热带雨林转为橡胶林通过植物木质素与微生物残体差异积累重塑土壤有机碳固持

《Journal of Environmental Management》：Conversion of tropical rainforest to rubber plantations reshapes soil organic carbon sequestration through divergent accrual of plant lignin and microbial residues

　　

摘要：热带森林正以惊人速度被破坏并转为乔木 plantations（人工林），对土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）循环产生重大影响。尽管土壤有机碳形成机制对可持续土地管理至关重要，但森林转人工林如何调控植物源与微生物源SOC仍不清楚。本研究以中国西南热带雨林转橡胶林时间序列（树龄9、21及37年）为对象，利用木质素酚类（lignin phenols）和氨基糖（amino sugars）作为生物标志物评估SOC来源并识别其关键驱动因子。木质素酚类和氨基糖浓度均与总SOC呈正相关，且随土壤深度显著增加下降。雨林转幼龄橡胶林使0–40 cm土层SOC降低43%、木质素酚类降低18%、氨基糖降低7%。两类生物标志物池均随橡胶林林龄增长呈上升趋势，可能由植物凋落物与根系输入增加及微生物对木质素降解减弱所驱动。木质素酚类主要受植物属性（如根生物量）和非生物土壤因子（如养分有效性）调控，而氨基糖积累与微生物属性关系更密切。值得注意的是，橡胶林土壤中氨基葡萄糖:胞壁酸（glucosamine:muramic acid）比值低于雨林土壤，表明微生物残体组成发生偏移，可能影响微生物源SOC的长期持久性。微生物残体对SOC的贡献为植物源碳的5.2–9.3倍，凸显微生物途径在SOC形成中的主导作用。此外，雨林转橡胶林（不论林龄）降低了植物源碳对SOC的相对贡献，提高了微生物源碳（尤其是细菌残体）的相对贡献。综上，热带森林转橡胶林伴随SOC组成的显著改变，包括植物源与微生物源碳的初始损失及可能降低持久潜力的微生物残体池组成变化。研究结果强调需采取能促进SOC恢复及关键碳组分长期持久保存的橡胶林管理措施。

本文解读发表于《Journal of Environmental Management》的研究论文"Conversion of tropical rainforest to rubber plantations reshapes soil organic carbon sequestration through divergent accrual of plant lignin and microbial residues"，由Xia Yuan、Xiaoyi Cai、Xiai Zhu与Wenjie Liu（中国科学院西双版纳热带植物园热带森林生态实验室）完成。

热带土壤储存了全球土壤碳库的16%–26%，但原始森林向人工林（特别是热带地区橡胶林）的大面积转化被认为导致土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）显著下降。传统观点认为植物木质素是难分解SOC的重要来源，近年研究则强调微生物残体碳（microbial residue carbon, MRC，以氨基糖为示踪物）同样是稳定SOC的主要组成部分。然而，热带森林转人工林如何差异化影响植物源（木质素酚类 lignin phenols）与微生物源（氨基糖 amino sugars）SOC组分的垂直分布、随林龄的恢复过程及其驱动因子尚缺乏实证。研究人员以中国西南西双版纳热带雨林（tropical rainforest, TR）转橡胶林时间序列（young plantation YP=9年、middle-aged plantation MP=21年、old plantation OP=37年）为对象，通过生物标志物定量区分植物源与微生物源碳，探讨土地利用转变和林龄对SOC形成途径的影响及主控因素，以填补热带人工林土壤碳累积机理的认识空白。

主要技术方法：研究人员采用空间代时间法（space-for-time substitution）选取热带雨林（TR）及同龄序列橡胶林（9年、21年、37年）各3个重复样地采集0–10 cm、10–20 cm、20–40 cm土层土壤。测定土壤有机碳（SOC）、总氮、有效磷及pH等理化性质；以碱性CuO氧化-气相色谱法测定木质素酚类（丁香醛/香草醛/对羟基酚类及对香豆酸、阿魏酸）表征植物源碳；以盐酸水解-高效液相色谱法测定氨基糖（氨基葡萄糖 glucosamine/GluN、胞壁酸 muramic acid/MurA、半乳糖胺）估算真菌与细菌残体碳（MRC = GluN×真菌换算系数 + MurA×细菌换算系数）；结合磷脂脂肪酸（phospholipid fatty acid, PLFA）分析微生物群落组成及β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（ACP）活性；运用方差分析、冗余分析（RDA）及相关性分析识别不同碳源组分的关键环境驱动因子。

研究结果

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  Stand characteristics and soil properties（林分特征与土壤性质）：与TR相比，幼龄橡胶林（YP）显著降低根系生物量、林下凋落物量及表层（0–10 cm）SOC、全磷（total phosphorus, TP）、NO₃^?-N与NH₄⁺-N含量。上述指标沿橡胶林时间序列（YP→MP→OP）逐步升高，至中老龄林（MP、OP）接近或达到较高水平，表明随林龄增长植物碳输入与部分土壤养分有所恢复。
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  Soil enzymatic activities and microbial communities（土壤酶活性与微生物群落）：TR转橡胶林降低表层土β-1,4-葡萄糖苷酶（β-1,4-glucosidase, BG）与酸性磷酸酶（acid phosphatase, ACP）活性，提高N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D-glucosaminidase, NAG）活性（YP除外）。总PLFA及细菌PLFA下降，真菌PLFA变化较小，导致真菌/细菌（F/B）PLFA比值在橡胶林中高于TR，反映微生物群落结构随土地利用转变发生改变。
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  Effects of forest conversion on SOC, lignin, and amino sugar accrual（森林转换对SOC、木质素与氨基糖积累的影响）：TR转橡胶林（不分林龄）使0–40 cm剖面SOC下降约43%；YP阶段木质素酚类降18%、氨基糖降7%，二者均随橡胶林龄增长呈恢复趋势。木质素酚类浓度与根系生物量及凋落物量显著正相关，受非生物因子（TP、NO₃^?-N、NH₄⁺-N、pH）调控；氨基糖积累则与微生物生物量（PLFA）、NAG活性及F/B比值关联更紧密。橡胶林中GluN/MurA低于TR，说明残体组成偏向细菌残体增加。经计算，微生物残体碳占SOC比例为植物源木质素碳的5.2–9.3倍；TR转橡胶林降低了植物源碳相对贡献（占SOC%），提高了微生物源碳（尤指细菌残体碳）相对贡献。

讨论与结论翻译：本研究量化了热带雨林转橡胶林时间序列中SOC及其主要生化来源（木质素酚类与氨基糖）的变化并阐明其调控机制。雨林转换引发幼龄橡胶林总SOC、木质素酚类与氨基糖立即且大幅降低，该初始碳损失与植物源有机质输入减少及微生物木质素降解增强密切相关；随橡胶林成熟，两类生物标志物池部分恢复，但微生物残体组成（较低GluN/MurA）的改变可能削弱其长期稳定性。木质素积累主要由植物属性（根生物量）及非生物土壤因子（养分有效性）控制，微生物残体碳积累则主要受微生物群落属性调控。TR转橡胶林（无论林龄）降低植物源碳对SOC的相对贡献，增加微生物源碳（尤其细菌残体）相对贡献，微生物途径主导SOC形成。Conclusion原文翻译——本研究发现热带雨林转为橡胶林伴随SOC组分的显著改变，包括植物源与微生物源碳的初始损失及可能降低持久潜力的微生物残体池组成变化，强调需推行能促进SOC恢复及关键碳组分长期持久保存的橡胶林经营管理措施。