中國東部南北森林樣帶土壤微生物呼吸及其控制因素.pdf

1、森林土壤有機(jī)質(zhì)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳庫之一，其分解速率及溫度敏感性是反映森林土壤碳循環(huán)及其對(duì)未來氣候變化響應(yīng)的重要參數(shù)，是目前研究的熱門方向。此外，降雨事件是生物地球化學(xué)循環(huán)過程中重要的影響因子，在干旱半干旱地區(qū)，由于降雨的頻度及強(qiáng)度的差異，導(dǎo)致最終微生物呼吸產(chǎn)生不同的等級(jí)脈沖響應(yīng)。在這不同等級(jí)的響應(yīng)中，微生物呼吸的響應(yīng)非常急劇，瞬間可能就達(dá)到脈沖峰值，特別是頻發(fā)的小降雨事件；然而，大多是基于日尺度進(jìn)行研究的，因此對(duì)于微生物呼吸的降雨

2、脈沖前期響應(yīng)尚不是很清楚。中國東部南北森林樣帶，橫跨寒溫帶至熱帶，具有明顯的熱量梯度及水熱組合梯度，是世界上獨(dú)特完整的以熱量梯度驅(qū)動(dòng)的植被連續(xù)帶，其中北京東靈山地處干旱半干旱地區(qū)，暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，是研究土壤微生物呼吸的緯度格局及對(duì)降雨響應(yīng)非常好的實(shí)驗(yàn)材料。為此，本文設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行研究：實(shí)驗(yàn)1以中國東部南北森林樣帶（NSTEC)8種土壤為研究對(duì)象，在5-30℃自動(dòng)變溫模式下測(cè)定了為期8周的土壤有機(jī)分解速率、以及培養(yǎng)期內(nèi)的

3、土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮、土壤可溶性有機(jī)碳、土壤可溶性氮、pH、電導(dǎo)率和氧化還原電位，以此來研究土壤微生物呼吸及其溫度敏感性在緯度梯度上的差異以及土壤底物、微生物和化學(xué)性質(zhì)對(duì)它們的貢獻(xiàn)率。實(shí)驗(yàn)2以地處暖溫帶地區(qū)的北京東靈山上土壤肥沃的天然林(單優(yōu)物種為遼東櫟)和土壤貧瘠的次生林(嚴(yán)重退化后形成的次生灌叢)的土壤為研究對(duì)象，模擬降雨事件，并在小降雨(0.2-0.25ml·cm—2)發(fā)生后48h內(nèi)集中的測(cè)定了微生物呼吸速率（2

4、72次）和微生物生物量（6次），從降雨脈沖峰值、達(dá)到峰值的時(shí)間以及脈沖持續(xù)時(shí)間三個(gè)角度探討土壤微生物呼吸速率對(duì)降雨事件的響應(yīng)以及土地質(zhì)量退化對(duì)降水脈沖效應(yīng)的影響。
　　實(shí)驗(yàn)1結(jié)果表明：溫度顯著影響土壤微生物呼吸速率，其關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)來表征(P<0.001)。土壤有機(jī)質(zhì)基礎(chǔ)分解速率(20℃)在不同森林類型間差異顯著，且隨著緯度的升高而顯著升高(F=658.98，P<0.001)。土壤微生物呼吸的溫度敏感性(以。)在不同森林類型間差

5、異顯著，最高的是太岳山，最低的是尖峰嶺；整體來說以0隨著緯度的升高顯著升高(F=184.77，P<0.001)；即符合“低溫區(qū)更敏感假設(shè)”。土壤微生物呼吸的溫度敏感性與碳質(zhì)量指數(shù)(A)呈顯著的指數(shù)的負(fù)相關(guān)(F=77.177，P<0.001)。上述發(fā)現(xiàn)證明“碳質(zhì)量-溫度假說”也適合樣帶尺度。結(jié)構(gòu)方程分析表明：微生物、土壤底物供應(yīng)和化學(xué)性質(zhì)共同控制了土壤微生物呼吸速率47％和溫度敏感性70%的變異；其中對(duì)分解速率而言，微生物的貢獻(xiàn)更大，其次

6、是化學(xué)性質(zhì)；對(duì)溫度敏感性而言，分解底物的貢獻(xiàn)率最大，其次是微生物和土壤化學(xué)性質(zhì)。我們的研究結(jié)果不僅闡釋了樣帶森林土壤微生物呼吸速率和溫度敏感性的空間格局，還給出了實(shí)驗(yàn)證據(jù)：土壤有機(jī)分解速率和溫度敏感性的控制機(jī)制存在顯著差異(微生物VS底物)，其中微生物控制著土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率，底物控制著溫度敏感性。
　　實(shí)驗(yàn)2結(jié)果表明：土壤微生物呼吸對(duì)模擬小降水事件的響應(yīng)強(qiáng)度在次生林和天然林間差異極其顯著，具體表現(xiàn)為：次生林在0.09h就達(dá)到脈

7、沖峰值，并極顯著的快于天然林（0.31h)；且具有顯著高于天然林的脈沖峰值（天然林7.94ug Cg-1·h—1VS次生林18.69ugCg—1·h—1);以及顯著的脈沖持續(xù)時(shí)間（天然林3.11hVS次生林0.36h)。此外，我們還發(fā)現(xiàn)達(dá)到微生物呼吸速率降低至1/2最大值后的平均速率在兩個(gè)樣點(diǎn)間同樣存在顯著性差異。盡管次生林在約1.3 d內(nèi)激發(fā)作用就完全恢復(fù)，天然林在2d時(shí)還有微弱的激發(fā)作用，不考慮土壤本身的有機(jī)質(zhì)含量，兩者的累積微生物