侵蚀埋藏表层土壤中功能性碳库与微生物群落对持久性富碳土壤的协同调控机制

本研究针对侵蚀埋藏形成的富碳深层土壤（Ahb）中碳持久性机制不明的问题，通过分析5个气候梯度下不同质地土壤的Ah/Ahb/Bwb层，发现Ahb层微生物群落向寡营养型演替，矿物结合态有机质（MAOM）比例显著增加，胞壁酸（MurA）减少揭示微生物残体反复循环。该研究为理解深层碳固存提供了新视角。

　　

在应对气候变化的全球行动中，土壤碳封存被视为缓解温室气体排放的重要途径。然而，占土壤碳储量50%以上的深层土壤（subsoil）中碳循环机制仍不明确。侵蚀景观中埋藏的富碳表层土壤（Ahb horizons）形成独特的"时间胶囊"，为研究深层碳持久性提供了天然实验室。这些埋藏数十年的土壤层既保留了表层土壤的碳浓度，又具备深层土壤的环境特征，其碳稳定机制长期存在两大谜团：为何活跃的微生物群落未能完全分解这些碳？微生物群落如何适应深层资源受限的环境？

为解答这些问题，研究人员在加拿大萨斯喀彻温省沿气候梯度选取5个不同质地的侵蚀沉积区，对比分析了表层（Ah）、埋藏表层（Ahb）和埋藏底层（Bwb）的微生物群落结构与碳组分特征。研究采用磷脂脂肪酸（PLFA）分析微生物群落，通过氨基糖定量评估微生物残体积累，并运用物理分组法分离颗粒有机质（POM）和矿物结合态有机质（MAOM）。样本来自具有1-3个侵蚀坡面的典型农田，涵盖砂质壤土至黏土等多种质地，通过非度量多维标度（NMDS）解析群落结构差异。

微生物群落特征显示，尽管Ahb层碳浓度与表层相当（25.6±2.9 vs 30.9±2.1 mg OC g^-1），但其微生物生物量碳（MBC）显著降低，且群落结构更接近Bwb层。PLFA分析揭示革兰氏阳性菌（GP）在Ahb层占比提升至45.5%，而革兰氏阴性菌（GN）下降至32.1%，反映资源限制下的群落演替。特别值得注意的是，氨基糖总量在Ahb层保持稳定，但胞壁酸（MurA）浓度降低40%，表明微生物残体被反复循环利用。

碳组分分析发现Ahb层MAOM占比（68.3%）显著高于Ah层（52.1%），且与砂粒含量呈强负相关（Rho=-0.88）。这种碳形态转变与微生物代谢特征变化同步：在质地较重的Bruno站点，Ahb层氨基糖保存完好，而砂质土壤中则显著减少，证实矿物保护的关键作用。研究还发现，年均温度（MAT）与Ahb层SOC呈反常负相关（Rho=-0.50），暗示温度升高可能加速埋藏碳的分解。

讨论部分强调，Ahb层形成"微生物代谢陷阱"：有限的新碳输入迫使微生物转向分解难利用的MAOM，而矿物保护又限制其获取效率。这种双向限制创造出独特的碳持久性机制，其核心在于：1）微生物群落向寡营养型演替，表现为GP菌和放线菌占比提升；2）有机-矿物相互作用增强，MAOM比例增加；3）微生物残体反复循环，MurA显著减少。该研究首次在多站点尺度证实，侵蚀埋藏形成的富碳层具有跨气候带的共性稳定机制，为理解深层碳循环提供了新范式。这些发现对评估土壤碳封存潜力具有重要启示，特别是提醒人们关注土地利用变化可能重新激活这些"沉睡的碳库"的风险。