土壤有机质（SOM）在农田土壤肥力维持、碳封存和缓解气候变化起着至关重要的作用，将作物残留物还田被认为是维持和提升SOM的重要措施之一，然而，残留物还田可能加速SOM的矿化，即为激发效应（PE），温度敏感性（Q10）作为表征SOM矿化特性的重要参数，很大程度上决定着陆地生态系统碳循环与气候变暖之间反馈关系的方向与强度。影响SOM矿化过程的因素既包括生物因素，如土壤微生物和植物等，也包括非生物因素，如土壤水分和温度等。尽管大量研究对SOM矿化过程及其驱动机制开展了深入探讨，但是在外源有机物输入条件下，多因素耦合影响下如何影响SOM矿化过程尚不明确。
为此，东北地理所土壤物质循环学科组李禄军团队研究人员以东北农田黑土为研究对象，通过微宇宙控制实验，利用13C稳定同位素示踪技术，深入探究土壤温度（12°C和22°C）和湿度（45%WHC和65%WHC）及其耦合作用对土壤有机质激发效应及其温度敏感性的影响。
研究发现，在为期66天的培养期间，约有11%的秸秆碳被矿化成CO2，秸秆源CO2占总排放量的44-67%。SOM的矿化受到土壤温度、湿度和土壤碳含量的交互影响，秸秆添加显著增加了所有温度和湿度水平下的SOM矿化速率，即产生正向激发效应。由于新鲜外源碳的输入，微生物为满足自身生长需求通过矿化土壤有机质来获取氮素，这一研究结果支持了“微生物挖氮假说”。在45% WHC和22°C处理下，低水分条件改变了微生物生长策略，微生物生长策略由r对策变为K对策，K对策微生物加速了SOM的矿化速率，增强了SOM的激发效应（图1）。秸秆添加显著降低了SOM矿化的温度敏感性，外源活性物质的输入加速了SOM的分解，使得土壤中易分解碳占比增高，提高了SOM的质量，而SOM的碳质量被认为是影响其温度敏感性的关键驱动因素。高质量的有机质分解通常需要较低的活化能，而较低的活化能导致较低的Q10值（图2），这一结果符合阿伦尼乌斯方程定律，也支持碳质量假说（CQT hypothesis）。研究还发现，随着土壤水分的降低，SOM矿化的Q10值随之降低（图3），低水分限制了溶质在土壤水膜中的扩散和微生物的活动，这意味着干旱条件可以通过降低Q10值来抵消由于升温对SOM矿化造成的影响。本研究结果有助于增进理解气候变化背景下土壤碳动态对外源有机物输入响应规律。
研究成果近期发表在农林科学国际期刊《Geoderma》上。土壤物质循环学科组博士生何朋为第一作者，李禄军研究员和杨雪辰特别研究助理为共同通讯作者。研究得到中国科学院国际合作局国际伙伴计划项目（131323KYSB20210004）、国家自然科学基金联合基金项目（U23A6001）、面上基金项目（42277350）和黑龙江省杰出青年基金（JQ2021C004）联合资助。
图1 不同水温耦合处理下源于土壤有机质和秸秆碳的CO2分配情况
图2 土壤有机质矿化活化能与土壤碳质量及温度敏感性相关关系
图3 不同水温耦合处理下，土壤有机质周转模式图
论文信息：Peng He, Lu-Jun Li*, Shan-Shan Dai, Xiao-Li Guo, Ming Nie, Xuechen Yang*, Yakov Kuzyakov. Straw addition and low soil moisture decreased temperature sensitivity and activation energy of soil organic matter. Geoderma, 2024, 442, 116802.
