模拟降雨量变化对松嫩草地土壤呼吸季节变化的影响及调控

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未来,降雨格局改变将对草地生态系统的碳循环过程,特别是土壤呼吸产生强烈的影响。土壤呼吸是陆地生态系统向大气排放二氧化碳的最大通量。因其底物来源和生物学过程不同,土壤自养和异养呼吸对降雨量变化的响应存在差异。理解土壤呼吸及其组分对降雨量变化的响应有助于我们评估和预测全球气候变化背景下土壤碳的储存和稳定性。本研究以松嫩草地为对象,进行模拟降雨量变化的控制实验,设置降雨量梯度为:+50%、+30%增加降雨量处理,0%自然降雨对照处理,-30%、-50%和-70%减少降雨量处理。对土壤呼吸进行连续三年的野外监测,同时采集野外处理样地的土壤在实验室进行外源有机碳添加培养实验。主要结果包括:(1)降雨处理显著影响土壤含水量,并且减雨处理通过降低地上生物量增加了土壤温度。土壤有机碳、总碳和总氮的最大值出现在-30%降雨处理。2018和2019年,地上生物量随着降雨量的减少而显著降低,减雨处理的根冠比高于增雨处理。土壤酶活性年际和季节变化显著,但降雨处理对其没有显著影响。降雨处理和季节变化对细菌、真菌和总PLFAs有显著影响,这些因子随着降雨量的减少显著下降,可能是土壤长期干旱导致微生物休眠或生理性死亡。降雨量处理对真菌/细菌比没有显著影响。(2)土壤呼吸季节变化受土壤温度和含水量影响,生长季期间先上升后降低。降雨处理和季节变化对土壤总呼吸、异养和自养呼吸有显著影响。土壤呼吸随着降雨量减少显著降低,这主要受到微生物生物量和活性的影响。此外,由于土壤水分,微生物和根系活性对降水减少的敏感性高于对降水增加的敏感性,土壤呼吸对降水变化的响应呈非线性和非对称性。2017~2019年,减雨处理降低了生长季土壤呼吸累积通量,异养呼吸累积通量所占比例均大于自养呼吸。土壤温度、含水量、地上生物量、微生物生物量和酶活性与土壤呼吸呈正相关关系,真菌/细菌比与土壤总呼吸和异养呼吸呈负相关关系。(3)通过室内培养实验,我们发现在48 h内有机质分解的累积激发效应在-30%降雨处理下有最大值,可能因为该处理条件下微生物有更高的生物量和活性。底层土壤的激发效应高于表层土壤,这是因为底层土壤养分较低,外源有机碳的输入改善了原有底物的化学计量特征,进而促进微生物活性和激发效应。微生物碳利用效率也在-30%降雨处理下有最大值,并且随着降雨量减少而逐渐降低,表层土壤的微生物碳利用效率高于底层土壤。综上所述,降雨量变化可以通过调控生物和非生物因子来影响土壤呼吸通量。土壤呼吸在增雨和减雨处理下具有非对称性,土壤碳通量随着降雨量的减少而降低。同时,未来降雨格局改变可能通过改变有机质分解激发效应和微生物碳利用效率,进而影响松嫩草地土壤碳库的储量和稳定性。研究结果有助于理解土壤有机碳矿化的调控机制,以及预测降雨量变化背景下松嫩草甸草原土壤碳通量的季节和年际变化。
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