人为驱动下荒漠草原向灌丛地转变过程中土壤碳氮耦合机制研究

这篇研究揭示了人为灌丛扩张对荒漠草原土壤碳氮循环的深刻影响。通过40年定位观测发现，植被转型导致土壤无机氮(SIN)下降10.99%、有机碳(SOC)锐减97.33%，胞外酶活性降低130.77%，同时净氮矿化(NNM)下降102.47%。研究创新性指出净硝化率是碳氮耦合的关键因子，为全球变化背景下干旱区生态管理提供了重要理论依据。

　　

Highlight

荒漠草原向柠条(Caragana sp.)灌丛地的转变揭示了一个由固氮作用介导的生态悖论：土壤有机碳(SOC)显著下降(-97.33%)的同时，全氮(STN)保持稳定而铵态氮含量却升高(+8.93%)。作为豆科灌木，柠条通过根瘤菌共生直接固定大气N₂，在缺乏相应碳输入的情况下富集了土壤氮库。这种SOC消耗与STN稳定性之间的解耦现象，与自然灌丛扩张过程中观察到的模式形成鲜明对比。

Discussion

我们的研究首次系统揭示了人为灌丛扩张背景下土壤碳氮循环的复杂互作机制。研究发现：

1）微生境尺度上，草斑块的净氮矿化率显著高于裸斑(p<0.05)，而灌丛边缘表现出最强的碳氮耦合效应；

2）群落尺度上，从草原到灌丛的转变导致微生物量碳(MBC)保持稳定，但微生物代谢策略从矿化主导转向固定化主导；

3）净硝化率成为碳氮耦合的关键调控节点，这源于氨化作用与碳转化过程的解耦。

这些发现挑战了传统认为灌丛扩张必然增强土壤碳氮耦合的观点，指出人为干预可能通过改变微生物功能群组成而重塑地下生态过程。特别是豆科灌木的特殊生理特性，创造了"高氮低碳"的独特土壤环境，这种非对称的资源输入模式可能导致长期生态风险。

Conclusions

本研究通过多尺度分析人为灌丛扩张对荒漠草原生态系统的影响，获得三个关键认知：

1）土壤有机碳转化率显著降低与土壤呼吸速率上升形成鲜明对比；

2）碳氮耦合强度呈现"边缘效应"，在过渡带达到峰值；

3）硝化细菌功能群在维持系统稳定性中起核心作用。

这些发现为干旱区生态恢复工程提供了重要的理论参考，提示需要重新评估豆科灌木在碳汇项目中的应用策略。