科尔沁沙地造林与水分调控对土壤CH4和CO2排放的介导机制

《Journal of Environmental Management》：Soil CH 4 and CO 2 emissions mediated by water and afforestation in Horqin Sandy Land

　　

土壤CH4和CO2排放受水分与造林的介导——以科尔沁沙地为例 摘要：所有造林土壤均表现为CH4汇，其中Ps、Pm、Ps+Pm和Pm+Cm表现出最强的吸收能力，这与较高的pmoA丰度和较低的mcrA/pmoA比值相关。30%的田间持水量（WHC）通过改善土壤通气性增强了CH4氧化，而60%的WHC则显著刺激了CO2排放。即使在CO2排放升高的情况下，混交林（Ps+Pm和Pm+Cm）仍维持了较高的CH4吸收速率，而在所有恢复类型中，Cm的CO2排放量最高。

一、研究背景与科学问题

大气温室气体浓度持续上升是全球气候变化的主要驱动力。甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）是最关键的两种温室气体，尽管CH₄年排放总量远低于CO₂，但其百年增温潜势是CO₂的28倍，是一种强效短期气候强迫因子。CO₂因其巨大的排放基数和长期累积效应，贡献了超过三分之二的辐射强迫，是长期气候变化的首要驱动因素。据IPCC（2023）报告，大气CO₂和CH₄浓度较工业化前分别增加了约47%和156%，共同贡献了约74%的增强温室效应。土壤在碳循环中扮演着源与汇的双重角色，微生物活动通过厌氧条件下产生CH₄和有氧条件下氧化CH₄，深刻影响着温室气体的产生与消耗。

造林被认为是增强陆地生态系统碳汇能力、缓解大气CO₂升高的关键过程。然而，其净气候效益十分复杂，因为造林活动会同时改变区域水文过程和土壤微环境，可能诱发非预期的温室气体效应。水分是连接造林与温室气体排放的核心纽带，它通过调节土壤氧气条件直接控制微生物代谢途径。干旱、半干旱生态系统约占全球陆地面积的三分之一，对气候变化和人为干扰高度敏感。科尔沁沙地是中国四大沙地之一，位于农牧交错带，是典型的半干旱生态脆弱区。尽管长期生态恢复显著提升了该区域的植被覆盖和土壤碳储量，但不同造林模式下干旱胁迫调控土壤CO₂排放和CH₄氧化的潜在机制尚不清楚，这给评估此类干预措施的净气候效益带来了不确定性。

为此，本研究选取了五种具有代表性的35年生恢复森林类型：柠条（Caragana microphylla Lam., Cm）、小叶杨（Populus simonii Carr., Ps）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica Litv., Pm），以及两种混交林（Ps+Pm和Pm+Cm），并以流动沙丘（Sd）作为对照。旨在系统阐明以下两个关键问题：（1）造林类型和水分梯度如何通过mcrA/pmoA指标交互调控土壤碳矿化和CH₄氧化功能？（2）土壤含水量如何主导不同造林类型下CO₂排放与CH₄吸收之间的权衡关系，哪种混交配置能最优地平衡这一关系？

二、主要技术方法

研究人员在科尔沁沙地选取了一个恢复35年的代表性样地，采集了六种植被覆盖类型（Sd、Cm、Ps、Pm、Ps+Pm、Pm+Cm）0–20 cm深度的土壤样品。通过实验室恒温（25±1°C）暗培养实验，设置30%和60%两种田间持水量（WHC）处理，历时60天。采用气相色谱法（Agilent 7890，配备FID检测器）测定CH₄和CO₂排放速率。利用定量PCR（qPCR）技术检测产甲烷菌功能基因（mcrA）和甲烷氧化菌功能基因（pmoA）的丰度。采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）检验造林类型、水分含量及其交互作用对各指标的影响，并使用线性回归分析探讨环境因子与气体排放之间的关系。

三、研究结果

3.1 土壤化学性质

与流动沙丘（Sd）相比，35年造林恢复显著提高了土壤总有机碳（TOC）、全氮（TN）和电导率（EC）。在所有造林类型中，Ps+Pm的TOC含量最高（13.06 g kg^?1），较Sd（5.08 g kg^?1）增加了157%。Ps和Ps+Pm的TN含量较高，分别较Sd增加85%和106%。造林还显著降低了土壤容重（BD）和pH值，其中Pm最低。经过60天培养后，60% WHC处理显著提高了土壤溶解性有机碳（DOC）和溶解性有机氮（DON）含量。Ps+Pm在培养期间维持了相对较高的DOC水平，而Pm和Pm+Cm始终显示最低的pH值。

3.2 土壤CH₄和CO₂排放

除Sd表现为弱CH₄源外，所有造林土壤均为CH₄汇。Ps、Pm、Ps+Pm和Pm+Cm显示出显著高于Cm的CH₄吸收速率。30% WHC条件下的累计CH₄吸收量显著高于60% WHC。造林类型与水分含量之间存在显著的交互效应。对于CO₂排放，所有造林均显著增加了土壤CO₂排放。Cm的CO₂排放速率最高，其次是Ps、Pm和混交林。60% WHC普遍促进了CO₂排放。值得注意的是，Ps+Pm和Pm+Cm表现出“高碳周转、高CH₄氧化”的协同特征，即在维持较高CO₂排放的同时保持强大的CH₄吸收能力。而Pm+Cm的累计CO₂排放显著低于纯林。

3.3 微生物功能基因

造林显著提高了pmoA基因丰度，其中Ps、Pm和Ps+Pm的促进作用最强。所有造林类型均显著降低了mcrA基因丰度和mcrA/pmoA比值。Cm虽然也抑制了mcrA丰度，但仍高于其他造林类型。Ps+Pm拥有最低的mcrA丰度和最小的mcrA/pmoA比值，表明其微生物群落结构发生了向CH₄汇的显著转变。将水分从30%提升至60% WHC，显著提高了pmoA丰度，同时抑制了mcrA丰度和mcrA/pmoA比值。线性回归分析显示，CH₄排放速率与DOC、DON、EC和pmoA呈显著负相关，与pH、mcrA和mcrA/pmoA呈显著正相关；而CO₂排放速率与DOC、DON和EC呈正相关，与pH呈负相关。

四、讨论与结论

研究表明，土壤含水量是调控不同造林恢复方式下碳循环过程的关键因素。60% WHC通过促进有机质的物理解吸和生化转化，显著提高了DOC和DON含量。混交林（尤其是Ps+Pm）凭借更高的土壤TOC和多样化的凋落物输入，维持了更持久的DOC供应。造林类型与水分含量的交互作用显著影响了CH₄和CO₂排放。混交林通过显著提高pmoA拷贝数并有效抑制mcrA表达，形成了pmoA主导的微生物群落结构，这是其高CH₄吸收能力的核心微生物机制。30% WHC通过改善气体扩散性增强了CH₄氧化效率，而60% WHC则因阻碍气体扩散和形成厌氧微域而降低了净CH₄吸收。Ps、Pm及其混交林在不同水分条件下均能维持高CH₄吸收，这归因于其发达的根系系统和稳定的土壤团聚体结构所维持的良好孔隙连通性和氧气扩散能力。对于CO₂排放，Cm因较高的DON和TN含量而表现出最高的排放量。Pm+Cm通过植物多样性带来的凋落物质量和根系分泌物的异质性，以及固氮灌木Cm对氮有效性的提升，降低了碳排放强度。

结论： 水分含量与造林遗留效应的相互作用在塑造沙地生态系统碳循环中起着关键作用。干旱胁迫通过改善土壤通气性增强了CH₄氧化，而60% WHC通过缓解微生物水分胁迫刺激了CO₂排放。在所有恢复类型中，Ps+Pm是最优的恢复模式，表现出最高的TOC和TN积累、最低的mcrA/pmoA比值以及在两种水分条件下持续的高CH₄吸收能力。这些特性使Ps+Pm能够最大化碳固存，同时维持强大的CH₄汇功能。这些发现为恢复实践提供了清晰的微生物学依据，支持推荐Ps+Pm造林作为科尔沁沙地及类似半干旱沙地区实现碳固存与温室气体减排双重目标的有效策略。