《Solid Earth Sciences》：Multivariate proxy-based analysis of the trade-off between active and stable soil organic carbon pools in typical planted and natural forests on the eastern Loess Plateau
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本研究在黄土高原东部典型集水区，对比分析了30年以上人工林（白皮松、国槐、 Robinia pseudoacacia）与天然次生林在植被属性、土壤属性及土壤碳动态上的差异。通过2640个土壤样本的测定发现，自然林表层活性与稳定碳库均较高，而深层稳定碳占比更高。PLS-PM模型表明，植被属性（如树高、生物量、冠层覆盖）直接影响稳定碳库，通过改变土壤性质（如容重）间接影响活性碳库。研究结果为黄土高原及类似生态区的碳管理提供科学依据。
冯天娇|刘卓|郝晓珍|孔京津|王平|王立新
中国林业科学院林业研究所林业生态国家重点野外观测研究站，北京林业大学水土保持学院，北京100083，中国
摘要
为了增强生态系统的碳封存能力，黄土高原实施了长期的植被恢复项目。然而，长期植被恢复后活性碳库与稳定碳库之间的权衡关系仍不清楚。了解这些动态对于准确评估恢复效益和指导森林管理决策至关重要。因此，本研究旨在量化长期植被恢复过程中活性碳库与稳定碳库之间的权衡关系，并确定植被特征和土壤性质在调节土壤碳稳定性中的相对作用。在本研究中，我们调查了黄土高原东部一个典型流域的土壤碳稳定性，该流域已有超过30年的植被恢复历史，包括三个人工林——油松、侧柏和刺槐——每个林分均由单一树种主导，以及一个天然次生林。我们在多个生长季节（2020–2023年）测量了0–200厘米土层中的植被特征、土壤性质和13种土壤碳组分，共采集了2640个土壤样本。将土壤碳组分分为活性碳库和稳定碳库，以评估长期植被恢复后的碳稳定性变化。研究结果表明：（1）与人工林相比，天然次生林在表层土壤（0–40厘米）中的活性碳库和稳定碳库含量更高，而深层土壤（40–200厘米）的稳定碳含量较高，总碳含量较低；（2）权衡分析显示，随着有机含量的增加，活性碳在所有植被类型中占主导地位，这表明恢复后碳稳定性可能会发生变化；（3）偏最小二乘路径模型（PLS-PM）表明，植被特征（如植物高度、生物量、冠层覆盖度）显著影响稳定碳，同时通过改变土壤性质（如容重）间接影响活性碳。这些发现强调了植被特征和土壤性质在管理生态系统碳稳定性中的重要性，对黄土高原及其他类似环境的碳管理具有启示意义。
引言
在生态脆弱的地区，如黄土高原，由于人类活动和自然因素（如严重的土壤侵蚀、频繁的干旱和低植被覆盖度），土壤碳库遭受了严重退化（Chen等人，2007年；Schw?rzel等人，2020年）。为了恢复和保护土壤碳库，实施了大规模的植被恢复项目以增强生物碳封存（Poeplau等人，2017年；Chen等人，2020年；Granata等人，2021年）。土壤碳稳定性指的是土壤碳库的持久性和对干扰的抵抗力（Yang等人，2019年；Xu等人，2021年）。活性碳组分（如轻质有机碳LFOC和颗粒有机碳POC）易于微生物分解，对环境条件变化敏感（Yang等人，2020年），在短期碳循环和生态系统生产中起关键作用。相比之下，稳定碳（包括重质有机碳HFOC、矿物相关有机碳MOC和难降解溶解有机碳RDOC）更耐微生物降解，对长期土壤碳储存有显著贡献（Jilling等人，2025年）。这些稳定组分对于提高土壤碳库对干扰的抵抗力和支持长期碳封存至关重要（Schw?rzel等人，2020年；Matos等人，2022年）。鉴于全球环境和气候变化的背景，理解和维持土壤碳稳定性对于生态系统可持续性和减缓气候变化影响至关重要（Yang等人，2019年；Wang等人，2022年）。
植被恢复在增强碳封存方面的作用已有充分研究，但其对土壤有机库的活性状态和稳定状态的影响及其权衡和协同作用仍知之甚少（Frederick等人，2022年；Feng等人，2025年）。权衡指的是活性碳库与稳定碳库之间的反向关系，即一个库的增加可能导致另一个库的减少。这种权衡是概念性的，反映了植被恢复过程中两种碳库主导地位的转变。协同作用则指两个碳库的同时增加，这并非本研究的重点，但可以在未来的研究中考虑。尽管许多研究表明植被恢复改变了土壤性质、下层植被特征和有机质动态，但对于不同植被类型（特别是人工林和天然林的长期恢复）如何影响土壤碳库的动态，尤其是活性碳与稳定碳组分之间的差异，了解仍然有限（Sulman等人，2016a；Zhao等人，2019年；Jiao等人，2021年）。此外，积累的生物量和改善的植被特征有助于植被恢复期间的碳封存（Matos等人，2022年；de Carvalho等人，2023年）。这种稳定效应对于提高土壤碳库对环境干扰的抵抗力、从而支持生态系统可持续性至关重要（Shang等人，2013年；Zhao等人，2016年；Min等人，2022年）。然而，研究表明植被演替可以通过改善土壤性质来增强土壤碳（Wang等人，2009年；Fang等人，2016年；Zhang等人，2022年），从而促进碳循环过程（Hartley和Ineson，2008年；Huang等人，2019年；Deng等人，2022年）。
尽管植被恢复得到了广泛实施，但在理解长期恢复过程中活性碳库和稳定碳库的演变方面仍存在差距（Crouzeilles等人，2017年；Huang等人，2019年；Witzgall等人，2021年）。虽然已经开发了分类系统来区分不同的碳组分（Wang等人，2018年），但很少有研究整合了植被恢复对活性碳库和稳定碳库动态的影响。许多研究忽略了这些碳库之间的潜在重叠，导致数据解释和统计分析的一致性不足（Castellano等人，2015年；Chen等人，2021年；Lei等人，2022年）。因此，使用更全面、综合和基于多变量的方法来评估土壤碳库的活性和稳定趋势至关重要（Liao等人，2022年）。此外，植被恢复影响这些碳库的途径仍需进一步研究（Liebmann等人，2022年；Peng等人，2023年）。分析活性碳组分与稳定碳组分之间的相互作用是理解林业生态系统碳动态的一个新兴研究方向（例如，天然植被或人工林的恢复）。
本研究旨在通过探讨长期植被恢复后土壤中活性有机碳库与稳定有机碳库之间的权衡关系来填补这些空白。本研究的关键创新在于对比分析了长期（30年）人工林与天然林之间的土壤碳库动态。我们强调土壤碳库之间的“权衡趋势”，即随着植被恢复的进展，从稳定碳库向活性碳库的主导地位转变。这种趋势是概念性的，反映了碳循环的变化，而非精确的定量关系。具体来说，我们假设植被恢复类型影响生态系统内的资源分布，从而影响土壤碳的生物地球化学过程，最终决定碳库的稳定性。本研究的目标是：（1）比较不同长期典型植被类型之间的土壤性质、植被特征和土壤碳稳定性的差异；（2）研究长期植被恢复后活性有机碳与稳定有机碳之间的权衡；（3）探讨植被特征和土壤性质对生态系统内土壤碳稳定性的影响和作用途径。本研究将为黄土高原等全球脆弱地区的碳保护和森林管理提供科学见解。
研究区域
研究地点
研究地点位于蔡家川流域（110°39'-110°47'E，36°14'-36°18'N），属于冀县森林生态系统国家野外观测研究站，位于黄土高原典型的残积高原上，海拔900–1513米（图1）。蔡家川流域是黄土高原东南部的一个具有高度代表性的区域，位于黄河中游。
土壤碳组分和垂直深度变化
天然次生林中的土壤碳组分含量高于人工林（图2a-f和图S1）。在不同深度的比较中，表层土壤（0–40厘米）的变异性总体高于深层土壤（40厘米以下，图2g-l）。具体来说，油松人工林和天然次生林中的LFOC和HFOC含量显著高于其他人工林（图2a-d）。植被类型对土壤性质和植被特征的影响
研究结果表明，与人工林相比，天然林通常提供更有利于土壤碳（图2）、土壤性质（图3）和植被特征（图4）（Wang等人，2018年；Feng等人，2025年），这进一步证明了基于自然的恢复策略对生态系统恢复有益。具体而言，天然林中较低的容重（BD）和沙含量可能改善了土壤结构，增强了物质循环和通气性，从而支持...结论
植被类型对植被特征、土壤性质和碳含量有显著影响。天然林的下层植被覆盖度和生物量通常大于人工林。此外，天然林表现出更优越的土壤性质，包括较低的容重（BD）和沙含量，以及较高的阳离子交换容量（CEC），表明其土壤结构和养分保持能力优于人工林。这些差异表明...
作者贡献声明
孔京津：可视化、验证、方法论、调查、正式分析。王平：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、概念化。王立新：撰写——审稿与编辑、软件、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念化。冯天娇：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42371114）和中央高校基本科研业务费（编号：QNTD202508）的资助。我们非常感谢华南植物园的博士后研究员Sadiq Khan博士，他精通土壤生态学，并帮助编辑了我们的手稿语言。我们还要感谢山西省冀县的森林生态系统研究国家观测研究站的支持。
