通过植被恢复促进土壤有机质积累是当前人类提升生态系统固碳及其可持续性的主要管理途径，但是植被恢复下土壤有机质积累的碳库稳定性机制及其与碳库及化学组成变化的关系认知非常有限。退化喀斯特土壤森林恢复下生态系统碳库快速提升，但土壤固碳去向及其与生态系统功能的关系不清。

研究方法

研究团队于2019年在贵州省安顺市普定县陈旗喀斯特小流域，选择了旱地（玉米）自然恢复为灌丛森林10年（RL10），20年（RL20）和40年（RL40）的喀斯特丘陵土壤样地，并与仍在耕种的旱地（CL）对照，分别采集表层土壤（0-10cm）原状土。采用水分散-湿筛和离心法分别分离制备土壤宏团聚体组（2000-250µm，MA）、微团聚体组（250-53µm，MI）和未团聚细颗粒（<53µm,SC），进一步通过密度分组分离出轻组分、粗颗粒态碳和细颗粒态碳，再分别采用Finnegan同位素质谱仪测定 ¹³C同位素丰度，采用连续提取-GC/MS测定生物标志物分子丰度，并结合¹³C固体核磁共振（NMR）分析有机碳的库分配、化学基团组成与分子组成，有机质的植被来源以及有机碳化学稳定性的变化。

研究结果

（1）与耕地土壤（CL）相比，森林恢复10年，20年和40年后，林地壤有机碳含量分别增升了24%，79%和181%；宏团聚体百分数分别增加了136%，179% 和 250%；颗粒态有机质含量分别提升了13%，108%和382%。结合密度分组，有机质积累中团聚体包裹的颗粒态碳相对于矿物结合态碳趋向于不断富集，从退化耕地的矿物结合态为主随恢复年限趋向于颗粒态有机碳为主；

（2）生物标志物分子丰度分析表明，随着森林恢复年限递增，团聚体保护的颗粒态碳中植物源碳（木质素，角质，软木脂，蜡质和植物甾醇）丰度增加，存在于矿物结合态的微生物源碳(短链脂肪酸、微生物脂类)丰度趋向降低。同位素丰度分析表明，宏团聚体有机碳相对较轻，而微团聚体和未团聚细颗粒有机碳相对较重，但是团聚体，特别是颗粒态碳随着森林恢复年限变得贫¹³C。NMR分析中，宏团聚体碳的 A/O比值和芳香度较低，而主要是矿物态宏碳的未团聚颗粒较高。

本研究表明，森林恢复中喀斯特土壤有机质快速积累，主要表现为宏团聚体发育加快，颗粒态碳和植物源有机碳组分被保护，有机碳趋向于年轻和活性。换句话说，退化土壤中的少量有机质，类似于消瘦的动物机体，以难啃的骨头（老碳）为主，有机质缺乏多样性；而食物供应充分下，摄食各种外源食物进入体内，体重不断增加，以肥肉（类似POM）增加为特征，新增的似乎是“小鲜肉”，新鲜、营养好，但是被保护而免受微生物分解。有机质严重缺失的退化经植被恢复，有机质体量（含量）增加，不再是“骨瘦嶙峋”，而是“肉”“骨”不断协调，趋向于碳库分配的多样化和碳源分子的多样化（图1）。

图 1. 森林恢复下喀斯特土壤有机质积累（左）及其碳库（右上）和碳分子组成（右下）变化

因此，本研究通过喀斯特土壤植物恢复的案例研究，剖析了退化土壤良好管理措施(例如植被恢复下)土壤有机质积累的土壤学机制，构建了团聚体分组-碳库分配-分子鉴定-碳基团区分-同位素识别等研究有机质积累土壤途径的“组合拳”方法，并提出POM / MAOM比值和植物-微生物源脂类丰度比值(PL/ML)以及生物标志物的香农多样性指数(H’)可以作为森林恢复下SOM积累变化的表征指标（Proxy）。

该项研究也表明，森林恢复过程中喀斯特土壤有机质变化受到植物凋落物、微生物群落异质性和有机-矿物相互作用等土壤和生态系统过程所控制。颗粒态有机质(POM)的持续积累，一方面提示土壤固碳潜力并不主要受矿物碳饱和容量所限，另一方面也提示围绕土壤有机质-土壤结构-土壤生物效应关系的土壤功能协同机制的碳库构建途径，从而为理解土壤固碳与生态系统服务（包括固碳和生物多样性）共赢提供理论依据(图2)。这一研究是集团从土壤分子有机质研究探讨土壤固碳与土壤生态系统功能关系的新进展。

图 2 随森林恢复年限演进的喀斯特土壤有机质概念模型

该研究成果以“Pool complexity and molecular diversity shaped topsoil organic matter accumulation following decadal forest restoration in a karst terrain”为题，在线发表在国际土壤学顶级杂志Soil Biology and Biochemistry期刊上。该研究在集团农业资源与生态环境研究所完成，博士生陈硕桐为第一作者，潘根兴教授为通讯作者。博士生冯潇、林清美等也参与了这项研究。此研究得到国家自然科学基金和国家“双一流学科”团队建设项目的资助。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108553