森林转耕后土壤碳质量对微生物碳利用效率的非线性调控机制

摘要

【目的】土地利用变化是影响全球碳循环的关键因素，从微生物代谢角度探讨森林转耕对土壤微生物碳利用效率（CUE）影响及机制，可为评估土地利用变化对生态系统碳循环的影响提供理论基础。【方法】以黑龙江帽儿山森林和农田土壤为研究对象，将森林土壤作为对照组，不同耕作年限的农田土壤作为处理组。通过室内试验测定土壤理化性质及微生物性状等关键指标，采用化学计量法计算微生物CUE，并系统分析驱动微生物CUE变化的重要因子及调控机制。【结果】（1）农田土壤的微生物CUE相较于森林土壤显著降低了12.61%。随转耕时间增加，微生物CUE呈现先下降后上升趋势，以约16.5年为转折点。转折前微生物CUE下降约34.8%，其中第13年与第24年的微生物CUE显著低于森林土壤，降幅分别达26.1%和23.9%。（2）在机制层面，土壤碳质量（脂肪族与芳烃的比值rA2930∶rA1635）是影响森林转耕后CUE变化最重要的驱动因子。随土壤碳质量增加，微生物CUE整体表现出先降低后增加的趋势。（3）土壤碳质量通过介导微生物β多样性与微生物r/K策略变化，进而影响微生物CUE。以土壤碳质量0.06为分界阈值，高、低碳质量农田土壤微生物群落的β多样性存在显著差异。农田土壤中r策略微生物整体占据优势，但当土壤碳质量低于0.06时，r策略微生物的优势减弱，而K策略微生物的相对丰度显著增加。【结论】森林转耕后，土壤微生物CUE先降低后回升，在16.5年时达到最低值。这种非线性变化格局主要由土壤碳质量（脂肪族与芳烃的比值）驱动，且存在0.06的阈值效应：当碳质量低于该阈值时，微生物β多样性发生显著转变，生活史策略的平衡向K策略偏移，进而通过提升代谢效率驱动微生物CUE在转换后期逐步回升。这表明，土壤碳化学组成通过调控微生物群落结构与功能，是决定土地利用变化下微生物CUE动态变化的关键机制。该发现深化了我们对土地利用变化下土壤碳循环调控机制的理解，并为协调农业开发与生态保护提供了理论依据与实践路径。

关键词

微生物碳利用效率 / 土地利用变化 / 土壤碳质量 / 微生物β多样性 / 微生物生活史策略

基金资助

国家自然科学基金面上项目(32271713)