土壤異養(yǎng)呼吸對溫濕度的響應(yīng)

土壤異養(yǎng)呼吸對溫濕度的響應(yīng)

土壤呼吸是土壤碳儲量向大氣釋放的消息。以往研究根據(jù)溫度和水分建立了多種土壤呼吸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?土壤呼吸溫度響應(yīng)方程的形式包括冪、指數(shù)、反曲(sigmoidal)和Arrhenius關(guān)系;土壤呼吸水分響應(yīng)方程的形式包括線性、二項(xiàng)式、對數(shù)正態(tài)(lognormal)或superimposedGompertz關(guān)系(Webs-teretal.,2008)。文獻(xiàn)中土壤呼吸與溫度的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ推毡闉?R=ae草地約占全球陸地總面積的25%,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體生態(tài)類型之一(周萍等,2009)。我國近年針對內(nèi)蒙古溫帶草原的研究主要集中于野外觀測實(shí)驗(yàn),類型包括:以不同植被類群土壤為研究對象,野外測定土壤呼吸的日間、季節(jié)動態(tài)(陳全勝等,2004;周萍等,2009);或人為改變環(huán)境變量進(jìn)行野外半控制實(shí)驗(yàn)(Niuetal.,2010;徐海紅等,2011;高娟等,2011),研究土壤呼吸對環(huán)境變量的響應(yīng);或測定植物凋落物、根系等生物量,探討土壤呼吸中來自植物組分的呼吸貢獻(xiàn)(王娓和郭繼勛,2002;王娓等,2003)。然而,野外觀測實(shí)驗(yàn)中土壤內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜,根系殘留將導(dǎo)致自養(yǎng)呼吸與異養(yǎng)呼吸區(qū)分存在困難;且野外條件下土壤呼吸受非生物因素(溫度、水分、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量等)和生物因素(植被類型、林齡、植物物候等)的多重影響,對研究單個調(diào)控因子的調(diào)控作用干擾很大。因此,開展室內(nèi)非原狀土培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)可保證土壤均質(zhì)并嚴(yán)格控制溫濕度梯度,有助于了解理想條件下Rh對土壤溫度和水分的響應(yīng)情況。本實(shí)驗(yàn)對內(nèi)蒙古多倫縣克氏針茅(Stipakrylovii)(西北針茅Stipasareptanavar.krylovii)草原生態(tài)系統(tǒng)土壤進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn),旨在通過觀測不同溫濕度梯度下的Rh速率,總結(jié)Rh對土壤溫度和水分的響應(yīng)規(guī)律,并試圖根據(jù)土壤相關(guān)生物指標(biāo)含量的變化情況分析土壤溫度和水分對Rh的影響機(jī)理。本實(shí)驗(yàn)比較不同呼吸響應(yīng)方程的擬合結(jié)果,選出室內(nèi)培養(yǎng)條件下Rh對溫濕度的最適響應(yīng)模型,旨在為野外Rh觀測實(shí)驗(yàn)提供參考。1材料和方法1.1月平均氣溫和降水量研究區(qū)位于內(nèi)蒙古多倫縣境內(nèi)(42.02°N,116.17°E),平均海拔1341m。該區(qū)年平均氣溫2.1℃(1993–2007),月平均氣溫從1月份的–17.5℃到7月份的18.9℃不等;平均年降水量為385mm(1993–2007),約67%的降水發(fā)生在6月和8月;土壤自表層至以下40cm范圍內(nèi)土層為栗鈣土,砂粒含量為62.8%,粉粒含量為20.3%,黏粒含量為17.0%,土壤平均容重為1.31g·cm1.2試驗(yàn)處理和研究方法1.2.1土壤鮮土的提取2012年7月22日在研究區(qū)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇4個相互間隔大于10m的樣點(diǎn)進(jìn)行取樣,取表層0–20cm土樣。鮮土過2mm篩混勻后分成4份,作為雙因子實(shí)驗(yàn)的4組重復(fù),在4℃下保存以供實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。取少量風(fēng)干土樣碾磨,過0.25mm篩,測定土樣土壤有機(jī)碳、全氮和全磷含量。1.2.2土樣的采集與培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)定5個溫度梯度:9、14、22、30、40℃,5個濕度梯度:土壤持水力(waterholdingcapacity,WHC)分別為20%、40%、60%、80%、100%。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)25種處理,每種處理含5個土樣用于5次測量重復(fù),共計(jì)培養(yǎng)25×5×4=500個土樣(圖1)。使用250mL錐形瓶盛放土樣,每個錐形瓶盛放50g干質(zhì)量的土樣。為設(shè)定濕度梯度,取部分土樣分成兩組:一組在烘箱105℃烘干至恒重后測定土樣質(zhì)量含水率,一組浸水飽和24h后自然滲水測定土壤持水力。土樣加水調(diào)節(jié)濕度后用帶孔膠塞封口,分別放入5個設(shè)定不同溫度的人工氣候箱中進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)。為保持人工氣候箱中O1.2.3志書的數(shù)量分布每組重復(fù)選取一次測量重復(fù)作為呼吸測定組被定期觀測,呼吸測定的土樣個數(shù)為100個。土樣放入培養(yǎng)箱穩(wěn)定5天,自8月13日開始第1次呼吸速率測定,并視為室內(nèi)培養(yǎng)第1天。Rh的測定頻率為8月份2天一次,9、10月份1周一次,共計(jì)18次。實(shí)驗(yàn)采用LI-COR6262便攜式紅外分析儀(LI-COR,Lin-coln,USA)測定呼吸速率,土樣測定時(shí)間為180s,取后120s作為有效時(shí)間,做線性回歸后數(shù)據(jù)單位為μmolCO土樣分別于8月14日、9月1日、9月19日、10月6日、10月23日取出進(jìn)行土壤相關(guān)指標(biāo)測定,測定日期記作培養(yǎng)第2天、第20天、第38天、第55天和第72天。每次取樣個數(shù)為100個,呼吸測定組在最后一次呼吸觀測結(jié)束后取出測定相關(guān)指標(biāo)。測定的生物指標(biāo)及方法如下:可溶性有機(jī)碳采用重鉻酸鉀加熱法,微生物生物量碳采用熏蒸法-重鉻酸鉀加熱法。測定的土壤本底指標(biāo)及方法如下:土壤總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法;全氮、全磷經(jīng)消煮后使用流動注射分析儀測定。1.2.4數(shù)據(jù)分析方法本研究使用單因素方差分析討論不同溫度或濕度梯度下Rh速率的差異顯著性,通過雙因素方差分析討論溫濕度對呼吸的交互控制。為使Rh數(shù)據(jù)達(dá)到方差齊性要求,使用土樣異養(yǎng)呼吸速率的后12次觀測數(shù)據(jù)的平均值(即土樣呼吸速率較為穩(wěn)定后)進(jìn)行分析。由于土壤相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)間差異性較大,故使用Spearman相關(guān)系數(shù)討論指標(biāo)與異養(yǎng)呼吸、溫濕度間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,使用SigmaPlot12.5軟件進(jìn)行圖形繪制。為分析Rh對土壤溫度(T)和濕度(M)的單因素響應(yīng),本研究采取如下模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合:為分析土壤溫度和濕度對Rh的共同作用,本研究使用多個呼吸響應(yīng)模型對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,并通過比較確定最適模型(表1)。2結(jié)果2.1異養(yǎng)呼吸速率室內(nèi)培養(yǎng)呼吸測定為期71天,土樣異養(yǎng)呼吸速率在第一次測定后的第7天達(dá)到峰值,呼吸峰值與前后兩次呼吸觀測值差異顯著(p<0.05),此后逐漸下降至第13天左右趨于平緩(圖2)。9到40℃時(shí)土樣異養(yǎng)呼吸18次測定平均值顯示:異養(yǎng)呼吸速率隨升溫而增加。不同溫度下呼吸變化幅度分別是38.59、31.42、64.02、55.41和104.47μgC·g2.2cg高溫和高溫下rh速率隨時(shí)間的變化取Rh速率較為穩(wěn)定的后12次數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析,Rh速率的平均值從9到40℃分別為(13.37±2.92)、(18.71±3.40)、(37.14±7.31)、(52.03±10.85)和(53.14±14.39)μgC·g不同濕度條件下,9–30℃范圍內(nèi)Rh速率隨溫度升高而上升,但在40℃20%–60%WHC時(shí)Rh速率下降,說明高溫條件下Rh可能受到抑制(圖4)。土壤呼吸溫度敏感性的基本公式為:QRh速率平均值從20%WHC到100%WHC分別為(18.78±2.27)、(41.16±6.67)、(39.16±9.57)、(53.81±17.35)和(21.52±7.34)μgC·g2.3響應(yīng)rh模型擬合分析通過雙因素方差分析發(fā)現(xiàn),本實(shí)驗(yàn)中溫度和土壤水分對Rh產(chǎn)生顯著的交互作用(表4)。因此,本實(shí)驗(yàn)使用多種溫濕度交互作用的響應(yīng)模型對Rh進(jìn)行模擬,擬合結(jié)果顯示不同響應(yīng)方程的擬合程度差異較大,從47%到91%不等(表5,模型4擬合情況較差未放入表中)。赤池信息量準(zhǔn)則(AIC)越小表示模型的簡潔性和精確性越優(yōu),因此Rh對溫濕度的最適響應(yīng)模型為:lnRh=0.914+0.098T+0.046M+0.001TM–0.002T2.4培養(yǎng)過程中表型和表型的關(guān)系5次破壞性取樣的指標(biāo)測定結(jié)果顯示,微生物生物量(MBC)平均值呈先升后降的趨勢。在室內(nèi)培養(yǎng)前期,由于呼吸底物充足,微生物增長迅速,特別是高溫高濕條件下(30–40℃、80%–100%WHC)MBC的躍增,導(dǎo)致第20天取樣時(shí)MBC達(dá)到峰值,此后MBC持續(xù)下降,變化幅度為342.41mgC·kg5次取樣過程中,MBC與溫度在第20天達(dá)到顯著正相關(guān)(p<0.001),此后均為顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05),導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是培養(yǎng)過程中30和40℃時(shí)MBC的顯著變化(圖7),對5次MBC含量使用LSD多重比較發(fā)現(xiàn):低溫范圍(9–14℃)與高溫范圍(30–40℃)之間多表現(xiàn)為差異顯著(p<0.05)。本次培養(yǎng)過程中MBC始終與濕度保持顯著正相關(guān)(p<0.05),且低濕范圍(20%–40%WHC)與高濕范圍(80%–100%WHC)之間多表現(xiàn)為差異顯著(p<0.05)。而5次取樣的DOC與溫度無顯著相關(guān),且在溫度間差異無顯著規(guī)律;濕度與DOC始終呈顯著正相關(guān)(p<0.05),且不同濕度間差異極顯著(p<0.01)。實(shí)驗(yàn)分別選取與5次取樣時(shí)間最近的5次Rh速率,使用Spearman相關(guān)性分析討論5次取樣的MBC、DOC與臨近時(shí)間Rh速率的關(guān)系。MBC在培養(yǎng)第2天和第38天與Rh速率無顯著相關(guān),在培養(yǎng)第20天與異養(yǎng)呼吸極顯著正相關(guān)(p<0.01),而在培養(yǎng)第55天和第72天時(shí)MBC與Rh速率呈極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。DOC只在培養(yǎng)第20天與Rh速率呈正相關(guān)(p<0.05),其他時(shí)間均與異養(yǎng)呼吸無顯著相關(guān)。3討論和結(jié)論3.1溫度對土壤b大量野外實(shí)驗(yàn)證明:土壤呼吸速率日變化和季節(jié)變化普遍呈單峰曲線,且與溫度顯著正相關(guān)。土壤微生物生存的最適溫度在25–35℃,前人實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):長白山不同林種土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中土壤呼吸最適溫度在25–35℃(王淼等,2003),地中海森林土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中異養(yǎng)呼吸在30℃時(shí)達(dá)到最高(Reyetal.,2005)。本實(shí)驗(yàn)中Rh在30–40℃時(shí)最大,而40℃條件下20%–60%WHC時(shí)的Rh速率下降,說明40℃已超過此濕度范圍內(nèi)微生物生存的最適溫度。本次室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的周期為71天,土壤MBC平均值在30℃達(dá)到最大。對短期內(nèi)溫度升高導(dǎo)致Rh速率上升現(xiàn)象的解釋包括:個體水平上,微生物降解聚合有機(jī)物的胞外酶活性、微生物吸收可溶性底物的速度、微生物呼吸速率的增加(陳全勝等,2004);群落水平上,升溫導(dǎo)致微生物物種數(shù)量和組成變化,使低溫時(shí)微生物不能利用的底物在高溫時(shí)能被利用(肖輝林和鄭習(xí)健,2001)。然而,超過最適溫度后微生物胞外酶活性的下降和活性碳庫的耗竭將導(dǎo)致Rh速率下降。實(shí)驗(yàn)使用指數(shù)方程對Rh與溫度進(jìn)行擬合,9–40℃范圍內(nèi)Q3.2rh速率的最適濕度土壤呼吸在田間持水力范圍內(nèi)對水分添加產(chǎn)生正響應(yīng),當(dāng)土壤溶液和氣體在土壤孔隙中達(dá)到最佳比例時(shí)呼吸速率最大(周萍等,2009)。前人研究表明異養(yǎng)呼吸對土壤水分的正反饋閾值一般在60%–80%WHC,與土壤質(zhì)地、植被類型等有關(guān)(Reyetal.,2005;王國兵等,2009),本實(shí)驗(yàn)Rh速率的最適濕度是80%WHC。實(shí)驗(yàn)中Rh在20%和100%WHC最低,可能的原因是:土壤水分含量較低時(shí),土壤襯質(zhì)勢過低引發(fā)微生物的死亡或休眠(Borkenetal.,2002);土壤結(jié)構(gòu)不利于酶和呼吸底物的移動擴(kuò)散(劉穎等,2005);土壤水分含量過高則抑制土壤空隙中的氣體交換,使土壤還原性增強(qiáng),厭氧環(huán)境可能抑制好氧菌活性(Tingeyetal.,2006)。土壤微生物生物量和凈氮礦化速率與濕度的關(guān)系表明:土壤水分較低時(shí)土壤微生物生物量較少且活性較低,土壤微生物生物量隨濕度增大而增加,Rh相應(yīng)增強(qiáng)并在80%WHC時(shí)達(dá)到呼吸峰值,然而土壤含水量過高將導(dǎo)致好氧微生物活性受到抑制,因此100%WHC條件下土壤微生物生物量大但異養(yǎng)呼吸速率小。3.3土壤環(huán)境對土壤微生物群落組成的影響本實(shí)驗(yàn)中Rh的溫度敏感性Q室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件下溫度與濕度交互作用顯著(p<0.001),Rh的溫濕度響應(yīng)模型為lnRh=0.914+0.098T+0.046M+0.001TM–0.002T溫濕度梯度下,土壤微生物生物量、可溶性有機(jī)碳含量變化呈現(xiàn)不同的動態(tài)特征。MBC和DOC含量在培養(yǎng)期間與土壤濕度始終呈顯著正相關(guān)(p<0.05);MBC與溫度的相關(guān)性隨培養(yǎng)時(shí)間發(fā)生變化,DOC在培養(yǎng)期間與溫度無顯著相關(guān)。MBC在培養(yǎng)第20天與異養(yǎng)呼吸顯著正相關(guān)(p<0.01),說明培養(yǎng)初期土壤環(huán)境適宜,培養(yǎng)一段時(shí)間后土壤微生物迅速增長且呼吸活性大;而在培養(yǎng)第55天和第72天時(shí)MBC與Rh速率呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01),預(yù)示培養(yǎng)中后期部分微生物死亡或微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,使得MBC含量迅速下降,微生物維持呼吸比例增大(Dilly&Munch,1998)。DOC在培養(yǎng)第20天與Rh速率呈正相關(guān)(p<0.05),這可能說明DOC表征的不僅是微生物利用的呼吸底物,還是微生物的代謝產(chǎn)物(Chapinetal.,2002),因此DOC與微生物活性密切相關(guān);其他時(shí)間DOC均與異