阿肯色河谷原生高草草原土壤有机碳的时空变化及其对气候变化的响应机制

这篇研究通过4年实地监测，揭示了阿肯色河谷原生高草草原0-20 cm土层中土壤有机碳(SOC)、有机质(SOM)及理化性质的动态变化。研究发现，尽管土壤pH显著升高（平均5.1），但所有土壤单元组合的SOC和SOM含量均显著下降（降幅达11.3 Mg ha?1），表明该生态系统可能已达到碳平衡状态。研究创新性地结合土壤图谱单元-草原组合分析，为理解暖湿气候区草原碳汇潜力提供了关键数据。

　　

1 引言

作为仅次于水蒸气的第二大温室气体，二氧化碳(CO₂)排放与土壤微生物和植物根系呼吸密切相关。阿肯色河谷原生高草草原作为北美中部草原生态系统的残余片段，其土壤碳库动态对气候减缓具有重要意义。研究团队提出两个关键假说：1）随时间推移，SOC和SOM将因有机质输入速率高于分解速率而增加；2）随土层加深，这些指标将因远离根系活跃区而降低。

2 材料与方法

研究选取切罗基(Cherokee)和弗拉纳根(Flanagan)两处草原保护区的6个土壤图谱单元（包括3个Aquic Paleudalfs和1个Typic Dystrochrepts），采用60米样线法于2018和2022年分别采集0-10 cm和10-20 cm土层样品。通过高温燃烧法测定总碳(TC)和总氮(TN)，重量损失法测定SOM，并建立土壤-水特征模型估算容重。植被调查采用0.25 m²样方评估禾草/非禾草比例。

3 结果与讨论

3.1 植被差异

火烧管理显著影响地表覆盖，未火烧区死植被占比高达47%（FlB-Flanagan），而火烧区以活体植物为主（MmD-Cherokee蕨类占比65%）。C₄禾草与蕨类混合群落更有利于维持碳汇功能。

3.2 土壤性质演变

所有土壤单元出现显著酸化（ΔpH +0.22-0.64），但表层仍保持酸性（pH 5.1）。令人意外的是：

• SOC储量在0-10 cm层下降3.6 Mg ha^?1（p<0.05）
• SOM在MmD-Cherokee单元降幅最大（11.3 Mg ha^?1）
• 碳氮比(C:N)在深层土壤反升0.48，暗示氮素流失更快

3.3 管理启示

周期性火烧虽通过灰分输入提升pH，但可能导致Mn等微量元素流失（ΔMn -73.6 kg ha^?1）。研究指出，该区域草原可能已达碳饱和状态，其碳汇潜力低于预期。

4 结论

4年监测数据表明，阿肯色河谷草原未表现出净碳汇功能。这为全球草原碳汇模型提供了重要修正参数，暗示暖湿气候区成熟草原可能需要转向恢复性农业等替代方案实现碳中和目标。研究强调长期监测的必要性，后续应拓展至20 cm以下土层以评估碳的垂直迁移。