土地利用变化是全球环境变化的主要来源和组成部分。不合理的土地利用和人为干扰对土壤质量具有诸多不利影响，如土壤结构破坏、养分流失和土壤侵蚀；减少土壤碳氮固持，加速温室气体（CO2和N2O）排放；并影响土壤微生物活动和生物过程的变化。作为土壤结构的基本单位，土壤团聚体与上述土壤要素和过程的关系非常密切，对土地利用的变化也十分敏感，对土壤养分生物地球化学过程具有重要的调控作用。
我国西南喀斯特地区是世界上最大的喀斯特连片分布区之一，也是我国重要经济带珠江经济带的生态屏障区。上世纪八十年代以来，特殊的地质背景，生态环境的脆弱性，加上人类不合理的土地利用，该地区石漠化现象不断加剧，成为制约西南地区可持续发展最严重的生态环境问题，也影响着珠江下游的生态安全。喀斯特自然生态系统土壤碳氮含量显著高于同纬度红壤，但一旦遭受人为干扰或开垦利用，土壤养分含量显著降低。前期研究发现，在开垦两年后，喀斯特坡地土壤有机质（SOM）丢失率高达42%，表现出急剧丢失的特征。然而，农业土地利用如何引起土壤结构变化，进而促发了碳氮养分的快速响应？土壤微生物在这一过程中有何协变特征？目前对这些问题还缺乏清晰的认识。针对这一科学问题，中国科学院环江喀斯特站王克林研究员团队博士研究生肖霜霜，选取5种喀斯特地区常见的土地利用/干扰方式为研究对象（封育、火烧、砍伐、牧草及玉米地），通过分析不同土地利用/干扰方式下土壤团聚体、团聚体碳氮及其微生物活性特征，探讨了团聚体结构如何影响土壤碳氮及微生物活性对土地利用/干扰的响应，初步揭示了人类干扰导致土壤碳氮变化的作用机制。
研究结果发现，土地利用/干扰对土壤团聚体影响主要作用于大粒级。其中牧草和玉米等扰动土壤的利用方式对土壤各粒级团聚体碳氮影响最为显著，干扰后土壤碳氮的丢失主要来源于大团聚体（>2mm）碳氮贮量的减少。相比封育，其他处理方式土壤团聚体微生物生物量碳（除火烧）降低，团聚体微生物熵增加。土地利用对大粒级（>2mm）团聚体微生物活性的影响程度小于小粒级（0.25-2、0.053-0.25mm）。各方式下微生物生物量碳和微生物熵在中等粒级（0.25-2mm）团聚体中均呈现最高值，这表明该粒级更适合微生物活动，具有相对较高的有机碳氮含量和微生物活性，预示着更活跃的碳氮动态变化。以上结果表明，团聚体结构调控土地利用对土壤碳氮及微生物活性的影响，喀斯特地区农业田间管理应减少对土壤扰动，调整农业结构，调减玉米种植面积，构建以牧草免耕种植和生态高值经济林果为核心的喀斯特农林牧复合生态系统。
该研究以题为Soil aggregate mediates the impacts of land uses on organic carbon, total nitrogen, and microbial activity in a Karst ecosystem发表在Scientific Report上。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
图1 团聚体结构调控土地利用对土壤碳氮及微生物活性的影响