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在全球气候变化背景下，高寒草甸灌木入侵加剧，影响土壤碳氮存储。研究人员沿青藏高原东北缘灌木入侵梯度研究相关变量，发现灌木入侵增加土壤有机碳（SOCS）和全氮存储（STNS）。该研究揭示其机制，对保护高寒草甸生态意义重大。
研究背景
在广袤的地球上，草原生态系统犹如一块巨大的拼图，是全球陆地碳氮循环的重要组成部分。然而，近年来，一个令人担忧的现象正在草原上悄然上演 —— 灌木入侵。从遥远的北美草原，到亚洲的内蒙古草原、青藏高原高寒草原以及川西草原，灌木入侵的身影随处可见。据统计，北美草原上灌木入侵的总面积已达约3.3×108公顷，且还在以每年0.2?0.5%的速度扩张。
灌木入侵打破了草原原有的生态平衡，引发了一系列连锁反应。它改变了植物群落结构，让草本植物的生存空间受到挤压；还影响了土壤动物的栖息环境，进而干扰了草原的生物地球化学循环过程。对于土壤碳氮存储而言，灌木入侵的影响却十分复杂。在干旱和半干旱地区，它可能会增加土壤碳（SOCS）和氮存储（STNS）；但在降雨充沛、土壤粉质和黏土含量高的地区，SOCS 和 STNS 又可能减少，甚至在某些情况下保持相对稳定。这种不确定性让科学家们困惑不已，尤其是在对气候变化极为敏感的高寒地区，灌木入侵对土壤碳氮存储的影响更是知之甚少。
土壤水分作为土壤碳氮存储的关键驱动因素，在这一过程中也扮演着重要角色。它影响着土壤微生物的活性，调控着土壤碳氮的周转。然而，灌木入侵会改变土壤水分的分布和动态变化，这种变化又会如何影响土壤碳氮存储呢？目前这方面的研究还十分匮乏。
青藏高原，这片被誉为 “世界屋脊”“地球第三极” 和 “亚洲水塔” 的神奇土地，拥有着极为重要的生态地位。其土壤有机碳储量高达33.52Pg C（1Pg = 1015g），占中国土壤有机碳库的23.4%，世界的2.5%。这里广袤的高寒草甸不仅是当地牧民赖以生存的基础，更是在土壤碳氮固存、生物多样性保护等生态系统功能中发挥着不可替代的作用。但青藏高原生态系统十分脆弱，对环境变化极为敏感，土壤碳氮库的微小变化都可能引发温室气体（如CH4、CO2和N2O）大气浓度的显著改变。近年来，青藏高原高寒草甸的灌木入侵现象愈发严重，然而，灌木入侵后植被结构和土壤水分条件的变化对 SOCS 和 STNS 的影响却鲜见报道。为了更好地保护高寒草甸生态系统及其全球生态服务功能，解开这一谜团迫在眉睫。
研究开展
为了深入探究这些问题，来自国内的研究人员在青藏高原东北缘的天祝藏族自治县开展了一项意义重大的研究。该研究区域位于
E，
N，海拔在
3000?3500m 之间，属于大陆性高原季风气候，气候寒冷湿润，空气稀薄，阳光充足。
研究人员沿着灌木入侵梯度（无灌木、轻度入侵、中度入侵和重度入侵），对多个与土壤碳氮存储密切相关的植物和土壤水分变量进行了评估，旨在分析植物群落结构和土壤水分条件对土壤碳氮存储的影响。他们提出了两个假设：一是灌木入侵会增加植物多样性和生物量，为土壤提供更多的有机物，促进大团聚体的形成，稳定有机物，从而推动更多的碳氮积累；二是灌木入侵会导致土壤入渗和水分在灌木斑块的积累增加，可能加剧土壤碳氮矿化以及可溶性碳氮的淋溶，增加碳氮损失的风险。
研究方法
研究人员在不同入侵程度区域设置样地，采集植物样本测定地上和地下生物量等植被指标；采集土壤样本分析土壤有机碳（SOCS）、全氮（STNS）、微生物量碳氮等土壤指标；还运用专业仪器测定土壤入渗率、持水量等土壤水分相关指标，通过这些数据深入探究灌木入侵对高寒草甸土壤碳氮存储的影响。
研究结果
- 灌木入侵与植被特征关联：研究发现，重度入侵区域植物物种均匀度最高，但物种多样性和丰富度最低。与无灌木入侵区域相比，重度入侵区域灌木地上生物量和总根生物量更高（P<0.05），0?30cm 土层中总根生物量增加了3.55kg m?2；而草本植物地上生物量在重度入侵区域相比无灌木入侵区域下降了20.04%。
- 灌木入侵引发的植被特征变化：随着灌木入侵程度的增加，植物多样性丧失加速，这刺激了灌木地上生物量和总根生物量的输入，但减少了草本植物的生物量。同时，草本植物多样性和生物量随着灌木冠层下土壤水分的增加而减少，这与之前一些研究的结果不一致。
- 对土壤碳氮存储的影响：令人意外的是，灌木入侵并没有导致土壤碳氮存储的减少，反而使土壤有机碳、全氮以及微生物量碳氮增加。与无灌木入侵区域相比，重度入侵区域的有机碳（SOCS）和全氮存储（STNS）分别增加了32.20%和24.69%。
- 影响机制：灌木入侵通过增加地上和地下植物生物量，促进了有机物的输入，直接增强了 SOCS 和 STNS。此外，土壤入渗和持水能力的增加促进了灌木斑块的水分富集，改善的水分条件进一步刺激了植物生长，形成了碳氮输入的正反馈。同时，高入渗促进了地表有机物向土壤的沉积，减少了径流损失。
研究结论与讨论
该研究表明，灌木入侵显著提高了高寒草甸的总植物生产力，但也导致了草本生物量、物种丰富度和多样性的下降。灌木入侵增加了土壤含水量、持水能力和渗透性，引起土壤水分的重新分配，从而提高了水分有效性。这些变化共同作用，显著增加了 SOCS 和 STNS。
这项研究意义重大，它揭示了在全球气候变化背景下，青藏高原高寒草甸生态系统中灌木入侵对土壤碳氮存储的影响机制，强调了植被和土壤水分动态在灌木入侵下 SOCS 和 STNS 增加中的重要作用。为深入理解高寒草甸生态系统的碳氮循环过程提供了关键数据支持，也为该地区的生态保护和可持续发展提供了科学依据。未来，研究人员可以在此基础上进一步拓展研究，探究不同气候条件和土壤类型下灌木入侵对土壤碳氮存储的影响，以及如何通过合理的生态管理措施，维持高寒草甸生态系统的平衡和稳定。该研究成果发表在《CATENA》，为相关领域的研究开辟了新的思路和方向。
