中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所在多元素耦合控制土壤能量持留方面取得進(jìn)展
物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)是驅(qū)動(dòng)生態(tài)系統(tǒng)形成演化的最基本過程。能量在生態(tài)系統(tǒng)中的傳輸與分配是單向的，且依靠物質(zhì)循環(huán)過程進(jìn)行，而物質(zhì)循環(huán)則具有多向性和往復(fù)性。長期以來，生物地球化學(xué)研究中重點(diǎn)關(guān)注碳、氮、磷等生源要素的循環(huán)過程，忽視了組成生態(tài)系統(tǒng)的多要素之間的耦合特征，且與能量流動(dòng)間的關(guān)聯(lián)研究較少，這導(dǎo)能量流動(dòng)與物質(zhì)循環(huán)的研究脫節(jié)。
生態(tài)系統(tǒng)中植物通過光合作用固定太陽能以供給消費(fèi)者。植物死亡后其殘?bào)w輸入形成土壤有機(jī)碳庫，并構(gòu)成土壤中主要的能量來源。因此，土壤有機(jī)碳可視為能量的儲(chǔ)存庫和周轉(zhuǎn)池，其大小與有機(jī)碳自身特性與多元素循環(huán)密切相關(guān)。然而，土壤持留能量的能力受何種因素調(diào)控？其與多元素耦合及有機(jī)碳自身特性有何關(guān)聯(lián)？相關(guān)科學(xué)問題尚未有解答。
東北地理所濕地生物與環(huán)境學(xué)科組研究人員，以長白山為研究對(duì)象，系統(tǒng)調(diào)查并對(duì)比分析長白山不同海拔及植被帶中土壤與枯落物熱值、土壤有機(jī)碳分子特性與多樣性、土壤多元素耦合組成特征，揭示了多元素耦合與有機(jī)碳分子特征對(duì)土壤能量持留能力的控制機(jī)理。
研究結(jié)果表明：長白山土壤（Qs）及枯落物（Ql）中平均能量水平分別為565 cal/g和3799 cal/g，Qs/Ql（Qr）比例在6.28%~43.65%之間變化，平均為14.74%。不同植被帶Qs和Ql之間差異顯著。應(yīng)用熱裂解-氣質(zhì)聯(lián)機(jī)解析土壤有機(jī)碳分子結(jié)構(gòu)特征，長白山土壤中共鑒定出635個(gè)分子結(jié)構(gòu)，有機(jī)質(zhì)分子多樣性（SHID）1.81~4.17范圍內(nèi)變化，針葉林中SHID顯著低于其他植被帶。通過計(jì)算12種元素的耦合系數(shù)（MEC）發(fā)現(xiàn)，MEC在5.25~24.56間變化，平均為9.88（Fig.1）。
Fig.1 ANOVA analysis of soil properties,Qs,Ql and QR. Different letters meant differences at a significant level.
相關(guān)分析表明，海拔與Ql、MEC與Qr和Qs、SHID與Qs均呈正相關(guān)（表1），MEC與Qs相關(guān)系數(shù)最高，海拔與Ql相關(guān)系數(shù)最低，SHID僅與Qr呈正相關(guān)。本研究首次報(bào)道山地生態(tài)系統(tǒng)中Qs隨海拔高度存在顯著差異，并證實(shí)SOC含量與Qs呈顯著正相關(guān)（圖2a），尤其是有機(jī)質(zhì)蘊(yùn)含的能量值（定義為SOC含量表示的熱值，Qsc，單位為KJ/gC）隨海拔高度顯著增加（圖2b）。
Table 1 Correlations between Qs, Ql, Qr and environmental factors
Fig.2 Linear regression between SOC and Qs, between Qsc and elevation. Different shapes and colors represented samples from different zones.
VPA分析證實(shí)MEC對(duì)Qs的影響最大，MEC可單獨(dú)解釋Qs變化的19%， MEC與環(huán)境因素（海拔和pH）結(jié)合可以共同解釋20%的Qs變異性（圖3a）。環(huán)境因素或SHID單獨(dú)對(duì)Qs變異的解釋能力相對(duì)較低，分別為9%和1%，而MEC、SHID和環(huán)境因素聯(lián)合可解釋60%的Qs變異性。SEM模型顯示海拔、MEC和SHID均對(duì)Qs具有正效應(yīng)，其大小順序?yàn)?/span>MEC>海拔>SHID（圖3b）。
Fig.3 Impacts of MEC, SHID, and environmental factors on energy store in soils. The Fig.4a was explored based on the VPA analysis, which numbers in circles meant the exploration of variables on Qs and Qr, and numbers in where the circles meet reflected the combinations of two or three variables. The Fig.4b showed the SEM model that reflect direct or indirect effects of variables on Qs. Black line colors meant positive effects while the red color meant negative effects. Line width reflected absolute effect values. Numbers on the lines were path coefficients. * and *** indicated the significant level at p<0.05 and p<0.001, respectively.
本研究將SOC視為能量的攜帶者與儲(chǔ)存池，首次揭示土壤中多元素耦合對(duì)能量固持具有主要調(diào)控作用，可深化生物地球化學(xué)研究中物質(zhì)循環(huán)與能量傳遞之間耦合機(jī)理的認(rèn)識(shí)。研究成果近期在線發(fā)表于農(nóng)林科學(xué)領(lǐng)域重要期刊Catena上，論文由濕地生物與環(huán)境科學(xué)科組桑孌碩士研究生、張仲勝研究員（通訊作者）等共同完成。該研究得到國家自然科學(xué)基金（U20A2083）等共同資助。
論文信息：Sang L, Zhao WW, Wu HB, Jiang S, Zhang ZM, Zhang ZS, Wu HT. Multiple element coupling and molecular-chemical diversity of organic matter control how much energy is retained in soils in mountain ecosystems. Catena, 2024, 247: 108548.
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816224007458?dgcid=author
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