南非土地利用变化对白蚁丘碳储存的影响

为探究土地利用变化对南非半干旱区白蚁丘（heuweltjies）碳储存的影响，研究人员对比分析 cultivated 与 uncultivated 蚁丘的土壤有机碳（SOC）、无机碳（SIC）储量及碳同位素特征。发现 cultivation 显著降低 topsoil 碳储量，揭示白蚁生物扰动对碳稳定的关键作用，为半干旱区碳管理提供科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，土壤碳储存作为陆地生态系统碳循环的重要环节，其稳定性对缓解温室效应至关重要。半干旱地区因生态脆弱性，碳流失风险较高，而白蚁丘作为该区域独特的生态结构，其碳储存功能尚未被充分认知。目前，土地利用变化（如农业扩张）对白蚁丘碳动态的影响机制尚不明确，且现有土壤碳模型普遍低估白蚁生物扰动的作用。因此，探究白蚁丘在不同土地利用模式下的碳储存差异，对优化半干旱区碳管理策略具有重要意义。

南非研究人员针对这一科学问题，以南非西开普省斯瓦特兰地区的 Microhodotermes viator 白蚁占据的 heuweltjies 为研究对象，开展了一系列对比研究。该研究成果发表在《CATENA》，为理解半干旱生态系统碳稳定性提供了新视角。

研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 土壤采样与化学分析：采集 cultivated 和 uncultivated 蚁丘的 topsoil（0–20 cm）及 subsoil 样本，测定土壤总碳、SOC、SIC 含量，分析颗粒大小分级的有机质组分（如颗粒有机质 POM 和矿物结合有机质 MAOM）。
2. 放射性碳同位素分析：通过测量土壤有机质和土壤呼吸 CO₂ 的 ¹⁴C 活性（Δ¹⁴C），评估碳垂直混合速率及微生物对 SOC 的利用差异。
3. 土壤微形态与空间分布分析：利用网格采样和热图插值技术，可视化蚁丘土壤中碳的空间分布特征，结合生物扰动痕迹（如白蚁隧道、 chambers）分析碳储存模式。

4.1 白蚁丘土壤形态特征

• Uncultivated 蚁丘：土壤质地较细（loam），topsoil 孔隙和根系丰富，subsoil 可见明显生物扰动痕迹（如 frass deposits），部分蚁丘 subsoil 存在 calcite filaments，显示 SIC 积累。
• Cultivated 蚁丘：土壤分类为 calcic durisols，subsoil 有高度硬化的 petroduric 层，含 calcareous lenses，生物扰动深度可达 120 cm，显示 cultivation 改变土壤物理结构。

4.2 碳储存的空间分布

• Topsoil 碳储量：Cultivation 导致蚁丘 topsoil 总碳储量减少约 60%，SOC 含量降低 65%，而 SIC 因施肥酸化等因素呈现不稳定趋势。Uncultivated 蚁丘中心 topsoil 的 SOC 和 SIC 显著高于周边基质土壤，而 cultivated 蚁丘无明显差异。
• Subsoil 碳分布：Uncultivated 蚁丘的 SOC 热点区与生物扰动特征（如 tunnels）空间吻合，显示白蚁活动促进有机碳向 subsoil 运输并通过有机 - 矿物相互作用稳定。Cultivated 蚁丘 subsoil（80–120 cm）仍储存较高 SIC 和 SOC，表明深层碳库对土地利用变化的响应滞后。

4.3 碳同位素与微生物代谢

• Δ¹⁴C 特征：Uncultivated 蚁丘 topsoil 的 Δ¹⁴C 为正值（近期碳输入），subsoil 为负值（ older 碳），但 KU5 蚁丘 subsoil 的 POM 显示 Δ¹⁴C 接近零，表明白蚁活动促进近期碳向深层运输。Cultivated 蚁丘 topsoil 的土壤呼吸 CO₂ Δ¹⁴C 显著降低（?18.6 ‰），提示微生物已耗尽 labile SOC 并降解 recalcitrant 碳库。
• 有机质组分稳定性：随土壤深度增加，MAOM 占比升高，显示 organo-mineral 相互作用增强 SOC 稳定性。Uncultivated 蚁丘 subsoil 的 MAOM Δ¹⁴C 较低，表明其为长期稳定碳库。

5.1 土地利用变化对碳储存的影响

Cultivation 通过机械扰动、减少天然植被输入及改变微生物群落，导致蚁丘 topsoil SOC 显著流失。尽管 cultivated 蚁丘因体积较大仍贡献较高景观碳储量，但其 topsoil 碳稳定性下降，长期碳储存潜力受损。

5.2 白蚁生物扰动的碳稳定机制

白蚁通过筑巢和地下通道运输有机物质，促进 SOC 向 subsoil 垂直迁移，并通过与黏土矿物结合形成稳定的 MAOM。放射性碳证据表明，白蚁活动导致不同深度碳混合，延缓碳分解，形成深层碳库。

5.3 无机碳的生物成因机制

蚁丘中 SOC 与 SIC 的空间关联表明，微生物诱导的碳酸盐沉淀（如 oxalate-carbonate 途径）可能是 SIC 形成的重要机制。Cultivated 蚁丘因地形和水文条件差异， SIC 更易在 subsoil 积累，但其长期稳定性受土壤酸化和侵蚀影响。

结论

本研究证实南非半干旱区白蚁丘是重要的 subsoil 碳储存单元，白蚁生物扰动通过促进有机碳垂直运输和有机 - 矿物相互作用，增强碳稳定性。Cultivation 破坏 topsoil 碳库，导致 labile 碳耗尽和微生物代谢途径改变，威胁碳储存功能。研究结果强调，在半干旱区土地管理中需重视白蚁丘的生态价值，采用可持续耕作方式以维持其碳储存潜力。未来研究需进一步明确微生物代谢路径及生物多样性对碳稳定性的影响，为完善土壤碳模型提供关键参数。