喀斯特植被恢复背景下土壤固碳的微生物调控机制取得系列进展

　　

　　在高强度耕作扰动向大规模植被恢复转变背景下，我国西南喀斯特地区成为全球变绿的“热点区”，植被碳汇能力显著提升。但土壤固碳效应及驱动机制还缺乏充分认识，制约后期重大生态工程深入实施及土壤固碳增汇目标的实现。微生物在土壤固碳过程中起关键枢纽作用，它既能通过分解代谢向大气中释放碳，又能通过合成代谢将外源碳以微生物残体形式储存于土壤中。喀斯特碳酸盐岩快速风化参与生态系统物质循环，关键带各圈层物质循环快速、互馈作用显著，土壤微生物及矿物组成区别于非喀斯特区，进而可能影响土壤有机碳稳定和固持，但尚缺乏深入研究。

　　近日，中国科学院亚热带农业生态研究所王克林研究员团队在喀斯特植被恢复驱动的土壤微生物固碳机制方面取得系列进展。团队以黔桂典型水热梯度两种岩性背景（石灰岩和碎屑岩）森林生态系统为对象，同时以两种岩性长期耕作的旱地为对比。研究发现，微生物源碳（微生物残体碳）并不都是稳定存在的，未受保护的组分相对植物源碳更容易被分解利用。同时发现，植被恢复背景下，石灰岩比碎屑岩更有利于微生物源碳累积（高52-56%），并且受保护的微生物源碳（矿质结合态微生物残体碳）对温度变化的抵抗力更高。石灰岩通过调控钙、铁和微生物，促进微生物源碳累积和稳定。

　　对比耕地发现，长期耕作扰动显著损耗喀斯特土壤碳库，且降低了微生物源碳对温度变化的抵抗力。凸显喀斯特退化生态系统植被恢复对于提升土壤碳固定和稳定的重要性。将结果进一步将拓展到西南三省，发现在已有植被恢复背景下，即使喀斯特区域土壤体积远小于非喀斯特，其表层土壤（0-15cm）固定的微生物源碳仍显著高于碎屑岩，且受矿质保护的比例更高。

　　深入分析两种岩性背景下微生物群落结构、连接性和稳定性，发现喀斯特森林细菌和真菌多样性高于非喀斯特森林，且细菌和真菌群落之间的连接性和稳定性优于非喀斯特森林；进一步分析参与土壤养分循环的关键功能微生物固氮菌和丛枝菌根真菌，发现喀斯特植被恢复背景下固氮菌和丛枝菌根真菌相互作用增强，群落结构更稳定，有利于提高植物对土壤养分的吸收利用效率。

　　研究团队同时发现，喀斯特植被恢复驱动下，固氮菌和丛枝菌根真菌网络结构复杂度随温度和降雨的增加而增加，有利于维持生态系统的稳定性，抵消了区域温度增加加速土壤碳库分解的负面效应，并进一步验证了喀斯特高pH和高钙环境是植被恢复背景下微生物多样性和稳定性增加的主导因素。

　　系列研究结果揭示了喀斯特土壤固碳的微生物调控机制，证实气候变化背景下植被恢复在西南喀斯特区具有较大的土壤碳固定和稳定潜力，为喀斯特生态系统固碳增汇优化管理提供了重要依据。

　　在王克林研究员和张伟研究员指导下，相关研究成果分别发表在Soil Biology and Biochemistry、Science of The Total Environment、Forest Ecology and Management、Applied Soil Ecology上。上述研究得到了国家自然科学基金重点基金、区域联合重点基金以及广西自然科学基金等项目的支持。

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　　图1喀斯特（石灰岩）和非喀斯特（碎屑岩）植被恢复背景下微生物残体碳累积机制

　　图2 喀斯特与非喀斯特植被恢复背景下微生物群落结构及网络连接特征

 

　　图3 喀斯特人工恢复和自然恢复模式下固氮菌和丛枝菌根真菌网络结构与土壤性质、气候互作关系