原文以 A field incubation approach to evaluate the depth dependence of soil biogeochemical responses to climate change 为标题发表在Global Change Biology上

作者 | 郭晓伟 等

翻译 | 曹大伟

土壤是陆地生态系统最大的有机质库，其中三分之二储存在0.2米以下的土壤中。这个有机质库的周转，调节着土壤肥力、植物生长和气候。

深入了解土壤有机质（SOM）循环过程以及如何响应气候变化，对于可持续性的土地管理和执行有效的气候行动至关重要。

土壤生物地球化学循环发生在三维非均质环境中，在土壤物理(例如，热和水分状况)、化学(例如，土壤养分有效性)和生物特性(例如，微生物功能和活性)方面，土壤剖面存在明显的纵向梯度。因此，不同的控制/机制可能会影响SOM在不同土壤深度的周转和持久性。

例如，由于底土SOM比表土SOM具有更强的团聚体保护和矿物吸附，因此底土SOM比表土SOM分解的更持久。其中一个原因是表土SOM主要由植物体产生的基质组成，而大多数底土SOM来自微生物残体，这些残体对矿化有更强的保护作用。此外，微生物群落和土壤有机-矿物相互作用都通过土壤剖面呈现纵向梯度，不同深度SOM成分和保护过程的差异，可能导致SOM分解对气候变化有不同响应。

评估不同深度的土壤生物地球化学过程对气候变化的响应，通常是在理想的实验室条件和人工气候条件下进行的。例如，对于土壤的碳循环，随着土壤深度的增加，温度敏感性会降低、不变或增加，这取决于土壤和培养条件。导致这种不一致的原因之一，是因为这种培养通常是破坏性的，破坏沿土壤剖面的微环境梯度和SOM的物理化学保护。野外增温试验提供了一种补充，具有减少土壤扰动的优势。然而，只有少数研究将变暖扩展到深层全土壤剖面，并评估特定深度的生物地球化学循环。此外，现有的气候变化处理实验，大多只关注一个或几个气候变量(如年平均气温和降水量)，而真实的气候变化是综合了各种复杂的气候变量的结果。建立和维护这种野外操作实验也是非常昂贵的。总的来说，我们需要新的方法量化评估不同深度土壤生物地球化学对气候变化的响应，并克服完整采样和监测的挑战。

在这里，我们提出了一种创新的方法，即在野外培养完整的土样。该方法在青藏高原东南部一个海拔2200m的样带中进行了验证，以验证与全土壤生物地球化学循环有关的两个局部假设。即，与深度相关的土壤剖面环境梯度不仅影响土壤碳矿化，而且影响土壤碳矿化对气候变化的敏感性。

该方法利用不同地点的自然气候差异来实现自然气候梯度。在不同气候条件下的站点提取完整的土核（soil core），然后在拥有不同环境气候的站点进行相互迁移(即在站点之间交换)和培养。该设计已用于研究土壤生物地球化学响应对气候变化的响应。

结合互换位置，设计土核（soil core）倒置处理，即将采样土壤分为两组，一组为正面朝上(即非倒置)，另一组为倒置。这种倒置保持了土核（soil core）的完整性，同时为来自相同深度的土层创造了不同的环境条件，从而能够评估土壤生物地球化学过程对深度的依赖性及其对气候变化的响应。

本研究的核心是介绍利用土核（soil core）倒置处理的野外培养方法。这种方法无损地改变了来自相同深度的土壤的位置，使来自相同深度的土壤具有不同的环境条件。因此，与不同气候地点之间的易位实验相结合，有可能分离土壤生物地球化学过程对气候变化响应的深度诱导效应。

结果表明，Rs对气候变化有显著的响应(p<.05)，但这种响应与深度无关。随着培养的进行，非倒置和倒置土核（soil core）的Rs对气候变化的敏感性增强，如果假设不稳定基质随着培养的进行而枯竭，则表明持久性土壤有机质(SOM)比不稳定组分对气候变化的脆弱性更高。这些结果表明，无论深度位置如何，全剖面SOM矿化都对气候变化敏感。

LI-8100土壤碳通量自动测量系统在本研究中的作用

测量培养土样的CO₂通量

在环境气候条件下，将1m深的土核（soil core）连同PVC管一起置于野外培养。在培养开始时，去除所有土样中的植物及植物凋落物。在将土核（soil core）重新安放并培养，稳定1个月后，使用自动土壤CO₂通量测量系统（LI-8100A, Li-Cor Inc.)测量CO₂通量，从2020年10月到2021年10月，每隔一个季度测量一次土样的CO₂外排通量(Rs，μmol CO₂ m⁻²s⁻¹)(除2021年4月因海拔4600米处有暴风雪和积雪太深没能测量外，共有5次测量)。由于腔室的直径(20厘米)大于培养土样的直径(3.7厘米)，因此使用了塑料衬垫，只允许CO₂从培养土样流出进入腔室。在测量二氧化碳排出量的前1天，去除土壤中可见的活植物和植物凋落物，以限制植物自养呼吸。测量时间为当天的上午9:00至下午16:00。

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原文中的主要数据图表