冻土中沿冻融侵蚀梯度土壤有机碳矿化与温度敏感性降低

《CATENA》：Lower soil organic carbon mineralization and temperature sensitivity along a freeze-thaw erosion gradient in permafrost soils

　　**摘要**- 冻融侵蚀（FTE）减少了永冻土土壤中的SOC、POC和MAOC碳库。- FTE重塑了微生物群落组成和功能潜力。- FTE降低了SOC矿化率和温度敏感性（Q₁₀）。- SOC矿化率和Q₁₀与土壤碳特性和微生物特性相关。## 引言土壤侵蚀是由质量运动、风力和水力驱动的基本地貌过程，是全球土壤退化的主要原因之一（Borrelli等，2017；Pr?v?lie，2021；Yuan和Fan，2024）。在各种侵蚀过程中，冻融侵蚀（FTE）尤为普遍，影响着全球约24%的陆地表面和北半球超过55%的陆地面积（Guo等，2017；Wei等，2025）。青藏高原（QTP）作为一个主要冰冻圈区域，因其严酷的气候、复杂的地形和可变的基底条件而特别容易受到FTE的影响（Wei等，2025）。该高原拥有全球中低纬度地区最大面积的连续冻土（2.52×10? km2），并经历频繁的冻融循环（Peng等，2023；Peng等，2024；Zou等，2017）。反复的冻融过程破坏了土壤颗粒的粘结力和团粒结构稳定性，降低了土壤强度和抗侵蚀能力，从而增强了土壤的剥离和搬运，使FTE成为青藏高原的主要侵蚀类型（Liu等，2017；Liu等，2024；Wei等，2025）。关键在于，FTE在空间上高度异质，其强度受到地形的强烈调控，尤其是坡度坡度和坡位，这些地形因素控制着土壤稳定性、水分再分配和冻融动力学（Yang等，2024）。最近的证据表明，2001年至2020年间，青藏高原FTE区域的空间范围扩大了约2.57×10? km2（Wei等，2025）。鉴于该地区的地质年龄较年轻、土壤肥力低以及土壤形成速率缓慢，其从侵蚀中恢复的能力极为有限（Zhao等，2023）。因此，FTE可能导致严重的土壤退化，并对生态系统生产力、碳储存和养分保持产生级联影响，最终威胁生态系统稳定性（Borrelli等，2020；Lang等，2023；Ma等，2024）。尽管存在这些影响，但在不同坡位条件下FTE如何塑造永冻土土壤的碳动态仍不清楚。青藏高原永冻土区在上层3米土壤内储存了约14.1 Pg的土壤有机碳（SOC）（Chen等，2024a）。过去三十年来，高纬度和高海拔地区的气温以约每十年0.6°C的速率上升——约为全球平均水平的两倍——这有可能加速这些地区SOC的矿化（Sch?del等，2016；Schuur等，2015）。SOC矿化是影响大气二氧化碳（CO?）浓度的关键过程（Schlesinger和Andrews，2000），其对温度变化的响应（温度敏感性，Q₁₀）强烈影响着气候-碳循环互动的规模和轨迹（Davidson和Janssens，2006）。最近，许多研究评估了青藏高原永冻土区SOC的矿化潜力及相应的Q₁₀值（Chen等，2016；Li等，2018；Qin等，2021）。这些研究主要关注不同土壤深度中SOC矿化和Q₁₀的一般规律及其潜在机制，有助于改进气候变暖下土壤碳损失预测。然而，持续的全球变暖带来了额外的挑战，通过加速青藏高原的永冻土退化，延长融化期并增加冻融循环频率，进一步促进了FTE及相关SOC矿化（Li等，2023；Zhang等，2022b）。FTE可能不仅改变SOC碳库的数量，还可能改变其组成，包括颗粒态有机碳（POC）和矿物结合态有机碳（MAOC），后者在调节SOC周转中发挥重要作用（Liu等，2026）。鉴于FTE同时改变土壤碳特征和环境条件，理解其对SOC动态和Q₁₀的影响对于准确评估气候变化下永冻土碳反馈至关重要。永冻土中SOC的矿化受多种生物物理驱动因素控制，如土壤温度、水分、物理化学稳定化、碳特征以及微生物生物量和群落组成的变化（Bracho等，2016；Li等，2018；Qin等，2021）。这些因素可能部分通过微生物群落和代谢活动的变化来影响SOC矿化，后者对土壤温度、水分、养分可用性和碳底物敏感（Bracho等，2016；Buckeridge等，2013；Rinnan等，2011；Sistla等，2014）。先前的研究表明，在永冻土土壤的冻融过程中，微生物群落组成、稳定性和功能发生了显著变化（Buckeridge等，2013；Chen等，2024b；Lv等，2022），表明FTE相关的环境筛选可能重塑微生物群落组成和功能潜力，从而影响微生物介导的SOC周转。这些敏感性即使发生微小变化，也可能显著影响永冻土土壤碳平衡（Davidson和Janssens，2006）。因此，将微生物生物量、群落组成和功能潜力与SOC矿化测量相结合，对于理解FTE对与碳循环和温度敏感性相关的微生物过程的影响至关重要。本研究旨在阐明FTE如何通过改变青藏高原永冻土中的土壤碳库、物理化学环境和微生物特征来影响SOC矿化及其Q₁₀。为此，我们在青藏高原的7个站点（包括2个无侵蚀站点、3个轻度侵蚀站点和2个重度侵蚀站点）采集了活动层（0–2.9 m）和永冻层（2.3–6.1 m）样本，并在0°C和10°C下进行培养实验，以评估SOC矿化率和相应的Q₁₀值。此外，我们量化了不同侵蚀程度下的土壤碳组分、物理化学变量、微生物生物量、与碳降解相关的微生物群落组成和功能潜力。本研究检验了以下假设：(1) FTE降低SOC矿化及其Q₁₀；(2) FTE改变微生物特性；(3) Q₁₀的变化与土壤碳特征、土壤环境条件和微生物特性相关。## 各节片段### 实验站点与样品采集本研究在西藏中部沱沱河流域的一个典型坡面流域进行（34°4′–34°6′ N, 91°31′–91°33′ E，图1），海拔4863–4970 m。年平均气温为-5.2°C，区域变暖速率达每十年0.38°C。该地区年降水量在150至500 mm之间变化。研究区域以永冻土为主，特征为年均温略低于0°C的暖性冻土，且永冻土厚度### SOC矿化率及其温度敏感性在无侵蚀、轻度侵蚀和重度侵蚀土壤中，SOC潜在矿化率随深度显著降低，相应范围分别为0.008–0.115、0.006–0.026和0.005–0.078 mg kg?1 h?1（图2a–c）。较高温度（10°C）使侵蚀系列样本中的SOC矿化率增加了0.006–0.317 mg kg?1 h?1（增加了1.89–9.36倍，图2a–c）。无侵蚀土壤中的SOC矿化率（0.009–0.05 mg kg?1 h?1）显著高于轻度### 冻融侵蚀降低永冻土中的Q₁₀无侵蚀、轻度侵蚀和重度侵蚀土壤中的Q₁₀值范围分别为4.77–11.25、2.33–5.83和2.04–2.84，高于其他土壤类型的报道值（Zhang等，2024）。相对较高的Q₁₀值可能与青藏高原独特的环境条件有关，包括高海拔、寒冷气候和强烈的冻融动力学，这些因素调控着土壤碳库和微生物过程（Chen等，2022；Cheng和Wu，2007）。这些区域特征### 结论本研究表明，所研究的坡面中冻融侵蚀（FTE）降低了SOC矿化率和温度敏感性（Q₁₀）。这些响应与土壤物理化学性质、土壤碳库、微生物群落组成和碳循环功能潜力的显著改变相一致。土壤碳和微生物特性的响应在不同坡位间存在差异，与碳及相关资源的地形再分配一致### CRediT作者贡献声明**许谦：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，验证，软件，方法学，调查研究，资金获取，形式分析，数据整理。 **谭长海：** 写作 – 初稿撰写，调查研究。 **潘鸿安：** 写作 – 初稿撰写，调查研究。 **朱新书：** 写作 – 初稿撰写，数据整理。 **邢赞品：** 写作 – 初稿撰写。 **邓永翠：** 写作 – 初稿撰写，验证，监督，概念化。 **刘永强：** 写作 – 审阅与### 利益冲突声明作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢本研究获得了以下资金支持：国家自然科学基金创新研究群体科学基金项目（42421001）、国家自然科学基金项目（42501151和42371135）、甘肃省博士后专项科技基金（24JRRA524）。---许谦|谭长海|潘鸿安|朱新书|邢赞品|邓永翠|刘永强