大氣硫沉降引起的土壤酸化已成為影響草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要全球變化問題。土壤酸化不僅影響植物生長和養(yǎng)分獲取,還可能通過改變植物光合碳分配格局進(jìn)一步調(diào)控土壤有機(jī)碳形成與穩(wěn)定。然而,植物在酸化脅迫下如何協(xié)調(diào)有限的光合碳資源在地下不同功能碳庫之間的分配,以及這種碳分配調(diào)整如何影響土壤碳循環(huán)過程,仍缺乏直接證據(jù)。
中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所沙地和退化草地近自然恢復(fù)與多功能提升創(chuàng)新組群依托額爾古納森林草原過渡帶生態(tài)系統(tǒng)研究站于2017年建立的草甸草地硫添加長期野外控制試驗平臺,于2023年植物生長季開展了原位13CO2脈沖標(biāo)記實驗,以追蹤植物新固定光合碳在地上部、根系、根際沉積物和土壤中的遷移分配過程,揭示植物地下碳庫間的權(quán)衡關(guān)系,定量解析酸化條件下植物地下碳分配策略及其對土壤碳積累的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),硫添加誘導(dǎo)的土壤酸化使植物地上部光合13C同化量降低30%–36%,降低根際沉積(13%–60%)和土壤(0.8%–51%)13C絕對分配量,但提高了植物向根系分配的光合碳比例(3%–52%)。根系13C與土壤13C呈負(fù)相關(guān),而與根系生物量及NSC呈正相關(guān),表明草原植物在酸化脅迫下優(yōu)先將有限的光合碳分配給根系生長、呼吸代謝和碳儲存,而減少根際沉積物的釋放,這種根系生物量與根際沉積的碳分配權(quán)衡機(jī)制是植物響應(yīng)和適應(yīng)土壤酸化的關(guān)鍵策略。土壤酸化還顯著抑制根際沉積碳輸入、微生物對植物來源碳的利用以及土壤有機(jī)碳分解過程。盡管酸化促進(jìn)了地下生物量積累,但土壤有機(jī)碳、顆粒態(tài)有機(jī)碳和礦物結(jié)合態(tài)有機(jī)碳含量均未發(fā)生顯著變化,一方面可能與根際碳輸入減少和SOC分解受抑制的雙重效應(yīng)有關(guān),另一方面,短期的干擾不足以影響SOC儲量。
該研究首次利用同位素示蹤技術(shù)系統(tǒng)揭示了草地植物應(yīng)對土壤酸化的地下碳分配策略,證實植物通過減少根際沉積碳釋放、增加根系生長與碳儲存投入來適應(yīng)酸化脅迫,并闡明了根系生長與根際沉積之間的碳分配權(quán)衡機(jī)制。研究深化了對大氣硫沉降背景下植物-土壤碳循環(huán)耦合過程的認(rèn)識,為預(yù)測未來全球變化條件下草地生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能提供了重要理論依據(jù)。研究成果以“Trade-off in carbon allocation between roots and rhizodeposition underpins plant adaptation to acidification in a meadow steppe”為題發(fā)表于Journal of Ecology期刊。中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所博士生尚譽(yù)為第一作者,河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院姜勇教授為通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金(32271677)等項目資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1111/1365-2745.70143

圖1 硫添加對脈沖標(biāo)記7天后莖葉、根系和土壤13C(a)絕對含量和(b)相對分配比例的影響

圖2 地下碳庫之間的相關(guān)性分析

圖3?硫添加誘導(dǎo)的土壤酸化對(a)莖葉、根系和土壤13C絕對含量的影響,(b)地下碳庫間的權(quán)衡關(guān)系的影響示意圖。虛線表示根系13C響應(yīng)硫添加量的閾值點




