图形摘要

近日，国际期刊《Geoderma》在线发表了沙坡头站团队题为“Lower carbon fractions and microbial carbon use efficiency in ant-mound surface soils than in adjacent biocrusted soils of a revegetated desert”的论文。本研究以腾格里沙漠人工植被固沙区为对象，采用¹³C-葡萄糖标记与标准化室内培养技术，量化了蚂蚁筑巢扰动下五种表层微生境的土壤碳组分、微生物碳利用效率(CUE)与温室气体通量差异，揭示了蚂蚁地表扰动与生物结皮表层碳固持能力下降之间的关联。

1 研究背景

旱区约占全球陆地面积的45%，生物结皮作为荒漠系统重要的初级生产者，对碳氮固定和维持土壤稳定具有关键作用。蚂蚁是旱区数量最多的土壤动物之一，其蚁丘长期被视为养分富集的“沃岛”。然而已有证据多集中于全量养分或总碳，对于决定碳稳定性的功能性碳组分与微生物代谢效率如何响应，特别是在蚂蚁扰动与生物结皮相交汇的荒漠系统中，仍缺乏直接检验。

2 研究方法

研究区位于腾格里沙漠东南缘沙坡头地区，该区人工植被固沙已逾60年，生物结皮覆盖度超过80%，平均蚁巢密度达94.8个/100 m²。研究采集了5种表层(0–5 cm)微生境样品：蚁丘土壤(AH)、蚁丘下方结皮与表土(BC_A、S_A)、邻近未扰动的对照结皮与表土(BC_C、S_C)，测定土壤理化性质、12种碳组分、基于13C标记的微生物碳利用效率及温室气体通量。

图1 研究区景观、样地布设与五种微生境采样策略示意

3 研究结果

与对照表土相比，蚁丘土壤明显粗化贫瘠，含水量下降50%，总氮下降71%。各类碳组分同步显著降低：土壤有机碳下降62%，微生物量碳下降63%，颗粒态有机碳下降69%，矿物结合态有机碳下降58%。颗粒态与矿物结合态有机碳的比值由0.89降至0.66，表明蚂蚁扰动并未使颗粒态碳相对富集，而是表现为整体损失。微生物碳利用效率沿“扰动核心至对照”呈清晰梯度下降(蚁丘0.305 < 丘下表土0.373 < 对照表土0.418 < 丘下结皮0.494 < 对照结皮0.536)，蚁丘较对照低27%；其代谢商(qCO₂)约为对照表土的6.5倍，指示微生物代谢更偏向矿化、效率更低(图2)。

图2 不同微生境土壤碳组分含量与微生物碳利用效率

温室气体方面，完整的“结皮加下层土壤”表现为CH₄净汇，而蚁丘与裸露表土转为净源，说明结皮一旦被破坏，系统即由吸收转为排放；N₂O以蚁丘与对照结皮较高，表明高N₂O并非蚁丘独有。效应量分析显示扰动强度呈蚁丘 > 丘下表土 > 丘下结皮的衰减格局；即便将蚁丘一侧与对照一侧进行剖面合并配对比较，蚁丘一侧的有机碳、微生物量碳与碳利用效率仍分别显著低27%、31%和18% (图3)。

图3 三组对比的效应量综合，固相指标为对数响应比(lnRR)，气体指标为累积通量均值差

4 结论

本研究表明，在生物结皮覆盖的荒漠中，蚂蚁筑巢并未形成传统认知中的“沃岛”，而是与表层土壤碳储量降低和微生物碳利用效率下降相联系，其机制在于物理扰动破坏了结皮的碳积累与矿物保护过程，并通过底物限制降低了微生物碳转化效率。考虑到蚁丘覆盖度较低，其对景观尺度碳收支的贡献有限，研究价值在于揭示了机理上可解释的表层微生境过程对比。该结果提示，在利用生物结皮开展旱区生态恢复与碳汇评估时，考虑动物地表扰动有助于更准确地评估结皮相关的碳积累。

中国科学院西北生态环境资源研究院沙坡头沙漠生态系统国家野外科学观测研究站张鹏为第一作者兼通讯作者，兰州大学草地农业科技学院王增如为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金(U25A20643)的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2026.117948

撰稿人：张    鹏

发稿人：高艳红