封育對羊草草地土壤碳礦化的影響

封育對羊草草地土壤碳礦化的影響

土壤是地球生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳儲量，其變化顯著影響到地球生態(tài)系統(tǒng)的碳固定功能和碳交換效應(yīng)（lal，2004）。土壤碳庫的動態(tài)平衡受有機質(zhì)輸入和分解兩個過程的共同制約;除凈光合作用外,土壤呼吸是大氣與生態(tài)系統(tǒng)間最大的碳交換通量,也是土壤有機碳以CO2形式返回大氣的最重要途徑。因此,如何精確地測定土壤呼吸和闡明其控制機理是當(dāng)前全球變化研究中的關(guān)鍵性科學(xué)問題(Lal,2004;IPCC,2007)。近年來,科學(xué)家圍繞著土壤呼吸的時空動態(tài)及其控制機理開展了大量的研究工作,并取得了較好的研究成果(IPCC,2007);然而,部分關(guān)鍵性的科學(xué)問題仍未得到很好的解決,尤其是土壤呼吸的溫度敏感性(temperaturesensitivity)和激發(fā)效應(yīng)(primingeffect)(Fangetal.,2005;Mahechaetal.,2010;Zhouetal.,2012)。土壤呼吸的溫度敏感性是指土壤呼吸對溫度變化的響應(yīng)方向和響應(yīng)程度,常用溫度敏感性指數(shù)(Q10)來表示;Q10是指溫度每增加10℃,土壤呼吸速率所增加的倍數(shù),Q10越大,溫度敏感性越大(Lloyd&Taylor,1994;Perkinsetal.,2012)。當(dāng)新的有機質(zhì)輸入土壤后,會在短期內(nèi)引起土壤呼吸速率高峰的出現(xiàn),科學(xué)家將這種現(xiàn)象稱為激發(fā)效應(yīng)(Laura,1975;Dalenberg&Jager,1981)。自然界的土壤呼吸過程伴隨著無數(shù)個有機質(zhì)脈沖式輸入的激發(fā)效應(yīng),單個激發(fā)效應(yīng)的時間可能比較短,但整合后的激發(fā)效應(yīng)卻對土壤呼吸的貢獻非常大(朱培立和黃東邁,1994;陳春梅等,2006;Gershensonetal.,2009;Kuzyakov,2010;白潔冰等,2011)。通過對土壤呼吸的溫度敏感性和激發(fā)效應(yīng)的研究,不僅可揭示生態(tài)系統(tǒng)地下過程(尤其是碳氮周轉(zhuǎn))對未來氣候變化的響應(yīng)和適應(yīng),闡明土壤有機碳的積累和分解機理,還將有助于改進碳循環(huán)模型和準(zhǔn)確地評估陸地生態(tài)系統(tǒng)在氣候變化情景下的碳固持效應(yīng)(carbonsequestrationeffect)。我國科學(xué)家圍繞著內(nèi)蒙古草地土壤呼吸速率時空格局、主要控制因素、溫度敏感性等開展了較多的工作(陳全勝等,2004;Jiaetal.,2007;劉立新等,2007;Jia&Zhou,2009)。此外,還較系統(tǒng)地開展了長期封育對內(nèi)蒙古草地碳固持效應(yīng)的研究工作,結(jié)果表明,內(nèi)蒙古草地在封育過程中生產(chǎn)力、生物多樣性、碳和氮貯量等均發(fā)生了明顯變化,封育草地表現(xiàn)出明顯的碳匯效應(yīng)(Heetal.,2011a,2011b;何念鵬等,2011);然而,隨著封育年限的增長,草地碳貯量逐漸趨于平衡(Heetal.,2008;Wuetal.,2008)。根據(jù)經(jīng)典的生態(tài)學(xué)理論,隨著生態(tài)系統(tǒng)逐漸成熟(或老齡化),生態(tài)系統(tǒng)將通過調(diào)節(jié)碳輸入和碳輸出過程來實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)碳收支平衡,即通過增加呼吸來平衡光合輸入(Odum,1957;Mcintosh&Odum,1969)。鑒于新有機質(zhì)輸入后激發(fā)效應(yīng)的重要性,生態(tài)系統(tǒng)的演替所伴隨的激發(fā)效應(yīng)及其溫度敏感性變化,會對生態(tài)系統(tǒng)碳周轉(zhuǎn)起到重要作用。雖然弄清長期封育狀態(tài)下內(nèi)蒙古草地土壤呼吸激發(fā)效應(yīng)及其溫度敏感性變化具有重要的理論意義,但遺憾的是,仍未見相關(guān)的研究報道。本研究以內(nèi)蒙古的自由放牧草地和不同封育年限草地為研究對象,分析在0–25℃培養(yǎng)條件下土壤碳礦化的溫度敏感性和激發(fā)效應(yīng),希望能為準(zhǔn)確地評估內(nèi)蒙古草地的碳固持效應(yīng)提供理論依據(jù)。1實驗材料和方法1.1野外實驗樣地錫林郭勒草原是我國最大的天然草地分布區(qū)。該地區(qū)海拔1100–1350m,屬大陸性溫帶半干旱草原氣候區(qū);1980–2010年平均氣溫0.4℃,年降水量345mm。植被類型為溫帶典型草原,以羊草(Leymuschinensis)和大針茅(Stipagrandis)等多年生旱生禾草為優(yōu)勢種,進一步情況詳見參考文獻(陳佐忠等,2000;何念鵬等,2011)。野外實驗樣地為中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位的長期實驗樣地,分別是自由放牧羊草樣地(grazing-freegrassland,FG0)、封育11年的羊草樣地(11-yearfencedgrassland,FG11)和封育31年的羊草樣地(31-yearfencedgrassland,FG31)。上述3個實驗樣地相鄰,且具有相同的原生植被和土壤類型(Heetal.,2012)。其中,FG0一直是當(dāng)?shù)啬撩竦奶烊荒翀?FG31是1979年通過建立圍欄而形成的長期實驗樣地;FG11緊鄰FG31,是1999年通過建立圍欄而形成的長期實驗樣地(表1)。自樣地建立以來,FG11和FG31排除了大型動物采食、踐踏和火燒等干擾。1.2樣方設(shè)置與樣品采集2011年7月底,分別在每個樣地內(nèi)(距圍欄15m以上)設(shè)置一條100m的取樣樣帶,在樣帶上間隔20m分別設(shè)置5個1m×1m的樣方;調(diào)查樣方內(nèi)的植物群落特征,收集地表凋落物。隨后,采用土鉆法進行土壤取樣,在每個取樣樣方內(nèi)收集0–20cm土壤樣品約2.5kg鮮土。取樣當(dāng)天在室內(nèi)對土壤樣品進行過篩處理(2mm土壤篩),并手工挑除根系和雜質(zhì)。對經(jīng)過預(yù)處理的少量土壤樣品(約100g)風(fēng)干處理,其余部分在4℃冷藏。1.3室內(nèi)測試和培訓(xùn)1.3.1土壤飽和含水量測定經(jīng)過預(yù)處理的土壤樣品,采用重鉻酸-濃硫酸外加熱法測定有機碳含量,采用半微量凱氏定氮法測定全氮,采用鉬銻抗比色法測定土壤全磷、利用pH計測定土壤pH值。土壤飽和含水量測定使用簡易測定方法:分別稱取25–30g鮮土,置于細(xì)密的尼龍絲網(wǎng),在蒸餾水內(nèi)浸泡8h,將尼龍絲網(wǎng)和土壤樣品吊置于不通風(fēng)的櫥窗內(nèi)12h,此時測定的土壤含水量即為土壤飽和含水量(%)。土壤飽和含水量測定3次,其余指標(biāo)測定5次。1.3.2土壤碳化合的室內(nèi)培養(yǎng)和測定1.3.2.室內(nèi)呼吸自動-連續(xù)測定裝置的研發(fā)與野外受控實驗相比,土壤室內(nèi)培養(yǎng)實驗(incubationexperiment)可較好地控制各種實驗因素,更有利于深入揭示土壤微生物呼吸及其調(diào)控機理。為了滿足本項研究的需要,我們自主研發(fā)了室內(nèi)土壤微生物呼吸自動-連續(xù)測定裝置(圖1)。該裝置主要包括氣體進樣裝置、紅外CO2氣體分析儀(LI-7000CO2/H2OAnalyzer,LI-CORCorporation,Lincoln,USA)、CO2濃度調(diào)節(jié)裝置和測試樣品自動切換裝置。該系統(tǒng)可根據(jù)實驗需要調(diào)節(jié)裝置內(nèi)起始CO2濃度、測試時間以及不同測試樣品間的自動切換,成功實現(xiàn)了在室內(nèi)對土壤微生物呼吸的高速在線連續(xù)測定,可廣泛應(yīng)用于土壤碳周轉(zhuǎn)和微生物等相關(guān)領(lǐng)域。1.3.2.glu測定和測量樣品呼吸速率土壤培養(yǎng)前,先測定土壤含水量,經(jīng)過含水量換算后,再稱取等于35g風(fēng)干土的鮮土放入培養(yǎng)瓶內(nèi)。培養(yǎng)實驗共設(shè)置6個溫度梯度,分別是0、5、10、15、20和25℃。為了探討土壤碳礦化的激發(fā)效應(yīng),按風(fēng)干土壤重量的1%添加分析純葡萄糖(GLU)。本研究共包括3個實驗樣地(FG0、FG11和FG31)、兩種底物添加處理(對照(CK)和GLU)、6個溫度梯度(0、5、10、15、20和25℃)、4次重復(fù),共計144個培養(yǎng)的土壤樣品。首先,將土壤樣品含水量調(diào)節(jié)至60%飽和含水量,并置于20℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)4天,隨后根據(jù)實驗設(shè)置改變培養(yǎng)溫度(0、5、10、15、20和25℃),在不同溫度下培養(yǎng)3天后,采用如圖1所示的裝置分別測定土壤呼吸速率。隨后,加入0.35gGLU;在加入GLU后,測試頻度為1、2、3、4、5、6、7、14、21、28、35、42、49和56天;培養(yǎng)實驗共進行了8周,測定了13次。1.4土壤碳礦化速率根據(jù)圖1的裝置,土壤微生物呼吸速率(或土壤碳礦化速率)的計算方法如下:式中:Rmicrobe為土壤微生物呼吸速率(μgCO2·g–1·h–1),C為測試時間內(nèi)CO2濃度變化的直線斜率(預(yù)實驗結(jié)果表明直線回歸可很好地擬合短期內(nèi)的土壤微生物呼吸速率(R2>0.99,p<0.0001),V是培養(yǎng)瓶和管線的總體積,m是培養(yǎng)瓶內(nèi)土壤風(fēng)干重,α是CO2氣體質(zhì)量轉(zhuǎn)化系數(shù),β是時間轉(zhuǎn)化系數(shù)。本文分別采用培養(yǎng)前7天和培養(yǎng)前56天的數(shù)據(jù)來定量化地評估短期和長期土壤碳礦化的激發(fā)效應(yīng)及其溫度敏感性(Q10)。利用經(jīng)典的指數(shù)方程(Y=C0+A×exp(B×T)來擬合溫度對土壤碳礦化速率的影響,式中:Y為土壤碳礦化速率,T為培養(yǎng)溫度(℃),C0為常數(shù),A為基質(zhì)質(zhì)量指數(shù)(substratequalityindex),表示0℃時土壤凈碳礦化速率,B為溫度反應(yīng)系數(shù)。Q10是溫度敏感性指數(shù),計算公式為Q10=exp(10B),即溫度每升高10℃土壤碳礦化速率所增加的倍數(shù)。采用one-wayANOVA對實驗樣地土壤C、N、P和pH等數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗,采用單變量多因素分析方法檢驗封育年限(FG0、FG11和FG31)、添加葡萄糖、培養(yǎng)溫度和培養(yǎng)時間等對土壤碳礦化的溫度敏感性和激發(fā)效應(yīng)的影響。統(tǒng)計分析利用SPSS13.0統(tǒng)計軟件完成,顯著性差異水平為p=0.05。2結(jié)果2.1不同封育草地土壤凋落物、磷含量和ph值變化情況長期封育對羊草草地植被和土壤具有顯著的影響(表1)。其中,封育草地地上生物量顯著高于自由放牧草地(F=23.39,p<0.001);封育后地表凋落物顯著增加(F=19.46,p<0.001),封育31年后草地地表凋落物達到121.12g·m–2。長期封育顯著增加了0–20cm土層土壤的有機碳含量,在封育11年后,草地有機碳含量比自由放牧草地高4.82g·kg–1;類似地,封育草地0–20cm土層土壤的磷含量也較高(表1)。相反,長期封育草地土壤pH值顯著降低(F=17.14,p<0.001)。封育草地的土壤飽和含水量相對較高,但與自由放牧草地相比差異不顯著。2.2葡萄糖對土壤碳礦化速率的影響草地類型、底物添加、培養(yǎng)溫度和培養(yǎng)時間對土壤碳礦化速率均具有顯著的影響,且不同因素間存在顯著的交互效應(yīng)(p<0.0001,表2)。在非添加處理時(FG0、FG11和FG31),土壤碳礦化速率剛開始隨著培養(yǎng)溫度升高而顯著升高;但隨著培養(yǎng)時間的延長,土壤碳礦化速率逐漸降低(圖2)。在添加葡萄糖的處理中(FG0-GLU、FG11-GLU和FG31-GLU),土壤碳礦化表現(xiàn)出了明顯的激發(fā)效應(yīng);在添加葡萄糖1–2天后土壤碳礦化速率迅速上升;此外,土壤碳礦化速率的激發(fā)效應(yīng)與溫度密切相關(guān),在高溫時(15、20和25℃)土壤碳礦化速率的激發(fā)效應(yīng)比較明顯,在25℃時達到最大值;在低溫時(0和5℃),土壤碳礦化的激發(fā)效應(yīng)相對較小。2.3土壤碳礦化累積量圖3給出了對照和葡萄糖添加處理下不同草地土壤碳礦化的累積量,無論是培養(yǎng)前7天還是培養(yǎng)前56天,土壤碳礦化的累積量均隨溫度的升高而顯著升高,且能用經(jīng)典的指數(shù)方程來描述。無論是在前7天還是培養(yǎng)前56天(圖3),自由放牧草地土壤碳礦化累積量均顯著高于長期封育草地(p<0.001);同樣,在葡萄糖添加條件下,自由放牧草地(FG0)土壤碳礦化累積量也顯著高于長期封育草地(FG11和FG31)。在葡萄糖添加條件下,培養(yǎng)前7天的土壤碳礦化的激發(fā)效應(yīng)介于2.28–9.01;在培養(yǎng)前56天,激發(fā)效應(yīng)介于2.21–5.10;在培養(yǎng)前期,土壤激發(fā)效應(yīng)更明顯。土壤碳礦化的激發(fā)效應(yīng)在培養(yǎng)前7天隨溫度增加呈二項式函數(shù)變化(p<0.01),隨著溫度的升高而升高;在整個56天培養(yǎng)中,激發(fā)效應(yīng)與溫度的關(guān)系呈二項式函數(shù)關(guān)系,但最高值出現(xiàn)在10或15℃,隨著溫度進一步升高,表現(xiàn)為一定程度的下降趨勢。在培養(yǎng)前期,封育降低了土壤的激發(fā)效應(yīng)(圖4A)。2.4土壤碳礦化的溫度敏感性封育和葡萄糖添加對土壤碳礦化的溫度敏感性有顯著影響,二者間存在明顯的交互效應(yīng)(表3)。培養(yǎng)前7天,自由放牧草地土壤碳礦化的溫度敏感性(Q10=1.68)顯著高于封育11年(Q10=1.49)和封育31年的草地(Q10=1.48)(表4,p<0.01);類似地,在整個56天培養(yǎng)中,土壤碳礦化的溫度敏感性表現(xiàn)為自由放牧草地大于長期封育草地。與未添加處理相比,添加葡萄糖顯著增加了土壤碳礦化速率的溫度敏感性,即在添加葡萄糖后土壤微生物呼吸受溫度的影響更大(表4)。3不同類型草地的土壤碳礦化速率長期封育降低了內(nèi)蒙古羊草草地土壤碳礦化速率及其溫度敏感性。從研究數(shù)據(jù)來看,當(dāng)土壤水分保持在60%飽和含水量時,自由放牧草地土壤碳礦化速率顯著高于封育11年和31年的羊草草地(圖1;表1)。張金波等(2005)和Gershenson等(2009)的研究表明:土壤碳礦化與土壤有機質(zhì)或有機碳含量之間存在一定的相關(guān)性,隨著有機質(zhì)含量的增加,土壤碳礦化速率增加。土壤有機碳的數(shù)量與結(jié)構(gòu)是影響土壤碳礦化速率的重要因素。然而,土壤呼吸是個復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程,很多因素可以直接或間接地影響土壤中CO2的生產(chǎn)和排放過程。隨著溫度的變化,這些因素的地位和作用也會發(fā)生相應(yīng)的改變。Luo等(2001)認(rèn)為,在溫暖環(huán)境下,如果為微生物生命活動提供能量的基質(zhì)有限,那么微生物群落組成就會出現(xiàn)變化,或者對與土壤呼吸有關(guān)的生理和生態(tài)功能進行相應(yīng)的調(diào)整,從而可減少在土壤中的呼吸速率。范分良等(2012)通過滅菌和重新接種不同土壤微生物群落的方法,也證明了改變土壤微生物群落對土壤微生物呼吸速率及其溫度敏感性具有重要影響。本研究的結(jié)論意味著:在短期培養(yǎng)下,羊草草地的土壤有機質(zhì)是充足的,底物并不是碳礦化的重要制約因素。由于長期封育影響了土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和組成,進而影響到土壤碳礦化速率。當(dāng)然,上述解釋需后續(xù)研究工作予以證實。長期封育降低了羊草草地土壤碳礦化的激發(fā)效應(yīng)。無論是在培養(yǎng)前7天還是培養(yǎng)前56天,自由放牧草地(FG0)土壤碳礦化累積量顯著高于長期封育草地(FG11和FG31)(圖3)。以培養(yǎng)前7天為例,與未添加相比,25℃培養(yǎng)下,自由放牧草地(FG0)添加葡萄糖后土壤通過激發(fā)效應(yīng)多釋放了7.69mgC·g–1,封育11年草地(FG11)通過激發(fā)效應(yīng)多釋放了4.22mgC·g–1,而封育31年草地(FG31)通過激發(fā)效應(yīng)多釋放了4.94mgC·g–1。目前,有關(guān)土壤有機質(zhì)含量與土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的關(guān)系還存在較大的不確定性(Hamer&Marschner,2005;陳春梅等,2006)。長期封育后,草地地表凋落物顯著增多,土壤溫度顯著下降(Heetal.,2011a),顯著改變了土壤微生物群落組成結(jié)構(gòu),這可能是造成長期封育草地激發(fā)效應(yīng)下降的重要因素(Nottinghametal.,2009)。溫度是影響土壤碳礦化速率的重要因素。自由放牧草地、封育11年草地、封育31年草地(CK和GLU處理),土壤碳礦化速率與培養(yǎng)溫度均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系,并可用一級指數(shù)函數(shù)方程關(guān)系來模擬;培養(yǎng)前7天,Q10介于1.346–2.838;在整個56天培養(yǎng)過程中,Q10介于1.178–1.918。受植被類型和土壤類型的影響,不同生態(tài)系統(tǒng)類型的Q10一般在1–10之間(陳全勝等,2004;vonLützow&Kogel-Knabner,2009;楊慶朋等,2011;Perkinsetal.,2012);且土壤溫度和土壤濕度能解釋自然生態(tài)系統(tǒng)Q10的大部分變異(Jiaetal.,2007;Baloghetal.,2011)。無論是在自由放牧草地,還是封育11年草地和封育31年草地,輸入葡萄糖均顯著增加了土壤有機質(zhì)分解對溫度的敏感性(Q10),這意味著土壤有機質(zhì)對溫度的敏感性受土壤微生物可利用底物質(zhì)量的控制(Kuzyakov,2010;Zhouetal.,2012)。根據(jù)Arrhenius動力學(xué)-勢力學(xué)理論,底物低質(zhì)量的土壤比高質(zhì)量的土壤具有更高的溫度敏感性,但當(dāng)土壤質(zhì)量太差時,上述假設(shè)可能存在較大的問題(Sierra,2012)。溫度制約著土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)及