大氣二氧化碳濃度上升及全球氣溫升高都會加強(qiáng)植物的光合作用，提高凈初級生產(chǎn)力，進(jìn)而改變地上凋落物的數(shù)量和質(zhì)量，影響土壤有機(jī)碳的周轉(zhuǎn)。土壤有機(jī)質(zhì)的總體數(shù)量變化是一個長期的過程，可能要經(jīng)過成百上千年，而其化學(xué)組成變化可能在短期內(nèi)顯現(xiàn)。目前我們還不清楚土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組成是否受到短期內(nèi)（十年尺度）凋落物數(shù)量變化影響，尤其是在表層以下的土壤。
基于此，生物地球化學(xué)組王鑫博士利用野外控制實驗探究了溫帶地區(qū)落葉林土壤有機(jī)質(zhì)的化學(xué)組成對地上凋落物處理（加倍凋落物、去除凋落物和對照）的響應(yīng)及其潛在機(jī)制。結(jié)果表明，五年的地上凋落物數(shù)量處理并沒有顯著影響土壤有機(jī)碳和總氮的含量，但地上凋落物數(shù)量加倍處理相對于去除處理使10-20 cm 土壤有機(jī)碳中木質(zhì)素和次級脂肪酸的含量分別顯著提高了28.24%和42.42%（圖1），表明這些化學(xué)穩(wěn)定的化合物在10-20 cm土壤中被選擇性積累。五年的凋落物處理對微生物殘體標(biāo)志物氨基糖含量并沒有影響。相對于對照，地上凋落物加倍處理使得土壤微生物量碳、土壤微生物量氮含量分別顯著提高36.23%及54.09%（圖1），這主要是由于地上凋落物輸入增加使得基質(zhì)有效性（可溶性有機(jī)碳）和養(yǎng)分有效性（總可溶性氮）顯著提高，有利于微生物的生長繁殖。雖然微生物量的增加能加大有機(jī)碳的分解，但這一效應(yīng)并不能抵消加倍地上凋落物投入對土壤有機(jī)碳的正向影響，而是使土壤有機(jī)碳向更穩(wěn)定的化合組成轉(zhuǎn)變。另外，地上凋落物去除與地上凋落物加倍對土壤有機(jī)碳的影響并不完全相反，這表明在地上凋落物去除處理下，地下輸入能夠維持至少五年的土壤有機(jī)碳存儲量。經(jīng)凋落物處理五年土壤有機(jī)碳化學(xué)組成的變化表明，未來土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性和碳庫大小可能會發(fā)生變化，特別是在10-20 cm土壤而非與凋落物直接接觸的表層變化更為明顯，在未來的全球變化研究中應(yīng)引起重視。
以上研究成果以Aboveground litter addition for five years changes the chemical composition of soil organic matter in a temperate deciduous forest為題，發(fā)表在Soil Biology and Biochemistry上。王鑫為文章的第一作者，白娥教授為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項目，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的支持。
圖1. 不同凋落物處理中土壤木質(zhì)素(mg/100 mg OC)、次級脂肪酸(SFA，mg/100 mg OC)、微生物生物量碳(MBC，μg C/g土壤)和微生物生物量氮(MBN，μg N/g土壤)的含量。
