混交密度调控杉木人工林土壤有机碳矿化及其温度敏感性的微生物机制

《Trees, Forests and People》：Converting Chinese fir plantations into mixed stands: Effects of density on soil organic carbon mineralization and its temperature sensitivity

为应对单一树种人工林土壤碳库稳定性下降的问题，研究人员开展了将杉木人工林改造成不同密度混交林对土壤有机碳矿化及其温度敏感性影响的研究。通过室内培养实验发现，低密度混交显著提升了表层土壤微生物生物量碳和β-1,4-葡萄糖苷酶活性，并在25-35°C下表现出最高的矿化速率；而高密度混交林在25-35°C温度区间表现出更高的温度敏感性(Q10)。研究表明，低密度混交林通过改善碳质量和微生物效率增强土壤碳固存潜力，为全球变暖背景下人工林碳管理提供了重要理论依据。

　　

在全球气候变化背景下，森林生态系统作为重要的碳汇，其土壤有机碳的稳定性备受关注。杉木作为中国亚热带地区主要的人工林树种，长期连续栽种导致土壤退化、有机质积累减少等问题日益突出。将单一树种人工林改造成混交林被认为是提升土壤碳固存能力的有效策略，然而不同混交密度如何通过影响土壤微生物活动和碳组分来调控有机碳分解过程及其对温度升高的响应机制，尚不明确。

这项发表在《Trees, Forests and People》上的研究，通过设置高、中、低三种混交密度处理，结合15°C、25°C和35°C的室内培养实验，系统探究了混交改造对土壤有机碳矿化及其温度敏感性的影响机制。研究发现，低密度混交林显著提高了表层土壤微生物生物量碳和β-1,4-葡萄糖苷酶活性，促进了易分解碳的转化；而高密度混交林在高温条件下(25-35°C)表现出更高的温度敏感性，这与土壤磷有效性增强和氧化酶活性升高密切相关。

研究采用室内培养法测定不同温度下的土壤有机碳矿化速率，通过一级动力学模型计算潜在矿化量(C₀)和温度敏感性系数(Q₁₀)；测定土壤碳组分包括微生物生物量碳、可溶性有机碳和易氧化有机碳；分析碳循环相关酶活性包括β-1,4-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、酚氧化酶和过氧化物酶；运用方差分解分析明确影响矿化过程的主导因子。

3.1. 土壤有机碳及其组分和碳分解酶活性的变化

混交林改造显著改变了土壤碳组分分布，低密度混交林在全土层具有最高的微生物生物量碳和易氧化有机碳含量，而高密度混交林在表层土壤表现出较高的过氧化物酶活性。这些变化表明不同混交密度通过调控碳组分质量和酶活性来影响碳循环过程。

3.2. 土壤有机碳矿化速率和累积释放特征

土壤有机碳矿化速率随土壤深度增加而降低，但随温度升高而增加。低密度混交林在25-35°C的表层土壤中矿化速率最高，表明其具有更活跃的碳循环过程。累积碳释放量在杉木纯林中最高，特别是在25-35°C的亚表层土壤中。

3.3. 土壤有机碳矿化潜力和温度敏感性

杉木纯林在25-35°C表现出最高的潜在矿化量，而中密度混交林的矿化潜力最低。温度敏感性分析显示，在15-25°C区间，杉木纯林具有更高的Q₁₀值；而在25-35°C区间，高密度混交林表现出更高的温度敏感性，这种差异与碳组分质量和养分有效性密切相关。

3.4. 矿化后土壤碳组分、微生物代谢熵和碳分解酶活性的变化

矿化实验后，低密度混交林显著降低了微生物代谢熵，表明微生物碳利用效率提高。高密度混交林则促进了氧化酶活性，表明微生物对顽固碳的分解能力增强。有效磷在高温条件下成为影响矿化过程的关键因子。

3.5. 土壤有机碳矿化速率和温度敏感性的驱动因子

方差分解分析表明，在0-20厘米土层，易氧化有机碳和可溶性有机碳是调控Q₁₀(15-25°C)的主要因子，解释了89.0%的变异；而在20-40厘米土层，有效氮是影响Q₁₀的主要驱动因子。土壤磷有效性在高温条件下对矿化过程的贡献显著增加。

研究结论表明，将杉木纯林改造成混交林显著改变了土壤碳循环过程，但这种影响具有明显的密度依赖性。低密度混交通过提高微生物碳利用效率和促进易分解碳转化，增强了土壤碳固存能力；而高密度混交虽然增加了碳储存，但在变暖条件下可能通过激发效应促进顽固碳分解，增加碳释放风险。这些发现为亚热带人工林碳管理提供了重要启示：采用适当的混交密度可以有效协调碳固存与碳稳定性之间的关系，为应对气候变化背景下的人工林经营提供了科学依据。