揭示水分对土壤碳过程的影响

你脚下的地面含有大约2，500亿吨的碳，大约是我们大气中碳含量的三倍，是地球上所有生物(包括树木，蚂蚁，鲸鱼和人类)储存的碳量的四倍。

尽管如此，与其他碳储量的动态相比，人们对驱动土壤碳循环的动力学知之甚少。

现在，来自弗吉尼亚理工大学的研究人员与农业部林务局、国家科学基金会国家生态天文台网络(NEON)和其他大学的科学家合作，正在为这些过程提供新的视角，揭示水分是土壤碳储量调节和封存的关键驱动因素。

“我们正在证明，在分子水平上，土壤中的碳如何在潮湿和干旱的土壤系统之间循环存在很大分歧，”自然资源与环境学院森林资源与环境保护系教授Brian Strahm说。“这有助于我们想象两种根本不同的模型，即碳如何浓缩并在土壤中移动。

这些发现发表在《国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上，与该小组最初对哪些因素使土壤有效固碳的预期不一致。

“最大的收获是，我们认为我们知道的关于土壤碳的大部分事情都是错误的，”林务局研究生物科学家，该论文的主要作者Kate Heckman说。

“我们最初的假设集中在某些土壤矿物质的重要性上，我们认为这些矿物质对碳持久性很重要，或者碳在土壤中停留多长时间。我们还认为，整个地点的温度模式将是碳年龄的强大调节器，但我们没有看到我们期望看到的与温度或土壤矿物学相关的信号。

一个大陆的土壤样本跨度

为了了解土壤碳和湿度之间的相互关系，该小组利用了NEON收集的核心样本，NEON是一个观测网络，致力于收集整个北美大陆的长期生态数据，以更好地了解生态系统的变化。

作为这项工作的一部分，该设施安装了数百个地面传感器来监测土壤动态。他们挖掘的米深岩心 - 其中400个用于这项研究 - 为研究人员提供了数千个独特土壤“地平线”或土壤层的关键快照，这些土壤层根据年龄和成分显示出不同的特征。

“打开岩心就像通过8×200毫米的土壤快照看到这个国家的不同地区，”Adrian Gallo说，他的任务是进行许多初步的核心分析，最近在俄勒冈州立大学完成了土壤科学博士学位。“打开核心并想，'这里的颜色，岩石和根部到底发生了什么?'这种情况并不少见。然后我必须查看附近位置的航空图像、地形图和土壤描述符，以帮助我了解景观历史。

从这些岩心样本开始，研究人员使用放射性碳和分子组成分析的组合来揭示土壤中碳的丰度和持久性与采集样本地区的水分可用性之间的关系。

“我特别关注土壤碳的分解在大规模气候梯度上可能有所不同，”在农业与生命科学学院植物与环境科学学院研究土壤科学的助理教授Angela Possinger说。“我们最终将这些地点划分为可以大致分为'潮湿'和'干旱'气候的系统，这与生态系统和土壤特性的许多其他差异一起。这种划分最终帮助我们更好地描述了分解率的差异。

植物与环境科学学院的副教授Brian Badgley协助了数据解释，特别是在考虑这些发现的生物学影响方面。他说，这项研究填补了我们对土壤微生物学的广泛理解的知识空白。

“我们仅使用几克样本分析土壤微生物群落的方式与经常考虑碳循环的区域和全球尺度之间的差距代表了巨大的挑战，”Badgley说。“在这项工作中对大陆子系统的识别为我们如何考虑广阔景观中的微生物过程提供了一个令人兴奋的概念框架。

主要作者赫克曼与密歇根理工大学的研究人员合作，希望科学家们能够在这些发现的基础上再接再厉。她建议未来的一个调查领域是对田地和农田的操纵研究，这将使科学家能够亲眼看到水分变化如何影响土壤碳过程。

“土壤有机碳被认为是我们拥有的更有前途的碳捕获和封存方法之一，了解水分在这一过程中所起的作用对于帮助我们实现这一潜力至关重要。赫克曼说。“我希望这项研究能鼓励我们的科学界的许多人研究水分在陆地碳循环中的作用。

Strahm强调，对于研究全球碳的科学家来说，了解不同的土壤系统需要不同的模型来预测土壤碳储量的变化是至关重要的。

“我们不能使用当代的观点和模型来预测这些土壤系统在未来将如何变化，”全球变化中心的附属教授斯特拉姆说。“当我们预测系统会变得更湿或更干燥时，我们正在将系统从一个桶移动到另一个桶。但这种转变具有各种含义，因此对两个不同系统的欣赏将是一个关键的概念飞跃。