半干旱矿区人工草地恢复下土壤有机碳（SOC）与无机碳（SIC）的分异恢复轨迹及驱动机制

《Frontiers in Environmental Science》：Divergent recovery trajectories of soil organic and inorganic carbon following artificial grassland restoration in semi-arid mining ecosystems

　　

在干旱采矿生态系统中，植被恢复后土壤碳库的恢复较为复杂，尤其是土壤有机碳（SOC）与无机碳（SIC）之间常被忽视的相互作用。在本研究中，研究人员调查了播种豆科植物的4年人工草地时序（chronosequence），以评估SOC和SIC的恢复轨迹。采用整合贝叶斯（Bayesian）与相关分析拆解驱动机制。结果表明，SOC和SIC在0–30 cm土层呈增加趋势，但遵循不同轨迹。SOC随地下生物量增加而逐渐积累，这促进了土壤有机质输入。相反，SIC呈单峰趋势，受土壤含水量和根际介导的pH变化调控，而非直接植物生物量输入。这些发现表明，在4年恢复期内，SOC与SIC表现出紧密耦合但分异的调整路径，而非同步且线性增加。该研究强调，评估干旱采矿生态系统土壤碳库恢复需要考虑多个土壤碳库，从而提高对早期恢复过程中土壤碳对植被恢复响应的理解。

研究背景方面，土壤碳是陆地生态系统的重要组成部分，支撑土壤功能和气候调节，并作为结构和肥力的关键决定因素，促进团聚体稳定性、增强保水能力、维持微生物活性，驱动植被生长和生态系统稳定。在干旱和半干旱生态系统中，土壤结构因水分有限而容易受到破坏，土壤碳对维持物理完整性和抵抗退化至关重要。采矿活动通过影响理化性质严重扰动土壤碳库：植被和表土剥离终止有机输入，使土壤碳暴露于氧化、淋溶和侵蚀；大规模开挖和重建常将土壤压实为致密且高度非均质的基础，破坏土壤孔隙网络，阻碍植物根系生长和微生物活动；机械运输可使土壤容重增加到1.5 g cm^–3，孔隙度降低超过15%；扰动导致团聚体破坏和矿物-有机联合体破坏，加速SOC矿化和失稳，扰动生态系统中SOC损失可超过60%；矿区裸露表面易受风蚀和水蚀，细沉积物首先被移除，导致土壤剖面变薄和土壤碳耗竭。采矿后土壤水分、pH和盐分变化影响碳酸盐溶解-沉淀平衡，重塑SIC垂直和横向再分布。由于水分限制，干旱矿区自然恢复极其困难，因此人工恢复提供了启动土壤功能回归自然状态的可行策略。人工草地可快速增加植被覆盖和地上生物量，并通过凋落物沉积调节土壤微气候；豆科植物固氮等内部生物机制无需额外外源矿物或有机改良，使土壤沿自然演替轨迹发展。根系穿透和扩展降低土壤压实并增加孔隙度，优化水分入渗和保持，促进团聚体形成和物理保护，有利于SOC积累。恢复的土壤环境增强微生物活性，确保有机残体快速分解并促进有机碳积累。植被恢复还通过调节根际微环境，包括二氧化碳浓度、pH和离子组成，调节SIC动态。现有恢复研究常关注表层生产力和土壤质量、团聚体稳定性改善，但人工草地促进SOC和SIC回到自然轨迹的动态和潜在机制仍了解不足，尤其是在干旱采矿环境恢复关键早期阶段。因此，研究人员选择新复垦地（CK）和播种豆科植物 Astragalus adsurgens 与 Medicago sativa 的1年、2年、3年和4年人工草地（AG1、AG2、AG3、AG4），评估干旱矿区土壤碳库恢复。鉴于土壤和植被性质在早期恢复中常相互关联，研究人员结合贝叶斯多变量框架与Pearson相关分析，探讨碳库与其潜在驱动因子之间的关联。研究目标为：量化恢复时序中SOC和SIC含量与储量；识别影响土壤碳库的关键驱动因子；讨论矿区植被恢复的生态意义。研究人员得出，SOC和SIC在0–30 cm呈增加趋势但轨迹不同；SOC随地下生物量增加逐渐积累，SIC呈单峰趋势，受土壤含水量和根际介导的pH变化调控，而非直接植物生物量输入；SOC和SIC紧密耦合但调整路径分异，而非同步线性增加。该研究强调，评估干旱采矿生态系统土壤碳库恢复需要综合考虑多个土壤碳库，从而提高对早期恢复过程中土壤碳响应的理解。

关键技术方法概括：研究以内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗黄土高原北缘、黄河西岸的露天煤矿废弃地为样本队列，包括新复垦地（CK）和播种豆科植物 Astragalus adsurgens 与 Medicago sativa 的1—4年人工草地（AG1—AG4）。野外设置5个1 m×1 m样方，调查植被盖度、高度并收获地上生物量；用土钻和环刀采集0–10、10–20、20–30 cm土壤，测定地下生物量、土壤容重（BD）、土壤含水量（SMC）、总孔隙度（TP）、毛管孔隙度（CP）、非毛管孔隙度（NCP）、pH、SOC和SIC，并计算有机碳储量（OCS）和无机碳储量（ICS）。统计采用单因素方差分析和Tukey HSD检验、Pearson相关分析，以及贝叶斯多变量模型和马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）后验抽样解析各驱动因子净效应。

研究结果方面，3.1 恢复时序中植被特征和土壤性质的变化（Changes in vegetation characteristics and soil properties across the restoration chronosequence）：通过植被调查和土壤理化测定，研究人员发现植被高度在AG1达到90.6 cm，在AG2下降68.0%，AG3为42 cm，AG4为64 cm；植被盖度在AG1最低，为22%，AG2、AG3和AG4分别升至52%、62%和70%；地上生物量（AGB）在AG1和AG2分别为64.1 g m^–2和147.9 g m^–2，AG3和AG4分别为558.0 g m^–2和525.1 g m^–2；地下生物量（BGB）从AG1的391.9 g m^–2降至AG3的225.9 g m^–2，降低42.4%，至AG4显著增至770.31 g m^–2，较AG3增加241.0%。AG1至AG4在0–30 cm的土壤容重低于CK（1.59–1.68 g cm^–3），随恢复年龄呈逐渐上升趋势；土壤含水量变化与容重一致；恢复后土壤pH总体增加，但人工草地之间无显著差异；总孔隙度增加，0–10 cm增加5.5%–14.3%；毛管孔隙度呈单峰模式，AG4在0–10 cm比CK低4.2%；非毛管孔隙度变化与毛管孔隙度一致，20–30 cm AG2比CK低12.4%，但无显著差异。3.2 恢复时序中土壤有机碳和无机碳的变化（Changes in soil organic carbon and inorganic carbon across the restoration chronosequence）：通过碳含量和储量计算，SOC在0–30 cm较CK增加，但差异不显著；0–10 cm增加46.2%–146.2%，10–20 cm增加6.2%–115.1%，20–30 cm增加3.9%–107.7%。SIC恢复后增加并呈单峰分布，AG4中SIC（0.59 g kg^–1）在0–10 cm和20–30 cm分别比AG1低18.6%和10.5%。OCS和ICS在0–30 cm均增加；与CK（17.6 t ha^–1和2.8 t ha^–1）相比，OCS增加7.4%–100.6%，ICS增加7.1%–53.6%。3.3 碳库与植被-土壤变量的关联模式（Association patterns between carbon pools and vegetation–soil variables）：通过贝叶斯后验分析和Pearson相关分析，对于OCS，贝叶斯模型对pH正关联（Pd=96.4%）和CP负关联（Pd=95.8%）支持最强；AGB对负关联支持较弱，SMC对正关联支持中等。Pearson分析显示OCS与BGB和pH正相关，与CP负相关。对于ICS，贝叶斯模型支持BGB负关联（Pd=79.5%）和SMC正关联（Pd=73.0%）；相关分析显示ICS与BGB和BD负相关，与SMC和AGB正相关。BGB与OCS在多变量贝叶斯模型和双变量相关中方向不一致，提示简单正相关可能部分反映与其他协变量的混杂而非直接效应。两种分析一致表明OCS和ICS在4年恢复期对植被和土壤因子响应不同。

讨论部分总结：4.1 植被输入促进有机碳积累，SOC增加与植被源碳输入相关，生物生产力是早期有机碳固存的基本引擎。地上生物量增加导致凋落物积累，根系扩展通过周转和根际沉积贡献有机基质。OCS与BGB正相关强化了根源碳对稳定有机库的作用。BGB从AG1到AG3的暂时下降可能反映初始播种群体被更高产多年生生长替代，随后AG4地下生物量显著增加。豆科植物如 alfalfa 和 Astragalus adsurgens 可能作为碳积累催化剂，产生高质量凋落物并促进共生固氮，缓解矿区严重氮缺乏；该机制可能降低土壤碳氮比并刺激微生物活性，可能促进植物源碳转化为稳定土壤有机质。贝叶斯模型和相关分析认为土壤pH是OCS积累最有力的正驱动因子，表明这些碱性土壤中植物-土壤反馈调节pH可能为微生物碳加工和有机质持久性创造有利环境。土壤物理性质改善如团聚体形成和矿物有机结合可长期支持SOC恢复；虽然根系穿透改变孔隙度和容重，但短期物理变化不直接促进SOC储存。容重随恢复年龄逐渐增加可能反映重建废弃地基质持续沉降和固结，而非土壤质量下降，因为所有人工草地容重仍低于CK。贝叶斯分析显示毛管孔隙度是OCS主要负约束，过度毛管孔隙可能促进更高矿化速率或氧扩散，早期可能抵消碳固存；土壤孔隙结构演化可改变水分和通气，影响微生物周转，长期促进不稳定碳向更持久团聚体转化。根际分泌物和细碎屑可作为微生物底物，刺激碳转化和稳定相关酶过程。长期沙漠植被恢复研究表明，植被恢复改变SOC组分组成，矿物结合有机碳随时间更突出。这些结果指示从植物源碳向更具结构保护碳库的进展。早期植物输入主导表层SOC增加，长期过程促进更深和更稳定碳储存。4.2 SIC变化与根际和水分条件相关，SIC是干旱半干旱区重要但常被忽视的土壤碳库。恢复后0–30 cm SIC呈单峰趋势。贝叶斯模型识别BGB为ICS负预测因子，SMC为主要正预测因子。植被恢复可通过多种有时相反途径影响SIC。根系生长和地下生物量输入可能通过改变根际二氧化碳（CO₂）浓度和pH来改变土壤化学环境。高根系活动初期可能通过呼吸CO₂和有机酸释放促进碳酸盐溶解，同时后期可能通过增加碱度促进碳酸盐沉淀。增强的土壤水分条件可促进碳酸盐再沉积和运输，导致恢复期间SIC响应时间变异。毛管孔隙度等土壤物理性质对SIC影响相对弱，贝叶斯结果中CP对ICS后验概率较低（Pd=52.1%）。短恢复时间尺度内，无机碳动态受化学和生物驱动较物理结构约束更明显。干旱矿区碳酸盐矿物常丰富但未很好整合到稳定土壤基质，SIC可能更易响应根际化学变化而非土壤结构逐渐改善。该结果与有机碳动态形成对比，后者更直接与生物量输入和生物周转相关。4.3 矿区植被恢复意义，早期植被恢复与退化矿区若干土壤性质增益相关，包括碳含量和孔隙度。4年内引入豆科物种使0–30 cm有机和无机碳不同程度增加，但根活动和土壤环境调控路径存在明显差异。同时观察到孔隙度和水分等物理性质增益，表明生物恢复可能促进土壤碳积累和生态系统服务恢复。这意味着即使幼龄植物覆盖也可作为抗侵蚀屏障并为长期恢复奠定基础。但BGB与OCS在多变量贝叶斯模型和双变量相关分析中方向不一致，突出干旱矿区生态系统碳动态复杂性，也说明贝叶斯多变量框架分析价值：双变量相关仅捕获未调整成对关联，贝叶斯模型在控制相互关联协变量后分离各驱动因子净效应，表明简单成对关系可部分反映混杂而非直接调控。豆科引入可能加速早期有机碳积累，同时在严酷采矿后条件改善植被建立。人工草地有潜力增强干旱矿区土壤碳保持并支持早期生态系统恢复。管理上支持三种策略：基于豆科的物种混合可维持早期有机输入和根系发育；监测根际pH以跟踪SOC和SIC积累平衡；适当播种密度和覆盖等保水措施可稳定有利于碳保持的根际条件。人工草地可作为生态催化剂，但长期可持续性可能取决于碳固存与养分有效性平衡。根际环境特别是根介导pH变化可能在碳动态中起核心作用。这些 Arenosols 和 Cambisols 的碱性可能限制养分溶解度。虽然该短期时序未量化有效磷（P）、钾（K）和镁（Mg），区域研究确认高pH通常导致强磷固定和必需微量元素如铁和锌生物有效性降低。对 alfalfa 等豆科物种，驱动碳储存的生物活动包括BGB驱动的pH增加，可能最终损害共生固氮效率和生物量生产，可能减缓后期观察到的土壤碳积累速率。因此，尽管当前研究表明早期土壤碳库显著增益，养分有效性潜在约束仍未解决，解释碳固存可持续性时应考虑。局限性包括：4年观测忽略碳库可持续性和长期发展轨迹；恢复阶段由空间分离样地代表而非同一地点时间监测，时序以空间代替时间，地点间变异可能部分混杂推断轨迹；研究评估浅层0–30 cm碳变化，忽略深层根活动对土壤碳再分布或矿物相互作用的可能影响；未直接测定碳酸盐矿物学、微生物过程、养分有效性和碳组分，机制解释应视为待直接测量的假设。因此需长期监测确定恢复过程碳积累是持续、下降还是稳定，扩大采样到更深土层有助于捕获有机和无机碳垂直再分布并更准确量化总土壤碳库。

结论翻译：该研究表明，在四年恢复时序中，人工草地建立促进了干旱矿区0–30 cm土层SOC和SIC库的恢复。尽管SOC增加不显著（P > 0.05），但含量和储量的一致正向趋势支持有机碳恢复的早期轨迹。SOC增加主要与植被源碳输入相关，尤其是地下生物量积累，表明生物输入是短期主要驱动因子。相反，无机碳遵循不同恢复路径，与土壤水分和根介导根际过程特别是pH变化关联更密切，而非直接生物量输入。这些结果表明，OCS和ICS未同步恢复，而是在早期恢复中遵循不同但相互关联的路径。因此，评估受扰动干旱采矿生态系统碳恢复不应仅依赖总土壤碳，而应明确区分有机和无机碳库。鉴于恢复期短且限于浅层土壤（0–30 cm），仍需长期监测和更深土壤剖面来确定这些恢复碳库的持久性、垂直再分布和长期稳定性。