灌木入侵通过土壤孔隙调控光合碳分配促进草地生态系统地下碳固存

针对全球草地生态系统面临的灌木入侵问题，中国科学院研究人员通过原位13C标记实验结合X射线CT扫描技术，首次揭示灌木通过改变土壤孔隙结构（>150 μm优先分配）显著增加光合碳地下分配比例（根系32.6% vs 草本5.2%），但长期导致细菌介导的矿化增强。该研究为理解草地碳循环机制提供新视角，发表于《CATENA》。

　　

灌木入侵正以每年5.1×10⁶公顷的速度改变全球草地生态系统，这种"绿色荒漠化"现象在中国内蒙古草原尤为显著。传统认知中，灌木通过深根系形成"肥沃岛效应"可增加土壤碳储量，但近年研究发现其可能导致土壤贫瘠化，这种矛盾背后涉及光合碳分配与土壤结构的复杂互作机制。由于活根释放的有机碳具有浓度低、周转快的特点，其动态过程犹如"黑箱"，成为土壤碳循环研究中最不确定的环节。

中国科学院的研究团队选择内蒙古太仆寺旗典型小叶锦鸡儿入侵草地，创新性地将稳定同位素示踪与显微CT技术结合。通过对比原生草地（对照）和灌木入侵样地，采用脉冲式¹³CO₂标记技术追踪光合碳去向，同步进行μCT扫描解析土壤孔隙三维结构。研究发现：灌木入侵14天后地下碳分配比例达52.06%（根系32.6%+土壤19.46%），显著高于原生草地（14.67%）。CT成像显示光合碳优先通过>150 μm大孔隙进入根际，再扩散至<150 μm小孔隙。长期监测却揭示灌木地土壤碳库仅为原生草地的50%，这与革兰氏阴性菌增殖导致的矿化增强有关。

关键技术包括：1）原位¹³C脉冲标记系统；2）X射线计算机断层扫描（分辨率3 μm）；3）同位素比率质谱分析；4）磷脂脂肪酸（PLFA）微生物群落分析。

【C pools动态】同位素示踪显示灌木地上部¹³C吸收量仅为草本的60%，但地下分配效率高3倍，证实其"重地下投资"策略。土壤δ¹³C峰值延迟出现，表明灌木碳传输存在"缓冲效应"。

【孔隙调控机制】CT三维重建揭示灌木根系形成特殊孔隙架构：总孔隙度增加12%，>500 μm孔隙占比下降40%，而150-500 μm孔隙成为碳传输主干道。这种"筛网式"结构延缓了碳向矿物结合态转化。

【微生物响应】PLFA分析发现灌木地细菌生物量提升2.3倍，其中革兰氏阴性菌占比达67%，其胞外酶活性与δ¹³C损失率呈显著正相关（R²=0.82）。

该研究突破性地揭示灌木入侵通过"双刃剑"机制影响碳循环：短期通过优化孔隙结构增强碳固存，但长期引发微生物主导的矿化连锁反应。这一发现为草地恢复提供新思路——在入侵初期利用灌木的碳汇功能，后期需调控微生物群落防止地力衰退。研究建立的"孔隙-碳流"耦合模型为全球变化下的碳循环预测提供了重要参数，相关成果被《CATENA》作为封面文章推荐。