【Global Change Biology】In-N-Out:理解和預測土壤碳儲存與氮循環(huán)的層次框架
發(fā)布時間:
2024-04-23
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【參考文獻】
(2021)?In-N-Out: A hierarchical framework to understand and predict soil carbon storage and nitrogen recycling. Glob Change Biol??27: 4465-4468.


https://doi.org/10.1111/gcb.15782
? ??土壤在應對氣候變化中發(fā)揮著至關重要的作用。通過適當的管理,土壤可以顯著促進大氣中碳的吸收。然而,土壤產生的溫室氣體排放也可能引發(fā)強烈的正反饋效應,加劇全球變暖。土壤碳(C)積累的一個關鍵挑戰(zhàn)是需要氮(N),但添加氮肥會對氧化亞氮(N2O)排放以及大氣和水污染產生連鎖反應。因此,我們需要深入了解并建立模型,以預測氣候和土地利用變化對土壤碳氮生物地球化學的影響,從而為解決方案、政策制定和投資提供指導。全球都在期待生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學家為大規(guī)模共同管理土壤碳和氮儲量提供建議。我們是否準備好迎接這一挑戰(zhàn)?在全球范圍內,需要增加植物向土壤的碳輸入,減少微生物碳礦化導致的土壤碳輸出,同時維持氮礦化和內部氮循環(huán),以支持植物生產力并避免對環(huán)境造成有害影響。我們是否知道在哪里以及如何實現這些目標?? ? 隨著生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學領域的成熟,我們深入理解了陸地生態(tài)系統(tǒng)中相互關聯的碳(C)、氮(N)和水循環(huán)。我們能夠清晰地闡述并建模這些循環(huán)耦合與解耦背后的許多機制。然而,生態(tài)系統(tǒng)的復雜性和其運作的多樣化條件阻礙了我們對這些機制如何相互作用以驅動新興過程和模式的預測。解開土壤碳儲存和氮循環(huán)如何在特定地點和特定土地利用方式下響應氣候變化是一個重大挑戰(zhàn)。我們需要一個全面的理論框架來解決這一挑戰(zhàn),而且為了真正實現變革,這個新框架必須被定量地轉化為可驗證的數學模型,這些模型能夠準確地再現從極地到熱帶地區(qū)的生物地球化學動力學。? ? 一系列近期的發(fā)展正在推動我們在生態(tài)系統(tǒng)尺度上建模和預測土壤碳和氮過程的能力取得突破。首先,我們對土壤有機質(SOM)動力學的機理理解取得了重大進展(Basile-Doelsch et al標點符號重復!2020),這促使了新一代基于可測量庫和通量的SOM模型的發(fā)展(Zhang?et al標點符號重復!2021及其中的參考文獻)。然而,這些進展主要集中在碳方面,對氣候變化和碳可用性對生態(tài)系統(tǒng)土壤氮動力學變化的理解還相對較少。其次,人們越來越關注次表層土壤(即表層以下約20-30厘米或A層以下的土壤)的SOM動力學,這些土壤持有超過一半的SOM總量,但尚未被明確納入大多數生態(tài)系統(tǒng)模型。最后,大規(guī)模研究和觀測網絡的建立為跨生態(tài)系統(tǒng)和土壤深度的實證和概念模型的參數化和測試提供了數據和樣本,創(chuàng)造了令人興奮的新機遇。? ? 基于當前的理解,我們提出將我們的MEMS框架,將植物輸入與微生物處理和與礦物相關的SOM形成聯系起來發(fā)展為一個新的更廣泛的概念性和定量框架(Cotrufo et al標點符號重復!2013)。我們的In-N-Out框架確定了土壤碳和氮循環(huán)中控制因素的層次性和互動性結構(如圖1a所示)。我們預計資源限制將是生物地球化學過程的主要約束因素。植物與微生物活動限制是土壤碳儲存和氮循環(huán)的關鍵決定因素,在微生物和動物生物量以及土壤中有機物質庫的相對固定的碳氮比范圍內,驅動碳和氮循環(huán)的動態(tài)耦合與解耦(Cleveland & Liptzin ,2007)。我們的框架代表了多個可以通過可量化指標進行實證檢驗的假設(如圖1b所示),并可在生態(tài)系統(tǒng)模型中進行表示?(e.g標點符號重復!Zhang et al標點符號重復!2021)。? ? 我們對大塊土壤碳儲存的理解已經取得了顯著的進步(Basile-Doelsch et al標點符號重復!2020;Wiesmeier et al標點符號重復!2019)。然而,盡管我們現在能夠在不同的空間尺度上識別出土壤有機碳的驅動因素,但我們仍然缺乏一個跨越不同生態(tài)系統(tǒng)的控制因素的層次結構。我們認為,這些特定的控制因素是氣候、植被和土壤特性之間相互作用的結果。特別是,我們預期在極端氣候條件下,氣候將是首要的總體控制因素,但在中等濕潤氣候條件下,植被、微生物和土壤特性將成為直接驅動因素(如圖1a所示)。? ? 在土壤中,有機碳和氮高度交織在一起。有機碳儲存在無數不同的化學化合物中,其中許多化合物含有氮,或者通過需要氮的微生物活動形成。此外,SOM每單位碳含氮量高于植物生物質。因此,土壤有機碳儲存與氮的可用性有關,可能導致氮在土壤有機質中的固定,并對植物生產力產生反饋。相反,當氮的供應超過植物和微生物的需求時,碳和氮循環(huán)就會解耦,導致氮從系統(tǒng)中流失。如果將土壤有機質大致分為顆粒有機質(POM)和礦物結合有機質(MAOM)兩個庫,可以更好地描述土壤有機質的儲存、形成、持久性及其對氮可用性和干擾的響應?(Lavallee et al標點符號重復!2020)。輕質POM主要來源于植物,因此含有許多低氮含量的結構性碳化合物。它能在土壤中持久存在(<50年),這是因為微生物通過各種機制(包括POM固有的生物化學抗性、團聚體中的物理保護以及其他氣候和環(huán)境約束,如溫度、水、氧氣或營養(yǎng)物質的限制)抑制分解。MAOM中微生物產物的比例更高,且富含氮。它能在土壤中持久存在(10~1000年),這是因為與礦物質的化學結合以及在細團聚體中的物理保護。我們假設,在生態(tài)系統(tǒng)尺度上,POM的相對積累反映了微生物的限制,并導致氮可用性的限制(例如,沼澤土壤),而MAOM的相對主導則反映了植物生產力的限制以及氮循環(huán)的開放(例如,干旱土壤;圖1a)。當植物輸入與微生物輸出保持平衡時,POM和MAOM的比例相等,從而維持土壤碳儲存并回收氮以維持生產力。此外,大塊土壤、POM和MAOM的碳氮比可以作為碳儲存氮需求的代理指標(圖1b)。? ? 穩(wěn)定同位素可用于量化土壤內氮的循環(huán)與流失程度。土壤中15N:14N同位素的自然豐度相對于大氣中的N2已被用作陸地氮循環(huán)動態(tài)的指標,因為氮損失途徑(硝化作用、反硝化作用和氨揮發(fā))會使較重的15N同位素分離,而生物固氮則不會(Hogberg,1997)。因此,土壤有機質的15N富集程度可以作為氮循環(huán)開放程度(圖1b)或碳氮循環(huán)解耦程度的代理指標。較熱、較干燥的氣候往往比較冷、較濕潤的環(huán)境具有更開放的氮循環(huán)(Amundson et al標點符號重復!2003)。在氣候區(qū)域內,植被可以通過不同的植物氮獲取策略影響土壤δ15N。植被更有可能影響POM中氮含量比例較大的土壤中的總δ15N,這反映了較新且未經過多處理的凋落物輸入,而不是MAOM中氮含量比例較大的系統(tǒng),后者經過微生物轉化并更穩(wěn)定地富集15N。我們預計微生物受限、以POM為主的土壤,其15N富集程度將低于植物輸入受限、以MAOM為主的土壤(圖1a)。然而,對于不同土壤深度下這些多重驅動因素對陸地系統(tǒng)氮循環(huán)的相對結構及其與土壤碳動態(tài)的相互作用,目前的分析還很有限,這導致了一個重要的知識空白。? ? 我們也假設(圖1a)地下SOM的動態(tài)本質上是碳輸入受限的,并且更多地受到土壤特性(如質地和礦物學)的影響,而不是氣候的影響(Mathieu et al標點符號重復!2015)。心土和表土的理化性質和生物性質差異顯著,盡管表土和心土之間的確切界限可能因土壤類型而異,但有越來越多的證據表明,土壤碳和氮儲存和循環(huán)的模型應分別考慮表土和心土?(Zhang et al標點符號重復!2021)。心土通常具有較低的有機質含量,其14C年齡比地表大數千年,C/N比更低,且重C和N同位素的天然豐度高于表土(Rumpel & Kogel-Knabner ,2011)。與表土相比,心土的微生物生物量和活性較低,且心土微生物更多地依賴SOM作為碳源,而不是新鮮植物輸入。深層SOM被認為主要由微生物產物構成。植物輸入有限,木質素和POM一般不會在心土中積累,盡管據報道深層木質素的損失率較低。這些發(fā)現表明,深層SOM的回收率更高。此外,當使用脫礦質劑(即氫氟酸)處理心土時,它們損失的碳比例遠高于表土,這表明深層礦物結合的程度更高(Rumpel & Kogel-Knabner ,2011)。? ? 我們鼓勵利用世界各地生態(tài)系統(tǒng)的大型數據集,通過提議的代理指標(如圖1b所示)以及其他方法,測試這一C和N循環(huán)控制層次框架。我們希望In-N-Out框架能夠幫助推進對氣候、土地覆蓋以及土壤碳氮循環(huán)之間反饋機制的理解,從而讓我們更準確地預測氣候和土地利用變化對土壤生物地球化學的影響,為解決方案、政策制定和投資提供指導。