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區(qū)組的試驗設(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，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歸因于土壤自養(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)菌擴散及其養(yǎng)分吸