树篱农林系统中林地土壤碳激发效应低于农田的机制及其气候调节意义

推荐：本研究针对农林系统(Agroforestry systems, AFS)中土壤有机碳(SOC)激发效应(Priming effect)的调控机制问题，通过添加13C标记葡萄糖和氮(N)的室内培养实验，发现树篱系统林地土壤激发效应比相邻农田低34%，且氮添加使深层土壤激发效应降低32%。研究揭示了AFS通过提高微生物碳利用效率(MCUE)和土壤可利用碳氮来抑制激发效应，为农林系统设计优化以增强碳封存提供了理论依据。

　　

在全球气候变化背景下，土壤作为陆地生态系统最大的碳库，其有机碳(SOC)动态直接影响大气CO₂浓度。然而，农业扩张导致大量森林和草原转为耕地，造成显著的SOC损失。农林复合系统(Agroforestry systems, AFS)被认为是既能维持农业生产又能增强碳封存的重要策略，但其通过何种机制影响SOC稳定性，特别是土壤激发效应(Priming effect)——即外源有机质输入刺激微生物加速分解原有SOC的过程——仍不明确。这成为制约AFS在气候变化减缓中应用的关键科学问题。

为回答这一问题，Xinli Chen等人在《Agriculture, Ecosystems 》发表的研究，以加拿大阿尔伯塔省两种典型AFS（树篱hedgerow和防护林shelterbelt）为研究对象，通过添加¹³C标记葡萄糖和氮(N)的42天室内培养实验，结合同位素示踪和结构方程模型(SEM)分析，揭示了AFS类型和土壤深度对激发效应的差异化调控机制。

研究采用的主要技术方法包括：1) 从10个AFS样地（5种树篱和5种防护林）采集表层(0-10 cm)和深层(25-40 cm)土壤样本；2) 设置对照、葡萄糖(C)、氮(N)及C+N四种处理的培养实验；3) 通过碱液吸收-盐酸滴定法测定CO₂排放量，并利用同位素比值质谱(IRMS)分析δ¹³C值；4) 采用氯仿熏蒸提取法测定土壤微生物生物量碳(SMBC)；5) 构建结构方程模型解析SOC、无机氮(SIN)、SMBC和微生物¹³C利用效率(MCUE)对激发效应的多路径影响。

研究结果部分：

1. 1.

   深度和氮驱动的土壤激发效应变异

   深层土壤的激发效应强度(PE_ratio)和单位SOC激发量(PE_SOC)分别比表层高100%和434%。氮添加使深层土壤PE_ratio降低32%，证实氮限制是激发效应的关键驱动因素。

2. 2.

   农林系统类型与土地利用通过生物和非生物途径影响激发效应

   树篱系统中，林地PE_ratio比相邻农田低34%，且净碳平衡更高；而防护林系统内两种土地利用类型无显著差异。结构方程显示，较高的SMBC和SIN直接抑制PE_ratio，SOC则通过提升SMBC间接降低激发效应。

3. 3.

   微生物特性与土壤性质调控激发效应

   树篱林地具有更高的SMBC(16.47 mg C g^-1)和MCUE(0.45)，二者均与PE_ratio呈显著负相关。微生物¹³C利用效率对PE_SOC的直接抑制作用最强(路径系数=-0.62)。

讨论与结论指出，树篱系统通过更高的树种多样性增加易分解碳和养分输入，提升微生物效率从而抑制激发效应，这种效应在深层土壤尤为显著。研究首次量化了AFS类型对激发效应的差异化影响，提出将高多样性树篱系统与适量氮管理结合，可最大化土壤碳封存潜力。该成果为优化农林系统设计以实现"自然气候解决方案"提供了关键科学依据，同时强调未来需加强微生物群落组成与激发效应关系的研究。