近日，南京农业大学土壤生态学团队在国际知名学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表题为“Aridity-induced energy reallocation from green to brown food webs predicts grassland carbon storage”的研究论文。该研究结合土壤食物网理论与代谢理论，通过构建并量化土壤食物网能流结构，解析干旱驱动土壤食物网结构由绿色能量通道向棕色能量通道再分配的格局，进而深入揭示了干旱导致土壤有机碳碳储量降低的关键机制，为预测气候变化背景下草地有机碳动态提供了新视角。
土壤有机碳储量的变化对全球碳循环具有重要影响。土壤有机碳处于持续周转过程中，其储量变化取决于植物碳输入与分解之间的动态平衡。作为连接植物碳输入、转化与输出的重要纽带，土壤食物网内部的能量流动和物质转化过程决定有机碳在土壤中的流动路径及周转速率。然而，目前主流碳循环模型普遍忽略土壤食物网内部的能量流动和分配过程，限制了对未来土壤碳储存能力的准确预测能力。为此，研究团队沿中国3条天然草地干旱梯度，在黄土高原、内蒙古高原和青藏高原30个典型草地设置240个样点，重点解析干旱对土壤食物网能量分配及有机碳储量的调控机制。
研究发现，干旱导致土壤食物网能量流动速率显著下降，其中以植物为基础的“绿色”能流通道的下降速度快于以微生物分解为基础的“棕色”能流通道，导致流经土壤食物网的能量趋向棕色通道分配（图1），推动土壤食物网结构的能量分配格局呈现明显的“棕化（browning）”趋势。土壤食物网能量重新再分配与草地有机碳的变化趋势一致，因此具有预测土壤有机碳储量伴随干旱梯度变化的潜力。不过，值得注意的是，土壤食物网能流结构的预测潜力具有环境依赖性。例如，在温带草地生态系统中，随着土壤食物网转向棕色能流通道主导，土壤有机碳储量持续下降，表明分解作用造成的碳损失超过植物碳输入量。该结果不仅支持了干旱地区土壤有机碳减少主要受植物碳输入下降影响的传统认识，也进一步揭示了地下微生物分解过程对土壤碳储量的关键调控作用。相比之下，在青藏高原高寒草地生态系统中，由于低温限制微生物分解活动，土壤食物网能量再分配与土壤有机碳储量之间呈现明显的阈值响应，反映了微生物分解作用与微生物碳利用能力之间的动态平衡。
图1. 干旱驱动土壤食物网能量再分配及其与土壤有机碳储量的关系
该研究首次在大尺度环境梯度上揭示了干旱驱动土壤食物网能流结构变化及其调控有机碳储量的生态机制，强调土壤碳循环研究也应关注生态系统内部的碳流动与转化过程。本研究为将土壤生物互作过程纳入土壤碳循环预测框架、改进跨尺度土壤有机碳预测模型提供了新的理论依据。考虑到多营养级生物在体型结构、代谢特征和生态功能上的复杂差异，未来研究应进一步将土壤食物网多营养级性状和代谢过程纳入模型，从而提高对土壤碳循环过程及其环境响应的预测能力，为准确评估陆地生态系统碳汇功能及其气候变化反馈提供科学支撑。
土壤生态实验室青年研究员万兵兵博士为第一作者，兰州大学刘满强教授为通讯作者，东北林业大学何念鹏教授给予重要的支持；土壤生态实验室胡锋教授、陈小云教授、博士研究生姚钧能、新西兰怀卡托大学Andrew D. Barnes博士、德国维尔茨堡大学Malte Jochum博士和新西兰生物经济科学研究所Kara Allen博士参与该研究。研究工作得到江苏省卓越博士后计划、甘肃省科技计划项目和兰州市高层次人才资助计划等项目的联合资助。
文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2534463123
