暖溫帶銳齒櫟林土壤呼吸及微生物群落結(jié)構(gòu)對土壤增溫和降雨減少的響應(yīng).pdf

1、氣候變化是目前國際社會普遍關(guān)注的全球性問題。氣候變暖及降水格局改變是氣候變化的兩大重要特征，并對陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程及固碳潛力產(chǎn)生重大影響。因此，探討氣候變化背景下森林土壤碳庫的變化規(guī)律，已成為當(dāng)前土壤碳源—匯效應(yīng)演化評價中的重大科學(xué)問題。掌握土壤呼吸對氣候變暖與降雨減少的響應(yīng)規(guī)律有助于評價土壤在碳收支過程中的源匯角色。本研究采用完全隨機(jī)區(qū)組的試驗(yàn)設(shè)計方法在暖溫帶典型落葉闊葉林—銳齒櫟林中開展了野外原位土壤增溫與林下穿透雨減少的控制

2、試驗(yàn)，并通過壕溝斷根處理區(qū)分土壤異養(yǎng)呼吸與自養(yǎng)呼吸，以研究土壤呼吸及不同組分對土壤增溫與降雨減少的響應(yīng)規(guī)律，同時運(yùn)用磷脂脂肪酸法測定土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，以分析其對氣候變化的響應(yīng)機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:
　　 (1)土壤增溫與降雨減少顯著改變土壤溫度和濕度特征。紅外輻射燈管加熱導(dǎo)致林下土壤5cm日均溫顯著提高1.43-1.93℃，日均最高溫的增加幅度高于最低溫的增幅，白天的增溫幅度高于夜晚;增溫導(dǎo)致早春3月的土壤溫度增幅最高。土壤

3、增溫與降雨減少均顯著降低5cm土壤濕度(5.7-9.5％v/v)，6月份土壤濕度降幅最高。因此，本研究采用試驗(yàn)處理方法可有效增加土壤溫度并減小土壤濕度。
　　 (2)土壤增溫與降雨減少顯著提高銳齒櫟林下土壤總呼吸速率。土壤總呼吸對土壤增溫與降雨減少交互效應(yīng)的響應(yīng)程度顯著高于單因子的主效應(yīng)。在環(huán)境降雨條件下，土壤增溫導(dǎo)致土壤總呼吸速率顯著提高35.3％;非生長季和生長季分別顯著提高23.1％和44.3％。然而，在降雨減少背景下，增

4、溫導(dǎo)致非生長季和生長季土壤總呼吸速率分別增加14.2％和減少0.65％，但未達(dá)顯著水平。在環(huán)境溫度背景下，降雨減少導(dǎo)致土壤呼吸速率顯著增加20.5％;生長季土壤呼吸顯著增加31.6％，但是在非生長季未達(dá)到顯著水平。連續(xù)19個月的土壤呼吸觀測表明，短期內(nèi)土壤增溫和降雨減少都促進(jìn)生長季土壤總呼吸;此外土壤增溫顯著提高非生長季土壤總呼吸速率。增溫與減雨導(dǎo)致土壤總呼吸的增加與提高的土壤微生物量碳氮以及土壤有機(jī)碳顯著相關(guān)。該研究表明區(qū)域氣候變暖以

5、及降水減少會增加暖溫帶落葉闊葉林土壤碳排放潛力，進(jìn)而對氣候變化產(chǎn)生正反饋效應(yīng)。
　　 (3)土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸對土壤增溫與降雨減少的響應(yīng)方式存在顯著差異。土壤異養(yǎng)呼吸受增溫主效應(yīng)的顯著影響。土壤增溫導(dǎo)致觀測期間異養(yǎng)呼吸顯著提高27.8％;生長季和非生長季分別顯著提高28.2％和27.4％。增溫導(dǎo)致異養(yǎng)呼吸通量的顯著增加與土壤微生物碳氮的上升顯著相關(guān)。降雨減少則導(dǎo)致異養(yǎng)呼吸速率降低2.8％，生長季與非生長季均未達(dá)到顯著水平。然

6、而，在增溫條件下，降雨減少導(dǎo)致土壤異養(yǎng)呼吸增加16.9％;并且生長季的增幅(22.6％)高于非生長季(9.3％)，但是與對照樣地差異未達(dá)到顯著水平。這表明土壤異養(yǎng)呼吸對溫度的響應(yīng)敏感性高于水分變化。
　　 土壤自養(yǎng)呼吸受土壤增溫與降雨減少交互效應(yīng)的顯著影響。環(huán)境降雨下，增溫導(dǎo)致非生長季和生長季的自養(yǎng)呼吸分別增加20.1％和73.2％，后者達(dá)到顯著差異;而在降雨減少條件下，增溫導(dǎo)致非生長季和生長季自養(yǎng)呼吸分別下降28.6％和2.0

7、％。環(huán)境溫度下，降雨減少導(dǎo)致非生長季和生長季自養(yǎng)呼吸分別增加23.7％和89.2％，后者達(dá)顯著水平。增溫與減雨導(dǎo)致自養(yǎng)呼吸的增加與細(xì)根生物量的顯著提高呈正相關(guān)。綜上所述，可知降雨減少導(dǎo)致生長季土壤總呼吸的增加主要?dú)w因于土壤自養(yǎng)呼吸的增加;而增溫引起的生長季總呼吸增加則是由異養(yǎng)和自養(yǎng)呼吸共同提高造成的。
　　 (4)土壤呼吸及其不同組分的溫度敏感性對土壤增溫與降雨減少的響應(yīng)方式差異顯著。土壤總呼吸溫度敏感性受增溫主效應(yīng)及其與降雨減

8、少的交互效應(yīng)顯著影響。環(huán)境溫度下，減雨導(dǎo)致總呼吸溫度敏感性(2.73)顯著提高;然而，增溫條件下的減雨處理對總呼吸溫度敏感性(2.64)無顯著影響。環(huán)境降雨下，增溫導(dǎo)致總呼吸溫度敏感性(2.96)顯著高于對照樣地(2.22)。土壤增溫與降雨減少對土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性無顯著影響。自養(yǎng)呼吸溫度敏感性則受增溫與減雨的主效應(yīng)和交互效應(yīng)的顯著影響。增溫、減雨及增溫與減雨均顯著提高自養(yǎng)呼吸的溫度敏感性(3.77，3.52，3.69)。不同處理下自

9、養(yǎng)呼吸溫度敏感均顯著高于總呼吸和異養(yǎng)呼吸的溫度敏感性。本研究還發(fā)現(xiàn)土壤不同組分呼吸的溫度敏感性均隨著土壤溫度的增加而增加。這暗示呼吸溫度敏感性隨著區(qū)域氣候變暖而呈增加趨勢。
　　 (5)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對土壤增溫與降雨減少的響應(yīng)方式因斷根與否而異。土壤增溫、降雨減少及斷根的交互效應(yīng)對微生物PLFA影響程度高于單個因子的主效應(yīng)。土壤增溫與降雨減少顯著提高未斷根樣地微生物總PLFA，細(xì)菌PLFA，真菌PLFA，革蘭氏陰性菌PLFA

10、(53.7-72.6);然而對斷根樣地微生物PLFA無顯著影響。因此，根系碳輸入的減少（斷根）降低了土壤微生物PLFA對增溫與減雨的響應(yīng)敏感敏感性，即根系碳輸入對土壤微生物響應(yīng)氣候變化的方式有重要調(diào)節(jié)作用。減雨樣地內(nèi)斷根處理導(dǎo)致土壤微生物多個類群PLFA顯著低于未斷根樣地。這表明根系對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響還取決于土壤水分狀況。對于微生物群落結(jié)構(gòu)，增溫減雨的雙因子處理導(dǎo)致未斷根樣地細(xì)菌和革蘭氏陽性菌豐富度的顯著下降，這與細(xì)菌擴(kuò)散及其養(yǎng)分吸