老土壤有机质具有低碳氮比：基于Δ14C与土壤化学计量学的全球整合分析

《Global Change Biology》：Old Soil Organic Matter Has a Low Carbon:Nitrogen Ratio—A Global Meta-Analysis About 14C and Soil Stoichiometry

　　

土壤有机质（SOM）的持久性及其碳氮比（C:N）决定了陆地生态系统中氮（N）的长期固持。然而，SOM持久性与其C:N比之间的关系尚未完全阐明。基于全球土壤Δ¹⁴C数据集，研究人员检验了如下假说：SOM持久性与C:N比呈负相关，因为随着SOM年龄增加，N相对于碳（C）发生富集。研究结果表明，土壤Δ¹⁴C随C:N比降低而下降，证实了假设，即年老、持久的SOM具有较低的C:N比。Δ¹⁴C与C:N比的关系在C:N比约为13处存在断点，表明高C:N比的有机质分解迅速，而C:N比低于13的SOM分解显著减缓。在整个土壤剖面中，森林和灌丛土壤的Δ¹⁴C高于草地和农田土壤。在森林和灌丛的表土层中，高土壤Δ¹⁴C值与高C:N比相关，表明高C:N比的植物残体大量输入使这些生态系统表土层C:N比维持在较高水平。总之，本研究表明老SOM具有低C:N比，说明有机N相对于有机C在土壤中被优先保留。这些结果对元素循环和土壤C固持具有重要意义，因为它们揭示了N在土壤中的平均存留时间长于C，且若有机C在数百年尺度上固持量增加，将显著提高N的固持量。

**1 研究背景与问题**

土壤有机质是地球系统碳和氮的主要库，对土壤肥力和气候具有重要影响。SOM的持久性和C:N比共同决定了陆地生态系统中的长期氮固持，也影响初级生产的长期氮供应。土壤有机氮主要由蛋白质、肽、氨基酸、氨基糖和杂环化合物组成，富含氨基和羧基等官能团，对矿物表面具有高吸附亲和力。因此，有机氮化合物在分解过程中可能因矿物吸附而优先于有机碳被稳定下来，导致SOM的C:N比随年龄增长而下降。然而，SOM持久性与其C:N比之间的关系仍未完全解决。放射性碳测量（Δ¹⁴C）可以指示有机质的年龄，而国际土壤放射性碳数据库（ISRaD）的扩展为全球尺度的研究提供了机遇。研究人员基于该数据库检验了土壤Δ¹⁴C与C:N比正相关的假设，旨在阐明SOM持久性与化学计量学的关系。该研究发表在《Global Change Biology》。

**2 关键技术方法**

研究人员基于国际土壤放射性碳数据库（ISRaD，2.9.9版）进行全球整合分析，数据涵盖非洲、亚洲、欧洲、北美洲、大洋洲和南美洲。排除Andisol、Histosol和Gelisol等特殊土壤类型以及极端异常值后，最终数据集包含57项研究的1430个土壤层观测，其中森林819个、草地337个、农田175个、灌丛99个。研究人员采用线性回归和分段回归（R包segmented）分析Δ¹⁴C与C:N比的关系，运用t检验比较不同生态系统类型的差异，并以F记号（F notation）进行放射性碳含量的定量比较。

**3 研究结果**

**3.1 全球Δ¹⁴C与C:N比的整体关系**

全球数据分析显示，Δ¹⁴C与C:N比呈显著正相关（p < 0.001，R² = 0.14），但分段回归揭示二者关系存在断点：当C:N比为13.1、Δ¹⁴C为?12.6‰时，斜率从41.6（95%置信区间：36.2–46.9）陡降至0.6（95%置信区间：?2.0–3.3）。这表明C:N比高于13的有机质分解迅速，而低于13的SOM分解速率显著减慢。极低Δ¹⁴C（
**3.2 不同生态系统中Δ¹⁴C和C:N比的差异**

整个土壤剖面中，森林和灌丛土壤（木本植被）的Δ¹⁴C和C:N比均显著高于草地和农田土壤（非木本植被）。森林和灌丛表土C:N比相对于底部土层平均高1.9倍，而草地和农田为1.4倍；Δ¹⁴C的表土与底部差异倍数分别为1.8和2.2。高Δ¹⁴C值与高C:N比在森林和灌丛表土中同时出现，说明高C:N比的植物残体输入维持了这些生态系统表土的C:N比。

**4 讨论与结论**

**4.1 C:N比随SOM年龄增加而降低**
研究证实老SOM具有低C:N比，其原因最可能是有机氮通过官能团吸附于矿物表面而被优先稳定。蛋白质和氨基酸等含氮化合物与矿物的强相互作用使其分解速率低于其他有机化合物，导致N相对C在土壤中富集。随着SOM向下迁移，其不断老化并降低C:N比，但到达约100 cm深度后，C:N比变化趋于停滞。

**4.2 森林和灌丛土壤Δ¹⁴C较高**
森林和灌丛较高的Δ¹⁴C可能源于较高的初级生产力和较大的植物残体输入，而农田因地上生物量移出使有机质输入较低。高C:N比的植物残体输入使木本植被生态系统表土C:N比维持在较高水平，同时有机质在植被中的较长存留时间和较低的分解速率也共同影响了土壤Δ¹⁴C和C:N比。

**4.3 对元素循环和碳封存的意义**
N在土壤中的长期存留增加了其因侵蚀和胶体迁移而流失的风险，可能造成植物氮限制，因此N₂固定等氮输入对维持生态系统氮供应至关重要。研究结果表明，长期土壤C固持需要大量N，数十年至数百年尺度的有机碳固持增加将显著提高土壤氮固持量，可能减少植物可利用的氮。

**5 研究结论**
本研究表明，老SOM具有低C:N比，且Δ¹⁴C与C:N比正相关。SOM年龄增加伴随C:N比下降，说明N相对于有机C在土壤中被优先保留。C:N比与Δ¹⁴C关系的两种斜率表明：C:N比高于13的有机质化学计量变化快速，而低于13的变化缓慢。N在土壤中的平均存留时间长于C，这一发现对元素循环具有重要启示，因为它降低了N在生态系统内被有效循环利用的可能性。此外，研究结果提示，在数十年至数百年时间尺度上增加土壤有机碳固持量将显著提高土壤氮固持。