不同恢复情景下土壤溶解性有机质的动态：基于深度梯度、团聚体粒径分级及植被属性的见解

《CATENA》：Soil dissolved organic matter dynamics across restoration scenarios: insights from depth gradients, aggregates size classes, and vegetation attributes

　　

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  植被恢复增加了土壤 DOC，遵循乔木 > 灌木 > 草本的梯度。
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  土壤深度使 DOM 从表土的类富里酸转变为深土的类蛋白。
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  大团聚体富集微生物 DOM，而微团聚体保留类富里酸 DOM。
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  在同一恢复模式下，植被属性显著控制土壤 DOM。

引言

将农田大规模转化为多年生植被已在世界范围内广泛实施，作为一种缓解土壤退化和增强区域生态系统碳封存的有效措施。植被恢复重塑了土壤有机质 (SOM) 的输入、转化和封存模式 (Wang et al., 2011)。然而，土壤总有机碳 (SOC) 往往无法捕捉 SOM 对植被恢复的响应 (Lehmann and Kleber, 2015)。相比之下，溶解性有机质 (DOM) 是 SOM 中最活跃且流动性最强的组分 (Bolan et al., 2011)。DOM 连接了植物来源的输入、微生物处理和矿物相关封存，其组成和生物有效性是表征土壤碳库稳定性的核心指标 (Neff and Asner, 2001)。因此，理解 DOM 在不同维度上的来源、组成和空间分异对于准确评估生态恢复期间的碳封存潜力至关重要。

由于多种环境因素的控制，土壤 DOM 在浓度和组成上表现出显著的空间变异性。其中，气候条件，特别是年均气温和降水，通过影响植物凋落物输入和微生物分解速率来调节 DOM 的生产 (Ren and Cai, 2025; Zhou et al., 2024)。土壤理化性质通过吸附 - 解吸机制显著调节 DOM 的稳定性和迁移潜力 (Kaiser and Guggenberger, 2000)。地形因素通过调节局部水热状况和植被分布格局进一步加剧 DOM 的动态变化 (Peterson and Lajtha, 2013)。作为有机质输入的直接来源，植被类型与上述因素紧密耦合 (Li et al., 2019)。

许多研究已广泛量化了植被恢复模式、土壤深度和土壤团聚体大小对 DOM 特征的影响。不同的植被恢复模式（草本、灌木、乔木）直接决定了土壤 DOM 的初始输入特征，这取决于差异化的凋落物质量和根系分泌物化学计量特征 (Jackson et al., 1996)。例如，木本植物通常输入更多富含木质素、难降解的组分，而草本植物可能提供更多微生物易于利用的活性碳源 (Cotrufo et al., 2015)。随着植被恢复的进行，植物 - 微生物相互作用及其对分解和重新合成过程的调节进一步影响土壤 DOM 的生产和命运。沿土壤剖面，环境梯度和微生物演替驱动 DOM 的分子分馏 (Roth et al., 2019)。先前的研究也报告了半干旱地区半干旱土壤中 DOM 随深度变化的系统性变化 (Li et al., 2019)。

除了恢复模式和土壤深度的影响外，团聚体大小决定了 DOM 与矿物表面的接触机会并控制物理保护的程度 (Kpemoua et al., 2022)。土壤大宏观团聚体通常富含新鲜植物残体，相关的 DOM 主要为植物来源，特征是周转快；而土壤微团聚体由于矿物 - 有机复合物的强结合，吸附和保存了更多具有稳定化学性质的微生物来源 DOM 组分 (Six et al., 2004)。很少有研究探讨植被属性（包括根系架构、恢复模式和功能性植被类型）在共同植被恢复模式下调节土壤过程中的作用。然而，即使在相同的恢复模式下，凋落物化学性质、冠层结构和根系来源输入的种间差异也可以产生独特的根际和土壤表面微环境，导致土壤 DOM 化学组成和空间分布的显著异质性 (Kalbitz et al., 2000; Ma et al., 2024)。

尽管上述研究为理解土壤 DOM 的空间分异模式和机制提供了基础，但几个关键的科学问题仍未得到充分阐述。现有工作大多集中于单个因素，因此无法完全解释恢复模式、垂直运输、团聚体结构和植被特异性输入如何交互调节 DOM 的数量和组成 (Zhong et al., 2019)。此外，恢复土地类型通常被视为内部均匀单元，这掩盖了植被属性对土壤 DOM 特征的修饰作用，限制了植物 - 土壤反馈的深入见解以及碳汇评估准确性的提高 (Jia et al., 2021)。此外，很少有研究整合光谱指数、荧光组分和路径建模来识别 DOM 稳定的直接和间接调节途径。这一知识空白限制了植物 - 土壤反馈的机制理解，并可能导致评估恢复引起的碳稳定性的不确定性。

鉴于此，本研究在具有代表性的生态恢复地点进行，涵盖四种模式，反映了植物功能特征和恢复途径的关键对比，即草本、灌木和乔木恢复，以及作为对照的传统坡耕地。草本地点的特征是对比鲜明的根系架构（直根系与须根系），灌木地点的特征是恢复模式的差异（自然恢复与人工种植），乔木地点的特征是对比鲜明的功能性植被类型（落叶阔叶与常绿针叶），而农田作为对照。在每个地点从上层、中层和下层（即 0–20 cm，30–50 cm 和 60–80 cm）采集土壤样品，并进一步分为三种土壤团聚体大小（即土壤微团聚体 (MIA, < 0.25 mm)，小宏观团聚体 (SMA, 0.25–2 mm) 和大脑观团聚体 (LMA, > 2 mm)）。土壤溶解性有机碳 (DOC) 含量和 DOM 光谱特征通过紫外 - 可见光谱法和三维激发 - 发射矩阵荧光光谱法测定。本研究旨在解决以下核心科学问题：(i) 土壤 DOC 含量和 DOM 特征如何随对比鲜明的植被恢复模式、土壤深度和团聚体大小类别而变化，以及这些变化是否反映了这些因素的交互作用而非独立作用；(ii) 在其他恢复模式可比的情况下，植被特异性生物属性是否驱动了独特的 DOM 特征；(iii) 植被、垂直土壤异质性和团聚体结构的综合影响如何支配土壤 DOC 含量和 DOM 特征的调节。与以前将恢复模式视为均匀单元或孤立考察单个控制因素的研究不同，本研究同时考虑了植被属性、土壤深度和团聚体大小层级，允许将植被特异性影响与更广泛的环境控制区分开来。这种方法为支配 DOM 生产、垂直再分布和稳定的过程提供了新见解。

章节摘要

研究区域和样地设置描述

研究区位于直方沟流域，是中国黄土高原典型的丘陵沟壑区 (图 1)。流域面积约 8.27 km²，海拔从 1010 到 1431 m。其以典型的黄土丘陵沟壑地形为特征，具有梁峁特征，地面破碎度为 63.2% (Chen et al., 2023; Li et al., 2013)。研究区具有暖温带半干旱大陆性季风气候。年均

土壤 DOC 含量变化

土壤 DOC 含量随植被恢复模式、土壤深度、团聚体大小和植被属性而大幅变化。植被恢复模式和土壤深度是影响土壤 DOC 含量的主导因素 (P < 0.001) (表 1)。在上层 (TL)、中层 (ML) 和下层 (BL) 中，不同植被恢复模式下的 DOC 含量总体遵循乔木 (247.25 ± 101.19 mg·kg^?1, 131.32 ± 46.46 mg·kg^?1, 75.09 ± 31.34 mg·kg^?1) > 灌木 (113.00 ± 20.65 mg·kg^?1, 77.00 ± 21.53 mg·kg^?1,

土壤 DOC 含量的多维空间变化

总体而言，恢复后土壤 DOC 含量显著增加，遵循乔木恢复模式 > 灌木恢复模式 > 草本恢复模式 > 对照的顺序 (图 2)。这种增加与有机质输入通量和化学质量的差异密切相关。与对照相比，草本 - 灌木 - 乔木恢复模式下的凋落物和根系生物量大大增加 (表 S8 和 S9)，为土壤 DOC 提供了持续来源 (图 S3)。

结论

针对干旱和半干旱地区农田弃耕后的生态恢复，本研究通过综合光谱技术系统阐明了土壤 DOM 演化模式。我们的发现证实，土壤 DOM 动态受到恢复模式、植被属性、土壤深度和团聚体结构的共同调节。DOM 储量及腐殖化程度遵循乔木 > 灌木 > 草本的顺序。乔木模式以富含外源输入为特征，

CRediT 作者贡献声明

Zi-xin Wang: 写作 – 原稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。 Hao Wang: 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，方法论，形式分析，概念化。 Ren Geng: 写作 – 审阅与编辑，资源，资金获取，概念化。 Qing-wei Zhang: 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，调查，形式分析。 Dong-xu Wu: 调查。 Guo Chen:

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了 国家自然科学基金 (42477377, 42477362) 的支持。

Zi-xin Wang|Hao Wang|Ren Geng|Qing-wei Zhang|Dong-xu Wu|Guo Chen|Jian Wang|Ming Li