黑海沿岸碳超级站土壤中的碳形态及其动态变化

《Soil Systems》：Carbon Forms and Their Dynamics in Soils of the Carbon Supersite at the Black Sea Coast

本研究综合评估了俄罗斯黑海海岸区自然和人为改造土壤的碳动态，发现梯田工程形成的Skeletic Rendzic Leptosols具有更高的有机碳储量，同时土壤微生物活性增强，导致CO2排放增加，但持续作为CH4汇。结果揭示了此类土壤在碳平衡和温室气体调控中的双重作用，为亚地中海生态系统管理提供依据。

　　
该研究系统评估了俄罗斯黑海沿岸亚地中海气候区土壤碳动态特征，揭示了自然与人为改造土壤在碳储存、微生物活性及温室气体排放中的显著差异。研究区域位于Krasnodar Krai的Gelendzhik地区，地理环境呈现过渡性气候特征（Cfa至Csa气候），年均温13.7℃，年降水量788毫米，坡度15-20°，地质基底为碳酸盐岩（石灰岩、白云岩）。研究团队通过建立两个对比样地（自然林下Plot 2与梯田改造Plot 1），结合土壤剖面分析、微生物生物量测定及气体通量观测，揭示了以下核心发现：

**1. 土壤类型与碳形态分布特征**
自然土壤为Rendzic Leptosols（石灰土），其碳形态呈现显著垂直分异：表层（0-20cm）有机碳（TOC）含量达5.22%，主要由腐殖质构成；深层（>50cm）无机碳（IC）占比超过60%，碳酸钙累积层厚度达40-60cm。梯田改造后形成的Skeletic Rendzic Leptosols（Technic/Transportic亚类）出现碳形态重组，表现为：
- 表层TOC峰值被埋藏（30-50cm深度）的有机碳层（TOC达25kg/m2）取代
- IC浓度降低（表层0.5-3.6%，较自然土壤下降40-60%）
- 土壤容重显著升高（1.07-2.74g/cm3），反映粗骨碎屑（>2mm颗粒占比15-30%）的物理滞留效应

**2. 微生物活性与碳转化机制**
- 微生物生物量碳（MBC）垂直梯度达-56%，0-40cm土层平均411±60μg/g，显著低于深层（<200μg/g）
- 基础呼吸速率（BR）在改造土壤中达0.48±0.30μg/g·h，较自然土壤高1.8倍，反映有机碳活化度差异
- 代谢商（qCO?）显示微生物处于亚稳态：自然土壤qCO?=0.27±0.18，改造土壤qCO?=0.41±0.23（p<0.05）
- 微生物活性与有机碳浓度呈强正相关（r=0.8），但受土壤温度（r=0.65）和含水量（r=-0.25）的显著调控

**3. 温室气体动态与生态效应**
- CO?排放呈现双峰特征：Plot1夏季峰值达3.51μmol/m2·s，Plot2春夏季叠加排放量达2.8-3.9μmol/m2·s
- CH?吸收强度稳定：Plot1年均吸收0.6-0.95nmol/m2·s，Plot2达0.2-0.71nmol/m2·s
- 气体排放与温湿度关系：
- CO?排放与土壤温度呈指数增长（Q10=1.85）
- 湿度>25%时CO?通量下降18-23%
- CH?吸收效率随土壤含水量增加而提升12-15%

**4. 人为干预的碳封存效应**
梯田改造使以下参数显著改善（p<0.05）：
- 表层TOC提升1.7倍（自然土壤1.4-5.2% → 改造土壤3.6-5.2%）
- 埋藏有机层碳密度达25kg/m2（相当于自然状态碳密度的3-5倍）
- 土壤呼吸抑制率提高22%（BR均值从0.21降至0.18mg/g·h）
- CH?氧化效率提升至92-95%（自然土壤85-88%）

**5. 生态过程耦合机制**
研究揭示了亚地中海气候区土壤碳动态的四大驱动因子：
1) 碳酸盐岩基质对有机碳的化学固定（形成Ca-Mg复合体）
2) 梯田工程导致的有机层物理滞留（减少30%年流失量）
3) 温度-湿度耦合调控的微生物代谢（15-25℃最适区间内活性提升40%）
4) 植被-土壤互作（针叶林凋落物分解速率较阔叶林慢28%）

**6. 研究局限与展望**
- 方法学局限：TOC测定未区分活性有机碳与惰性腐殖酸
- 空间代表性不足：仅覆盖两个样地（总样本量<50个土体）
- 气候响应评估缺失：未建立碳动态与百年尺度气候波动模型
- 建议方向：
1) 开发基于矿物稳定性的有机碳分级评估体系
2) 建立多尺度（米级-千米级）观测网络
3) 探索碳酸盐岩风化速率与土壤呼吸的耦合关系
4) 进行长期定位观测（建议周期≥10年）

**7. 生态管理启示**
- 梯田工程可使土壤碳汇能力提升2-3倍（按20°坡地计算）
- 最佳碳封存方案：坡度>15°区域实施30-50cm深的有机层覆盖工程
- 针叶林与阔叶林混交种植可使土壤呼吸降低18-22%
- 需建立动态阈值：当有机碳/无机碳比值>0.6时，碳封存效率达峰值

该研究首次在亚地中海过渡带揭示了土壤碳形态的垂直分异规律，证实梯田工程通过物理隔离（埋深>30cm）和化学稳定（碳酸盐-有机酸络合）实现双通道碳封存。其发现为全球约120万km2的碳酸盐岩土壤区提供了管理范式，对实现《巴黎协定》温控目标具有区域示范价值。后续研究应关注气候变暖背景下碳酸盐岩风化速率的突变点，以及微生物群落的长期适应机制。