土地利用變化是全球變化的重要組成部分，對土壤有機碳的動態有至關重要的影響。土壤呼吸是陸地生態系統向大氣釋放二氧化碳最主要的途徑，對大氣二氧化碳濃度都會產生深遠的影響。甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體，其增溫潛勢是二氧化碳的28倍。透氣良好的土壤能氧化大氣中的甲烷，減緩全球變暖，因此被越來越多的研究。土地利用方式變化能夠通過改變土壤物理化學性質以及微生物群落結構，進而對土壤呼吸和甲烷氧化產生影響。研究土地利用變化對土壤溫室氣體釋放的影響對評估陸地生態系統碳動態有著重要的作用。
中國科學院武漢植物園土壤生態學課題組博士生張倩和助理研究員吳君君在程曉莉研究員的指導下，以丹江口庫區農田、灌叢和森林為對象，進行了為期一年的土壤呼吸及其同位素的測量。研究結果表明，造林顯著增加了土壤呼吸，造林顯著增加了土壤有機碳的數量和質量，從而使土壤呼吸增加。土壤呼吸碳同位素值與微生物碳同位素值呈顯著正相關關系，造林改變了輸入到土壤中凋落物的碳同位素信號值，進而使土壤呼吸同位素值產生變化。土壤呼吸可以作為土壤有機碳質量和數量較為靈敏的指示器，土壤呼吸較高意味著造林有效提升了土壤有機碳的總量（圖1）。
同時，助理研究員吳君君在的程曉莉研究員的指導下，以丹江口庫區農田、灌叢和森林為對象，運用穩定同位素的方法研究甲烷氧化速率，結果表明造林能夠顯著增加甲烷的氧化速率，灌叢和森林甲烷氧化速率較農田高186.3%和93.5%，造林地甲烷氧化速率的增加和土壤有機碳的質量，氮的有效性以及微生物生物量的增加密切相關，農田較高濃度的無機氮反而抑制了甲烷氧化速率。同時，不同的植被類型對土壤甲烷氧化也有顯著影響：豆科植物為優勢種的植被類群下的土壤較針葉林類群有更高的甲烷氧化速率，可能是因為灌叢氮的有效性較高所引起的。甲烷氧化過程中，造林地較農田的同位素分餾系數低，證實了造林地更高的甲烷氧化速率。本研究表明在進行造林的過程中，土壤有機碳和氮的增加加強了對土壤甲烷的吸收，降低了溫室效應（圖2）。
本研究得到國家自然科學基金 (31470557, 31270550, 31770563)和中科院戰略先導專項B(XDB15010200)的資助，相關研究成果以“Agricultural land use change impacts soil CO2 emission and its 13C-isotopic signature in central China”和“Afforestation enhanced soil CH4 uptake rate in subtropical China: evidence from carbon stable isotope experiments”為題分別發表在國際SCI期刊Soil & Tillage Research和Soil Biology and Biochemistry上。
圖1 土地利用變化背景下土壤呼吸及其同位素的動態變化
圖2 土地利用變化對甲烷氧化速率及其同位素分餾的影響
