长期增温下增加的地下碳分配减少土壤碳损失：高山森林土壤碳循环的18年观测

《Global Change Biology》：Increased Belowground Carbon Allocation Reduces Soil Carbon Losses Under Long-Term Warming

　　本研究通过长达18年的土壤增温实验（+4°C），揭示了高山森林土壤碳循环对全球变暖的响应机制。研究发现，增温持续刺激土壤CO2排放（约13%·°C?1），但土壤有机碳（SOC）储量未显著下降。通过放射性碳（14C）年龄分析，证实增温促进了根系碳输入，从而补偿了SOC矿化损失。这一发现表明，植物地下碳分配策略可缓解变暖引发的土壤碳损失，对预测森林土壤碳-气候反馈具有重要意义。

　　

引言

森林土壤储存了全球约730 Pg的有机碳，相当于大气碳库的80%。全球变暖可能通过加速土壤有机碳（SOC）矿化导致正气候反馈，但长期增温对森林土壤碳平衡的影响尚不明确。欧洲碳富集的高山森林土壤尤其易受变暖影响，因其升温幅度预计高于全球平均水平。本研究基于奥地利北石灰岩阿尔卑斯山脉Achenkirch实验站近18年的土壤增温实验（雪季外增温+4°C），综合碳通量、碳储量和同位素数据，探讨了变暖对土壤碳循环的长期影响。

材料与方法

实验设计为配对样地，12个2 m×2 m样地分为6个区块，分别于2005年和2008年开始增温。通过埋设加热电缆实现雪季外土壤恒温增温+4°C。定期测量土壤CO₂通量、根系呼吸、SOC浓度与储量、溶解性有机碳（DOC）通量及放射性碳同位素（Δ¹⁴C）。利用三室模型（凋落物、细根、SOC）模拟碳年龄分布，并结合土壤温度、湿度等环境因子进行统计分析。

结果

土壤CO₂通量与根系呼吸

增温使年均土壤温度升高1.5°C–2.8°C，土壤CO₂通量持续显著增加（13.4%·°C^?1），且18年内未出现适应性下降。累计增温导致的CO₂-C排放量达3.03 kg C m^?2。细根呼吸在增温条件下升高50%–90%，但相同温度下无差异，表明根系呼吸对温度敏感但未 acclimation。DOC淋溶通量无显著变化。

SOC储量与放射性碳特征

2019年SOC储量数据显示，增温样地0–20 cm土层SOC储量降低0.9 kg C m^?2，但差异不显著。放射性碳分析表明，增温使10–20 cm土层SOC平均年龄从664年降至460年，显示碳库"年轻化"。模型模拟进一步证实增温增加了年轻碳比例，尤其在深层土壤。

讨论

增温对土壤呼吸的长期影响

与其他森林增温实验中呼吸响应逐渐减弱不同，本研究中CO₂通量持续升高，表明土壤中存在可矿化碳库。根系呼吸的强烈响应（贡献约40%总通量）和细根生物量增加表明自养呼吸主导长期通量变化。异养呼吸虽在实验后期因微生物磷限制而受抑制，但未抵消自养呼吸的增幅。

地下碳分配补偿SOC损失

增温未影响地上凋落物输入，但细根生物量、周转率和碳分泌物增加，导致地下碳输入增强。计算表明，额外根系碳输入（0.07 kg C m^?2·年^?1）可平衡因异养呼吸增强导致的SOC损失（1.8 kg C m^?2），解释了SOC储量稳定性。

高山石灰性土壤的碳循环特性

中性pH、高碳酸盐含量和生物扰动促进了SOC快速周转（控制样地平均年龄312年）。增温通过促进深层根系碳输入实现SOC更新，但碳富集表层（0–10 cm）因老旧碳比例高，对输入碳的保留能力较低。

结论

长期土壤增温虽持续刺激土壤呼吸，但通过增加植物地下碳分配（细根与菌根输入），可部分补偿SOC矿化损失。钙质高山森林土壤的碳库对变暖的脆弱性低于预期，强调了地下碳循环过程在调节土壤碳-气候反馈中的关键作用。未来需结合养分有效性（如磷限制）和菌根动态，进一步量化植物-微生物互作对碳分配的调控机制。