细尺度地形异质性调控永久冻土林土壤有机质分解的温度敏感性

《CATENA》：Fine-scale topographic heterogeneity regulates the temperature sensitivity of SOM decomposition in permafrost forests

　　配对的北/南坡样带量化了细尺度地形对土壤呼吸速率及其温度敏感性的影响。北坡的土壤呼吸速率显著高于南坡，且沿细尺度地形梯度呈递减趋势。坡向与细尺度高程和坡度显著交互作用，共同影响温度敏感性。温度敏感性在北坡沿细尺度梯度增加，在南坡则沿梯度降低。未来碳汇评估应纳入细尺度地形因素。**引言**复杂地形在全球范围内广泛分布，涵盖从高海拔山脉和高原到低山丘陵等多种地貌类型。这种地形复杂性重塑了太阳辐射、温度和水分在空间上的分布格局，形成了高度异质的局部微气候。这些微气候对植被分布格局、土壤养分循环和微生物群落结构产生深远影响，并可在区域尺度上形成海拔分带现象。土壤作为连接植物输入与微生物分解的关键界面，对地形驱动的水热异质性作出响应，在调节生态系统碳循环中发挥着核心作用。因此，阐明复杂地形下的土壤碳过程，是理解陆地碳循环细尺度空间异质性的关键切入点。土壤是陆地生态系统中最大的碳库之一，全球土壤储存约1500–2400 Pg碳，超过大气碳储量的三倍。土壤有机质分解是继总初级生产力之后陆地碳循环中第二大通量过程，每年向大气释放约68–80 Pg碳。在气候变化条件下，温度是土壤有机质分解的主要调控因子。其效应通常以温度敏感性来表示，这是连接土壤碳动态与气候反馈的关键参数。多年冻土森林约占北半球面积的25%，储存839–1208 Pg碳，由于永久冻土融化和高温度敏感性，对增温尤为敏感。然而，这些景观通常以缓坡为主，具有显著的细尺度地形异质性，而这一特征尚未被充分纳入当前对土壤碳动态的理解和建模中。这种忽视很可能是当前土壤碳汇评估中不确定性的一个重要来源。尽管人们对地形影响土壤碳过程的认知日益增加，但仍存在一些关键空白。大多数以往研究聚焦于大尺度海拔梯度，而忽视了广泛存在于多年冻土区的低山丘陵景观中的细尺度地形。细尺度地形在多大程度上调节温度敏感性而不仅仅是分解速率，目前所知甚少。不同坡向代表了本质不同的微气候，这些效应是否以及如何在不同坡向间产生差异仍不清楚。解决这些空白需要一个明确的机制框架，将细尺度地形与微气候、微生物活性和底物可用性联系起来，这些共同调控土壤有机质分解及其温度敏感性。细尺度地形通过影响辐射输入、能量平衡和水分再分配来调节土壤温度和湿度。在多种地形因子中，坡向对局部热环境具有主导控制作用。在北半球，北坡通常更凉爽且热稳定性更强，而南坡接受更高的辐射输入并经历更大的温度变率。这些差异表明，北坡的土壤有机质分解可能主要受温度限制，而南坡则逐渐受水分和底物可用性的制约。各坡向内部细尺度的高程和坡度变化可能进一步调节水热条件，改变微生物、底物和非生物因素对温度敏感性相对重要性的排序。因此，我们假设细尺度地形通过影响微环境间接调控土壤有机质分解及其温度敏感性，且这些路径在不同坡向间存在系统性差异。据此，本研究考察了复杂地形下多年冻土森林中土壤有机质分解及其温度敏感性的空间异质性，重点关注坡向、细尺度高程和坡度的交互效应。我们回答了以下两个问题：（1）土壤有机质分解速率及其温度敏感性在北坡和南坡之间是否存在显著差异？（2）在各坡向内部，细尺度高程和坡度如何影响土壤有机质分解速率及其温度敏感性，其潜在机制是什么？为回答这些问题，我们在中国东北大兴安岭呼玛河区域的一个典型多年冻土山地森林流域开展了研究。在北坡和南坡上建立了配对的样带，在每个坡向内从坡脚到山顶的八个细尺度高程位置进行系统采样。利用PRI-ECO自动温控土壤通量系统，在10–30 °C范围内进行连续增温培养，以量化土壤有机质分解速率及其温度响应。我们旨在阐明细尺度地形如何在复杂地形的多年冻土森林中调控土壤碳分解及其温度敏感性，有助于识别对碳损失敏感的地形单元。我们强调，未来的土壤碳汇细尺度评估需要纳入细尺度地形因子。**各章节摘要****研究区**本研究在中国东北大兴安岭呼玛河区域的一个代表性小流域内的多年冻土森林中开展。该地区属于不连续多年冻土区，活动层厚度约为1.0–1.8 m。景观以低山和丘陵为主，相对高差约为50–200 m，地形复杂且差异显著。**坡向依赖的细尺度地形对植被、土壤理化性质和微生物特征的影响**植被生产力、土壤理化性质和微生物变量沿细尺度地形梯度呈现出坡向依赖的格局。在北坡，凋落物生物量密度随高程升高显著下降，而植被生物量密度未呈现明显的海拔变化趋势。相比之下，南坡的凋落物生物量密度和植被生物量密度均不随高程发生显著变化。**讨论**细尺度地形是全球复杂地形区域土壤过程空间异质性的关键决定因素。它可以通过调节微生物活性和土壤理化性质来影响土壤有机质分解速率及其温度敏感性。我们的研究表明，细尺度地形对不同坡向的土壤有机质分解及其温度敏感性产生了根本性不同的影响，导致在连续缓坡上形成了截然不同的空间格局。这些发现……**结论**本研究采用跨越细尺度地形梯度的配对北坡和南坡样带设计，揭示了在中国东北不连续多年冻土森林区域中土壤有机质分解及其温度敏感性的显著空间异质性。这为理解坡向依赖的地形调控如何影响土壤碳过程提供了新的认识。总体而言，土壤呼吸速率在北坡始终高于南坡，且沿细尺度地形梯度呈递减趋势。**作者贡献声明****刘成：** 论文撰写–审阅与编辑、论文撰写–初稿、研究方法、调查研究、形式分析、数据整理。**李杰：** 论文撰写–审阅与编辑、监督指导、调查研究、经费获取、概念构思。**徐丽：** 论文撰写–审阅与编辑、监督指导、调查研究、经费获取。**柴华：** 论文撰写–审阅与编辑、监督指导、调查研究、数据整理。**孙志虎：** 论文撰写–审阅与编辑、监督指导、调查研究、数据整理。**于聪：** 论文撰写–……**未引用参考文献**Frindte等人，2019Huang等人，2026Li等人，2021Li等人，2024Tong等人，2021Wang等人，2022**利益冲突声明**作者声明不存在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**本研究受中国国家重点研发计划、黑龙江省自然科学基金、中央高校基本科研业务费资助。