和碳氮比的影响。在活动沙丘的迎风坡和顶部，由于缺乏稳定的植被覆盖，土壤的有机碳含量较低，同时碳氮比也较低。而在背风坡和年轻森林中，有机碳含量和碳氮比均显著提高，表明这些区域的土壤具有更高的碳固定能力。成熟森林的土壤中，碳氮比进一步升高，表明输入的有机物质质量较差，更难被微生物分解。这一现象可能与针叶树的落叶和枝条具有较高的木质素含量有关，木质素是一种难以被微生物分解的复杂有机物质。

在活动沙丘的背风坡和年轻森林中，微生物的代谢商较高，表明这些区域的微生物对有机物质的利用效率较高。而在成熟森林中，代谢商较低，可能与微生物对复杂有机物质的适应能力有关。微生物的代谢商可以反映其生态生理状态，代谢商越高，通常意味着微生物对有机物质的分解能力越强，而代谢商越低，则可能表明微生物处于一种较为稳定的状态，能够有效利用土壤中的有机物质。这种变化可能与植被类型的变化有关，例如从草本植物向木本植物的过渡，导致土壤中有机物质的来源和结构发生变化。

土壤的碳氮比和微生物活动之间存在密切的联系。随着植被的演替，土壤中的碳氮比逐渐升高，这可能是因为植物的生长和凋落增加了土壤中的有机物质输入，而氮素的输入相对较少。碳氮比的升高表明土壤中的有机物质质量较高，更难被微生物分解，从而影响了微生物的活动性。在活动沙丘的迎风坡和顶部，由于缺乏稳定的植被覆盖，土壤中的碳氮比较低，微生物的活动性相对较弱。而在背风坡和年轻森林中，碳氮比较高，微生物的活动性增强。成熟森林中的碳氮比进一步升高，微生物的活动性减弱，但微生物生物量仍然较高，这表明成熟森林中的微生物群落已经适应了低分解效率的环境。

土壤的物理化学性质，如pH值和水分含量，对微生物活动具有重要影响。在活动沙丘上，由于风力作用强烈，土壤的pH值较高，而随着沙丘的稳定，pH值逐渐降低。这一变化可能与植被的根系活动和有机物质的输入有关。植物根系能够改变土壤的化学环境，促进酸性物质的积累，从而影响土壤的pH值。同时，土壤的水分含量也对微生物活动产生影响。在植被覆盖较弱的区域，土壤的水分含量较低，限制了微生物的生长和活动。而在植被覆盖较强的区域，水分含量较高，为微生物提供了更适宜的生存环境。

研究人员还发现，微生物的代谢商和二氧化碳排放与有机碳的比例在不同植被演替阶段表现出不同的特征。在活动沙丘的背风坡和年轻森林中，这一比例较高，表明微生物对有机物质的利用效率较高。而在成熟森林中，这一比例较低，可能与微生物对复杂有机物质的适应能力有关。成熟森林中的微生物群落可能已经形成了稳定的代谢模式，能够有效利用土壤中的有机物质，但分解效率较低。这种变化可能与微生物群落的组成有关，例如在早期演替阶段，细菌可能占主导地位，因为它们能够快速分解简单的有机物质。而在成熟森林中，真菌可能更占优势，因为它们能够分解复杂的有机物质，如木质素。

土壤的碳循环过程在植被演替过程中表现出明显的动态变化。在活动沙丘上，由于缺乏稳定的植被覆盖，土壤中的有机碳积累较慢，微生物的活动性也较低。随着沙丘的稳定和植被的扩展，有机碳的积累速度加快，微生物的活动性增强。这一过程不仅促进了土壤的发育，还对碳循环的速率产生了重要影响。在成熟森林中，尽管有机碳的积累速度较快，但微生物的活动性相对较弱，这可能与有机物质的结构复杂性和分解难度有关。然而，微生物的生物量仍然较高，表明成熟森林中的微生物群落已经适应了这种环境。

研究还发现，土壤的碳氮比与微生物活动之间存在显著的正相关关系。碳氮比越高，微生物的活动性越强，这可能是因为高碳氮比的土壤中含有更多的可分解有机物质。然而，在成熟森林中，尽管碳氮比较高，微生物的活动性却相对较低，这可能与微生物群落的组成变化有关。成熟森林中的微生物群落可能已经适应了低分解效率的环境，能够有效利用土壤中的有机物质，但分解速度较慢。这种变化可能与微生物群落的演替过程有关，即随着植被的扩展，微生物群落的组成和功能也在发生变化。

总体来看，植被的演替对北极沙丘的土壤碳循环和微生物活动具有深远的影响。随着沙丘的稳定和植被的扩展，土壤中的有机碳含量显著增加，微生物的活动性也随之增强。这一过程不仅促进了土壤的发育，还对碳循环的速率和模式产生了重要影响。在不同植被演替阶段，土壤的物理化学性质、微生物的组成和功能均表现出显著的变化，这些变化反映了沙丘生态系统在植被影响下的动态平衡。未来的研究可以进一步探讨这些变化对全球碳循环的贡献，以及微生物群落对不同植被类型和土壤条件的适应机制。