土壤呼吸（Rs）是土壤有机碳分解的主要途径，其变化直接影响大气二氧化碳浓度。在全球气候变暖和氮沉降背景下，森林土壤碳库的稳定性受到广泛关注。大气氮沉降是影响森林土壤碳循环的重要环境因子。在华中亚热带地区，氮沉降通量可达20–50 kg N/ha/年。生物炭作为一种富碳材料，被认为具有改良土壤和固碳减排的潜力。然而，关于氮与生物炭共同作用下，Rs变化背后的微生物机制，目前尚不清楚。
近日，中国林科院林业所森林可持续经营研究团队与湖北省林科院研究团队合作，在Journal of Plant Ecology上发表了题为“Nitrogen and biochar interactions promote the stabilization of the temperature sensitivity of soil respiration”的研究论文，阐明了氮和生物炭添加处理下土壤微生物—理化过程—呼吸的级联响应机制。
研究团队以神农架林区一片40年生日本落叶松（Larix kaempferi）人工林为研究对象，开展了一项为期5年的野外控制实验。通过设置不同的氮添加水平和生物炭添加水平共9种处理，深入探究了Rs变化背后的土壤理化和微生物机制。
研究发现，低氮添加（LN）轻微促进了Rs（+7%），而高氮添加（HN）则显著抑制了Rs（–32%）。低生物炭（C5）和高生物炭（C10）也分别促进了Rs（+8%和+13%）。当氮和生物炭一起施用时，均表现为抑制（Rs降低了12%~20%）。此外，氮和生物炭的交互处理表现出稳定Q10的趋势。例如，高氮单独处理使Q10从对照的1.66降至1.46，而高氮与高量生物炭共同处理（HNC10）的Q10则为1.55，更接近对照水平。
图1 不同处理下土壤呼吸的动态变化及其与温度的关系
通过分析土壤理化性质、酶活性和微生物群落，发现在氮和生物炭交互处理下，调控Rs的因子变得更加多元。例如，高氮处理下，总磷和有效磷是主要驱动因子；而在交互处理中，硝态氮和团聚体稳定性也加入了调控。总体来看，土壤有机碳、硝态氮、有效磷、碳氮磷生态化学计量比、酸性磷酸酶和微生物量氮是氮和生物炭交互处理下Rs变异的关键驱动因子。
图2 不同处理下驱动土壤呼吸变化的关键土壤因子
结构方程模型进一步表明，Rs主要受细菌多样性、酸杆菌门丰度和β-葡萄糖苷酶的直接影响。氮添加通过提高有效磷和硝态氮含量直接或间接抑制微生物生物量及团聚体稳定性，而生物炭对土壤有机碳的潜在促进作用受限于其效应衰减，二者共同通过化学性质—微生物互作网络改变Rs和碳循环。
图3 氮和生物炭通过影响土壤理化、酶和微生物，进而影响土壤呼吸
本文第一作者为林业所已毕业博士研究生胡琛，通讯作者为林业所雷静品研究员和湖北省林科院崔鸿侠研究员。该研究得到了“十四五”国家重点研发计划项目课题（2023YFD2200405）和湖北省林业科学研究院科技项目（2021YGG05）的支持。（胡琛/林业所）
原文链接：https://doi.org:10.1093/jpe/rtaf141