明晰不同深度土壤生物地球化学过程响应气候变化的规律及其调控机制，是准确预测全剖面土壤过程及其与气候变化互馈作用的基础。土壤剖面不同深度有机碳所处微环境差异明显（如氧气浓度、水热条件等），可能导致其对气候变化的响应完全不同。如何在野外原位条件下量化微环境差异对土壤剖面有机碳响应气候变化的影响是一个难点。
近日，浙江大学环境与资源学院遥感所罗忠奎研究员课题组对这一难点问题，提出了一种简单易操作且成本较低的创新性方法以探索这种深度依赖性，即对完整的1米深土柱进行翻转处理的野外原位培养实验（图1）。该方法克服了传统破坏性取样培养实验的不足，实现了对土壤剖面微环境的原位改变，可以有效量化土壤剖面生物地球化学过程对气候变化的响应。
图1. 翻转处理对土壤剖面微环境和生物地球化学过程影响示意图
利用该实验方法，该课题组在位于藏东南色季拉山2400-4600米的海拔梯度内进行了土柱翻转和海拔间置换处理实验。其中，翻转处理具体操作为：首先钻取两组完整的1米深土柱，一组是将表层土柱朝上直接放置到土柱钻孔中作为对照（即不翻转），另一组是将表层土柱朝下（即土柱沿垂直方向旋转180°）直接放置到土柱钻孔中（即翻转）。这种倒置使土壤结构保持完整，但改变了原先同一深度来源的土壤层深度分布，同时改变了其原先所处土层的氧气和水热条件等微环境和土壤过程（图1）。
同时，利用三个海拔间（2400、3500和4600米）天然气候梯度（包括大气温度、降水、辐射和蒸发等气候指标）开展海拔置换实验（图2）。通过同时测量土柱不同土层深度的理化特性，该置换结合翻转实验可以作为一个阐明土壤生物地球化学过程对气候变化响应深度依赖性的野外研究平台（图1）。
图2. 土柱翻转和置换方法开展的藏东南野外土柱原位培养实验示意图
基于该实验平台，通过测定3个海拔间1米深翻转和非翻转处理土柱的土壤呼吸速率，结果发现：土壤呼吸速率对海拔置换引起的气候变化有显著的响应（P <0.05，如下图3b所示），但这种响应强度与土柱是否翻转无关（图3a）。即，土壤有机碳矿化对气候变化敏感的响应不依赖于其所处的土壤微环境。此研究案例为该方法提供了有效的参考。
图3. 不同培养时间内土柱翻转（a）和海拔置换（b）处理下土壤呼吸响应比。
该研究方法和结果以“A field incubationapproach to evaluate the depth dependence of soil biogeochemical responses toclimate change”为题，于2022年10月27日在线发表于Global Change Biology（影响因子13.2、中科院一区TOP）。浙江大学环境与资源学院博士后郭晓伟为第一作者，浙江大学环资与资源学院罗忠奎研究员为通讯作者。该项目得到国家自然科学基金项目（32171639，41930754）和国家重点研发政府间国际科技创新合作项目（2021YFE0114500）的资助。
文章信息：
标题：Afield incubation approach to evaluate the depth dependence of soilbiogeochemical responses to climate change
期刊：GlobalChange Biology
类型：TechnicalAdvance