《Pedobiologia》：Heterotrophic and autotrophic soil respiration under different land use types and soil depths: Insights from the Northwestern highlands of Ethiopia
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土壤呼吸在Debere Mewi流域不同土地利用类型和土壤深度中的响应及其驱动机制研究。采用LI-8100A传感器连续两年监测发现，林草地土壤呼吸显著高于耕地，且存在显著的交互作用（p<0.05）。0-20cm土层林草地呼吸峰值达6.49 μmol CO? m?2 s?1，0-10cm耕地最低为3.16 μmol。异养呼吸占比均超自养呼吸，土壤湿度、有机质等5项因子正向调控呼吸速率。研究结果为高海拔地区土地利用优化与碳汇管理提供科学依据。
Melkam Alewoye|Enyew Adgo|Fei Peng|Derege Tsegaye Meshesha|Genetu Fekadu|Mulugeta Kibret|Zerihun Nigussie|Misganaw Liyew
埃塞俄比亚巴希尔达尔大学农业与环境科学学院自然资源管理系，巴希尔达尔邮政信箱79
摘要
目前对于土壤呼吸（SR）在不同土地利用类型下对土壤深度的响应程度，以及气候和土壤变量如何相互作用影响这一过程的理解仍然不足。本研究旨在探讨埃塞俄比亚西北部高地Debere Mewi流域内不同土地利用类型对土壤呼吸各组成部分的影响。我们使用LI-8100A自动土壤CO?通量系统、土壤温度传感器和土壤湿度传感器，在连续两年（2023年6月至2025年5月）内测量了土壤呼吸、土壤温度和土壤湿度数据。结果表明，土壤呼吸受到土地利用、土壤深度和年份的交互作用显著影响（p < 0.05）。2024-2025年间，0-20厘米深度的种植园森林中的土壤呼吸最高；而2023-2024年间，0-10厘米深度的耕地中的土壤呼吸最低。总体趋势显示，2023-2024年和2024-2025年间，种植园森林中的土壤呼吸分别为5.5和6.49 μmol CO? m?2 s?1，其次是放牧地（4.6和5.74 μmol CO? m?2 s?1），耕地中的土壤呼吸最低（分别为3.16和4.2 μmol CO? m?2 s?1）。在所有土地利用类型中，异养呼吸显著高于自养呼吸（p < 0.05）。土壤湿度、土壤有机碳、总氮、粘土含量和pH值对土壤呼吸速率有显著的正向影响。尽管土壤呼吸是一个自然过程，但通过有效的土地管理来平衡二氧化碳（CO?）排放和碳封存对于减缓气候变化和可持续利用自然资源至关重要。
引言
土壤呼吸（SR）确实是陆地生态系统与大气之间最大的二氧化碳（CO?）通量，每年释放的二氧化碳量在80到98拍克（PG）之间，在理解地下矿化过程和全球碳循环中起着关键作用（Bond-Lamberty, Thomson, 2010）。这一数量是化石燃料燃烧产生的二氧化碳排放量的11倍（Xu and Shang, 2016）。土壤呼吸量的微小变化可能会对大气中的二氧化碳浓度产生较大影响（Schlesinger, 2011）。了解不同土地利用类型和深度下的土壤呼吸及其组成部分对于适应和减缓气候变化、确保粮食安全、保护生物多样性以及维持社会依赖的生态功能至关重要（Chen et al., 2017; Husrh et al., 2017; Chen et al., 2024; Hojjati et al., 2023; Huang et al., 2020）。土壤呼吸包括根系、微生物和土壤动物在整个土壤剖面中产生二氧化碳（CO?）的过程，以及随后二氧化碳向大气的扩散（Lima et al., 2020）。土壤呼吸分为两个主要部分：自养呼吸（来自根系、相关根际微生物和植物相关生物）和异养呼吸（土壤有机物的微生物分解）（Hu et al., 2018）。这些组成部分的相对大小和敏感性受土壤温度、湿度、底物、土地利用和土壤深度等因素的影响（Chen et al., 2017）。
土地利用变化是全球二氧化碳排放的主要驱动因素之一，约占全球二氧化碳排放总量的25%，被认为是人为二氧化碳排放的第二大来源（UNFCC, 2021）。研究表明，土地利用变化会导致土壤碳储量的减少并破坏碳通量的平衡（Luo et al., 2016）。土地利用变化显著改变了土壤呼吸的进程（Rong et al., 2015, Xue and Tang, 2018）。例如，将森林转换为耕地通常会导致短期内土壤呼吸增加，但由于微生物活动的增强，长期来看会耗尽土壤有机碳（Rocci et al., 2024）。将耕地转换为其他土地利用类型对土壤呼吸的影响各不相同，既有增加的情况（Sheng et al., 2010, Zhang et al., 2018），也有减少的情况（Liu et al., 2016, Wang et al., 2018）。关于土地利用、土地覆盖变化及其对土壤呼吸影响的研究结果也存在争议。对于坡地地形，当农田转换为果园时，土壤呼吸平均下降了14.7%；同样，根据Zhang et al.（2013）的研究，当稻田转换为竹林时，二氧化碳排放量从45.4吨/公顷/年减少到34.7吨/公顷/年；而将先前用于耕作的土地转换为放牧地或林地时，土壤呼吸平均增加了21.4%。这归因于多种因素，包括土壤微气候的改变（Liu et al., 2016）、生物因素的变化（Xiao et al., 2021）和非生物因素以及土地利用历史。然而，这些因素通常不是单独作用的，它们之间存在复杂的相互作用（Billings and Ballantyne, 2013, Lei et al., 2021），因此结果存在争议。
许多研究人员进行了多项田间实验来探讨土地利用对土壤呼吸的影响（Fan et al., 2016, Fekadu et al., 2024, Teklay et al., 2006）。然而，关于土壤呼吸对不同土壤深度的土地利用响应方式，以及环境和土壤因素如何影响其各个组成部分的理解仍存在空白。此外，关于埃塞俄比亚高地的土壤呼吸数据也较为有限。尽管取得了一些进展，但在不同土地利用类型下将土壤呼吸分为自养呼吸（AR）和异养呼吸（HR）方面仍存在不足。许多地区，特别是在东非，缺乏时间序列数据，尤其是在气候驱动的季节性变化和土地利用变化影响方面。因此，本研究的总体目标是评估土地利用和土壤深度对异养呼吸和自养呼吸的影响。在此基础上，我们旨在：1）评估土地利用类型对土壤性质和土壤呼吸各组成部分的影响；2）研究气候相关变量和土壤性质对土壤呼吸的影响；3）估算不同土地利用类型下土壤呼吸的季节性变化。本研究有助于更深入地了解不同土地利用类型下的土壤呼吸各个组成部分，并确定控制这些过程的关键生物物理和环境因素。
研究区域描述
本研究在埃塞俄比亚西北部高地的Debre Mewi流域进行（图1）。该流域位于埃塞俄比亚阿姆哈拉地区West Gojjam行政区的11°20′02″至11°21′44″ N和37°24′01″至37°26′07″ E之间。研究地点属于热带高地，属于中等农业生态系统，经历了不同的土地管理实践、土地利用覆盖动态和多样的作物系统（Biswas and Melesse, 2016）。
土地利用类型对土壤性质的影响
不同的土地利用类型在植被覆盖、生物量输入、干扰程度、根系结构、土壤覆盖和微气候方面存在差异（Geleta and Laekemariam, 2022, Miju et al., 2025）。这些差异导致了土壤物理、化学和生物性质的差异（P < 0.05），因此不同土地利用类型的土壤pH值、总氮（TN）、阳离子交换容量（AvP）、有机碳含量（SOC）、粘粒含量（Bd）、孔隙度和微生物负荷（除土壤质地外的所有土壤性质）均存在显著差异（表2）。不同土地利用类型之间的土壤质地没有显著差异。结论
本研究旨在探讨土地利用类型、土壤深度和关键驱动因素对土壤呼吸各组成部分的影响。研究结果表明，土地利用类型、土壤深度和年份共同影响了土壤呼吸的动态。当耕地转换为森林或放牧地时，土壤呼吸增强，在0-20厘米深度的种植园森林中达到最大值，而在0-10厘米深度的耕地中最低。
伦理批准和参与同意
作者声明本手稿未在其他地方发表或考虑发表
资金支持
本研究得到了巴希尔达尔大学的支持。作者贡献声明
Misganaw Liyew：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念构思。
Zerihun Nigussie：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念构思。
Mulugeta Kibret：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念构思。
Genetu Fekadu：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法论、概念构思。
Meshesa Derege Tsegaye：撰写——审稿与编辑、初稿撰写
出版同意
所有作者均已阅读手稿并同意发表
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本手稿的过程中，我们使用了ChatGPT来提高手稿的可读性和语言质量。使用该工具后，所有作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
我没有任何需要声明的利益冲突。
致谢
如果没有许多人的贡献和参与，本研究将无法完成。我们感谢各级农业专家、当地社区和流域社区领导者的支持，他们对野外工作的成功完成起到了不可或缺的作用。同时，我们也感谢那些在数据收集和其他方面提供帮助的人士。
