十年养分添加揭示热带雨林磷限制及其适应机制：植物与微生物残碳对土壤有机碳积累的差异化调控

本研究通过分析黄土高原半干旱区30个弃耕草地（CGs）与30个苜蓿建植草地（AGs）的长期植被恢复过程，揭示了不同草地建植策略下植物源木质素酚（pLPs）与微生物残碳（MRC）对土壤有机碳（SOC）积累的贡献差异。研究发现AGs中MRC对SOC的贡献随恢复时间显著增加（32.8%→44.4%），而CGs中仅pLPs贡献上升（7.2→12.5 mg g?1 SOC），表明豆科植物引入可通过缓解微生物氮限制提升碳转化效率，为干旱区土壤固碳提供理论依据。

　　

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Study site and sample collection

本研究在甘肃省兰州市中联川镇（104.414° E, 36.039° N）开展，该区域属典型半干旱气候，年均降水量320毫米，平均气温6.8°C。地貌为黄土高原特有的沟壑景观，坡地多被改造为梯田用于农业。近年来，在政府退耕还草政策推动下，大量耕地被转化为自然恢复草地（CGs）或人工苜蓿草地（AGs）。我们选取了植被恢复年限1至30年的30个CGs和30个AGs样地，采集土壤和植物样品进行综合分析。

Changes in plant and soil properties over time

在CGs中，根系生物量、土壤有机碳与全磷比值（C:P）、土壤全氮与全磷比值（N:P）以及交换性钙离子（Ca²⁺）随恢复年限显著增加，而土壤全磷含量下降（图S2）。土壤有机碳（SOC）、全氮、溶解性有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）、无机氮、碳氮比（C:N）、土壤含水量和交换性镁离子（Mg²⁺）未呈现显著变化趋势。在AGs中，根系生物量、SOC、全氮、DOC、MBC、C:P比、N:P比和交换性Ca²⁺均随恢复年限增加而上升，土壤全磷和无机氮含量则显著降低。

Discussion

本研究发现植被恢复时间与两种草地中植物源木质素酚（pLPs）对SOC的贡献呈正相关，验证了假设一。然而，微生物残碳（MRC）及其对SOC的贡献仅在AGs中随年限增加，CGs中则保持稳定，这一结果支持了假设二，表明不同恢复策略下SOC形成机制存在本质差异。土壤养分和矿物性质（如交换性Mg²⁺）通过调控微生物活性与碳转化效率，显著影响MRC的积累路径。酶化学计量分析进一步证实，尽管两种草地均缓解了微生物碳限制，但氮限制持续存在，且与恢复时间无关，突显了氮养分管理在干旱区生态恢复中的关键作用。

Conclusions

草地建植显著提升了AGs和CGs中植物源木质素酚（pLPs）及其对SOC的贡献。在AGs中，微生物残碳（MRC）及其对SOC的贡献也随时间增加，而CGs中则保持稳定。pLPs贡献的变化主要受恢复年限和根系生物量驱动，而MRC贡献则主要由土壤溶解性有机碳（DOC）、微生物生物量碳（MBC）和土壤氮磷比（N:P）调控。这些发现揭示了豆科植物引入通过协同提升植物碳输入和微生物转化效率，从而强化土壤固碳能力的机制，为优化干旱区土地管理策略提供了科学依据。