模拟土壤增温和林内减雨对暖温带锐齿栎林土壤呼吸的影响及其微生物响应

【摘要】：气候变化已成为当今国际社会不争的事实,大气中二氧化碳等温室气体浓度增加引起全球变暖,气候变暖改变大气环流运动引起区域降水格局变化和极端降水事件的频率增加。森林作为陆地生态系统的主体,在参与全球碳循环、减缓气候变暖方面发挥着巨大的作用。探讨模拟气候变化背景下森林土壤碳库及关键碳过程的长期响应规律,以及生物和非生物的调控机制对准确预测全球变暖与陆地生态系统之间的反馈作用具有重要的科学意义。本研究以我国亚热带与暖温带过渡区天然林落叶阔叶林为研究对象,采用完全随机区组试验设计,在代表性锐齿栎(Quercus acutidentata)天然次生林中开展原位土壤红外辐射增温模拟实验,并同时辅以林内穿透雨减少控制的试验,采用Li-8100土壤CO2通量测量系统长期监测土壤碳通量,运用磷脂脂肪酸法测定土壤微生物群落结构,辅助以96-微平板法测定土壤微生物功能,分析土壤碳排放对长期模拟气候变化的响应及其机理。主要研究结果如下:(1)非壕沟样地中:土壤增温处理与增温+减雨处理显著提高了土壤5cm温度,分别比对照处理土壤5cm温度提高了1.54℃和1.12℃;增温+减雨处理显著降低了土壤5cm湿度,与对照处理相比土壤5cm湿度降低了5.23%,减雨处理与增温处理虽降低了土壤5cm湿度,但未达到显著水平。壕沟样地中:土壤增温处理与增温+减雨处理显著提高了土壤5cm温度,分别比对照处理土壤5cm温度提高了1.33℃和0.99℃;土壤增温和减雨处理对土壤5cm湿度的影响并不显著(2)土壤增温和林内减雨处理显著改变了土壤有机碳含量;根系对土壤有机碳含量和可溶性有机碳含量没有显著影响,但显著改变了不同处理对土壤无机氮含量的影响。壕沟样地中,增温处理主效应导致生长季土壤铵态氮含量增加29.00%,非生长季土壤铵态氮含量增加42.36%;减雨处理主效应导致生长季土壤硝态氮含量增加129.65%,非生长季土壤硝态氮含量增加74.68%。与非壕沟处理相比,壕沟处理不同程度降低了土壤铵态氮含量却增加了土壤硝态氮含量:生长季中,对照处理土壤NH4+含量降低了38.08%;增温+减雨处理土壤NH4+含量降低了16.07%;与土壤铵态氮含量表现不同,除对照处理外,增温、减雨和增温+减雨处理壕沟样地显著增加了土壤NO3-含量,土壤硝态氮含量分别提高了180.86%、351.22%和208.37%;非生长季中,对照处理壕沟样地显著降低了土壤NH4+含量降低了39.85%;对照、增温、减雨和增温+减雨处理土壤硝态氮含量分别提高了168.05%、178.29%、303.22%和522.51%。研究结果表明模拟气候变化(土壤增温和林内减雨)显著改变了暖温带落叶阔叶林土壤碳库,气候变化背景下植物根系在调控土壤氮素转化中发挥着重要的作用。(3)影响该区土壤呼吸的主要环境因子是温度因子,5cm土壤温度可以解释土壤呼吸速率的82.3%~88.5%。除土壤温度因子外,土壤增温和林内减雨处理导致土壤湿度降低增加了土壤呼吸和土壤湿度的相关性,5cm土壤湿度可以解释土壤呼吸速率的6.6%~9.1%。进一步分析表明:干旱事件中土壤湿度同土壤温度一样是影响该区土壤呼吸的重要环境因子,5cm土壤温度和湿度分别可以解释土壤呼吸速率的73.8%和37.1%。长期模拟试验处理导致土壤呼吸对调控的土壤温度和湿度产生了适应性响应,土壤底物数量(全氮、溶解性有机碳和细根生物量)和质量(土壤碳氮比)的无差别响应可以很好地解释这种现象。土壤呼吸适应性响应不会引起气候变化背景下土壤碳库的持续变化,这也会缓解土壤碳排放与气候变暖之间的正反馈作用。(4)同土壤总呼吸一样,土壤温度是影响该区土壤呼吸组分的主要环境因子,5cm土壤温度可以解释土壤异养呼吸速率的79.0%~87.4%;土壤湿度可以解释土壤异养呼吸速率的11.6%~31.1%,土壤湿度在调控土壤呼吸组分中起双重作用:当土壤含水量低于25%时,湿度因子对土壤异养呼吸起促进作用,当土壤含水量高于25%时,湿度因子对土壤异养呼吸起抑制作用。5cm土壤温度和湿度可以解释土壤自养呼吸速率的36.3%~52.0%和7.2%~9.6%,当土壤含水量低于18%时,湿度因子对土壤自养呼吸起促进作用,当土壤含水量高于18%时,湿度因子对土壤自养呼吸起抑制作用。干旱期内,土壤温度和湿度作为调控土壤呼吸组分的两大环境因子,异养呼吸(R2=0.329)对水分依赖性高于自养呼吸(R2=0.174)。虽然处理改变了土壤水热环境,但处理间微生物群落结构(微生物量碳氮比)、底物供应(全氮、土壤碳氮比、溶解性有机碳)和植物地下部分根系生物量差异并不显著是导致处理间土壤呼吸组分差异不显著的主要原因。(5)土壤异养呼吸和自养呼吸温度敏感性对增温和减雨处理的响应并不一致,土壤总呼吸的温度敏感性介于3.05~3.25之间,土壤异养呼吸的温度敏感性介于2.54~2.79之间,土壤自养呼吸的温度敏感性介于4.25~5.97之间。方差分析结果表明土壤增温与减雨处理显著提高了土壤异养呼吸温度敏感性,但对土壤总呼吸和自养呼吸温度敏感性响应并不显著。(6)土壤增温和减雨处理对生长季和非生长季土壤微生物生物量影响不显著,但显著改变了生长季革兰氏阳性菌:革兰氏阴性菌比值。对生长季和非生长季微生物群落结构进行PCA分析表明:在生长季期间,第一主成分轴能够解释微生物群落结构变异的53.0%,第二主成分轴能够解释土壤微生物群落结构变异的29.2%,产生差异的主要原因是减雨样地具有相对较高的丛枝菌根真菌和真菌丰度,而增温+减雨样地比增温样地和减雨样地则具有较低丰度的细菌;在非生长季期间,第一主成分轴能够解释微生物群落结构变异的73.4%,第二主成分轴能够解释土壤微生物群落结构变异的11.6%,产生差异的主要原因是对照样地具有相对较高丰度的丛枝菌根真菌。RDA分析表明:土壤湿度是影响处理间土壤微生物结构分异的主要原因,土壤湿度引起微生物群落结构变化是土壤湿度影响土壤呼吸的主要原因;在水分不是限制因子且温度较低的非生长季中,土壤底物质量和可利用底物的数量是影响微生物群落结构的主要原因。分析土壤增温和减雨处理对微生物功能的影响时发现:季节因素并不是影响土壤酶活性变异的主要原因,土壤酶对生长季和非生长季生物和非生物因子的专一性响应是导致酶活性变异的主要因素。 【关键词】：土壤呼吸 异养呼吸 自养呼吸 温度敏感性 微生物群落结构 微生物功能
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S714.3
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-18
• 第一章 绪论18-27
• 1.1 引言18-25
• 1.1.1 全球气候变化18-19
• 1.1.2 气候变化与碳排放19
• 1.1.3 非生物因子与土壤碳排放19-20
• 1.1.4 生物因子与土壤碳排放20-22
• 1.1.5 气候变化与呼吸适应性22-23
• 1.1.6 气候变化与微生物群落结构和功能响应23-25
• 1.2 研究目的和研究内容25-26
• 1.2.1 关键的科学问题25
• 1.2.2 研究内容25-26
• 1.3 技术路线26-27
• 第二章 土壤增温和减雨对土壤微环境和理化性质的影响27-45
• 2.1 引言27-28
• 2.2 研究区域概况28
• 2.2.1 气候特征28
• 2.2.2 植被特征28
• 2.3 试验设计28-29
• 2.4 样地基本信息29
• 2.5 土壤样品采集与土壤基本理化性质分析29-30
• 2.6 数据分析30-31
• 2.7 结果31-41
• 2.7.1 土壤增温与减雨处理对土壤微环境的影响31-33
• 2.7.2 土壤增温与减雨处理对土壤基本理化性质的影响33-36
• 2.7.3 土壤增温与减雨处理下，根系对土壤基本理化性质的影响36-39
• 2.7.4 土壤增温与减雨处理下，不同采样时间对土壤基本理化性质的影响39-41
• 2.8 讨论41-44
• 2.8.1 土壤微环境对增温和减雨处理的响应41
• 2.8.2 土壤基本理化性质对增温和减雨处理的响应41-42
• 2.8.3 增温与减雨处理下，土壤基本理化性质对根系作用的响应42-43
• 2.8.4 增温和减雨处理下，土壤基本理化性质对不同季节的响应43-44
• 2.9 小结44-45
• 第三章 土壤增温和减雨对土壤总呼吸的影响45-62
• 3.1 引言45-46
• 3.2 材料与方法46-48
• 3.2.1 试验设计46
• 3.2.2 土壤呼吸速率和土壤环境因子测定46-47
• 3.2.3 土壤样品采集与土壤基本理化性质测定47
• 3.2.4 土壤微生物量碳氮测定47-48
• 3.2.5 数据分析48
• 3.3 结果48-56
• 3.3.1 土壤温湿度与土壤总呼吸的季节变化48-50
• 3.3.2 土壤总呼吸与土壤温湿度的关系50-54
• 3.3.3 土壤总呼吸与土壤碳库和氮库关系54-56
• 3.4 讨论56-60
• 3.4.1 增温与减雨处理下，土壤总呼吸对土壤温湿度的季节性响应56-58
• 3.4.2 增温与减雨处理下，土壤总呼吸的适应性响应机制58-60
• 3.5 小结60-62
• 第四章 土壤增温和减雨对土壤异养和自养呼吸的影响62-80
• 4.1 引言62-63
• 4.2 材料与方法63-64
• 4.2.1 试验设计63
• 4.2.2 壕沟断根处理63
• 4.2.3 土壤异养及自养呼吸速率和土壤环境因子测定63
• 4.2.4 土壤样品采集与土壤基本理化性质、细根和微生物量测定63-64
• 4.2.5 数据分析64
• 4.3 结果64-76
• 4.3.1 土壤温湿度与土壤异养呼吸和自养呼吸的季节变化64-65
• 4.3.2 土壤增温与减雨处理对土壤呼吸组分和土壤环境的影响65-69
• 4.3.3 土壤异养呼吸和自养呼吸与土壤温度和湿度的关系69-74
• 4.3.4 土壤呼吸组分与土壤碳库和氮库的关系74-76
• 4.4 讨论76-79
• 4.4.1 增温和减雨处理下，土壤呼吸组分对土壤温湿度的季节性响应76-78
• 4.4.2 增温和减雨处理下，土壤呼吸组分对土壤碳库和氮库响应78-79
• 4.5 小结79-80
• 第五章 土壤增温和减雨对土壤呼吸温度敏感性的影响80-89
• 5.1 引言80-81
• 5.2 材料与方法81-82
• 5.2.1 土壤呼吸温度敏感性估算81
• 5.2.2 数据分析81-82
• 5.3 结果82-84
• 5.3.1 土壤呼吸及其组分温度敏感性对土壤增温与减雨的响应82-83
• 5.3.2 土壤增温与减雨处理对土壤呼吸温度敏感性的影响83
• 5.3.3 土壤呼吸及其组分温度敏感性与土壤理化性质的关系83-84
• 5.4 讨论84-87
• 5.4.1 增温和减雨处理下，土壤总呼吸温度敏感性的响应84-85
• 5.4.2 增温和减雨处理下，土壤异养呼吸和自养呼吸温度敏感性的响应85-87
• 5.5 小结87-89
• 第六章 土壤增温和减雨对微生物群落结构和功能的影响89-107
• 6.1 引言89-90
• 6.2 材料与方法90-92
• 6.2.1 试验设计90
• 6.2.2 土壤样品采集与土壤基本理化性质测定90
• 6.2.3 土壤微生物群落结构测定90
• 6.2.4 土壤酶活性测定90-92
• 6.2.5 数据分析92
• 6.3 结果92-102
• 6.3.1 土壤增温和减雨处理对土壤微生物生物量的影响92-93
• 6.3.2 土壤增温和减雨处理对土壤微生物群落结构的影响93-95
• 6.3.3 环境因子对土壤微生物群落结构的影响95-98
• 6.3.4 土壤增温和减雨处理对土壤微生物功能的影响98-100
• 6.3.5 生物和非生物因子对土壤微生物功能的影响100-102
• 6.4 讨论102-106
• 6.4.1 增温和减雨处理下，土壤微生物群落结构的响应102-104
• 6.4.2 增温和减雨处理下，土壤微生物功能的响应104-106
• 6.5 小结106-107
• 第七章 结论与展望107-110
• 7.1 结论107-108
• 7.2 展望108-110
• 参考文献110-131
• 在读期间学术研究131-132
• 致谢132-133

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