温带森林土壤有机质分解对土壤含水量变化的响应

发布时间：2020-07-23 00:22

【摘要】：土壤有机质分解作为生态系统碳循环的重要组成部分,其微小变化都会对大气CO_2浓度以及土壤碳库产生巨大影响。CO_2是土壤有机质分解的主要产物,同时又是造成全球变暖的主要温室气体,对陆地生态系统碳循环和减缓全球气候变暖等方面起着十分重要的作用。科学家们对此进行了大量实验和模型研究,但都主要集中在升温对土壤有机质分解及其温度敏感性的分析探讨,而忽视了相伴随发生的土壤水分的变化及其对土壤碳动态的影响。降水是土壤水分的直接来源,全球变暖强烈影响着大气环流和水分循环,从而引发了降水格局的变化,直接改变土壤水分含量。土壤含水量作为土壤的主要性质,对土壤的通透性,可溶性有机质浓度等理化性质以及微生物的群落结构和活性具有重要影响,从而对土壤有机质分解所释放的CO_2产生影响。自然生态系统中土壤含水量是由地形因素、土壤因素和气候因素等共同决定的。野外长期的水分环境决定了土壤性质的差异,仅通过室内短期培养是无法模拟真实自然环境中土壤含水量对有机质分解的影响。人们对土壤含水量与土壤有机质分解的关系研究忽略了取样位点实际含水量的影响。此外还很少有研究从外源有机物输入的角度来分析不同土壤含水量对微生物呼吸的影响。因此本文设计了以下两个实验分别进行研究:土壤含水量对土壤有机质分解及其温度敏感性的影响;不同土壤含水量条件下微生物对外源添加碳的利用策略。1.从森林沼泽到森林的过渡,体现了野外的长期环境造成土壤含水量的明显差异,是自然森林生态系统中典型的土壤含水量变化序列。而纬度较高、气候寒冷的地区土壤积累了大量有机质,同时也被认为是全球变化最为敏感的地区之一。因此,本研究选取我国中高纬度地区三个温带森林作为研究区,每个研究区根据地形因素,从森林沼泽到森林按照土壤含水量序列差异选取了三个取样点。通过采取室内连续自动变温培养与测试的方法高频快速地测定土壤有机质分解速率,并计算出土壤CO_2累积释放量和温度敏感性。研究土壤含水量对土壤有机质分解及其温度敏感性的影响。结果表明寒温带森林土壤有机质分解速率随土壤含水量减小呈现先增加后减小的趋势。当土壤水分处于过饱和状态时,土壤含水量的减小导致氧化环境改变,CO_2累积释放量显著增加,此时氧化还原条件是影响土壤有机质分解的主要控制因素;当土壤含水量持续减小,由于分解底物被大量消耗,有机碳含量减少,土壤有机质分解速率降低,土壤底物成为限制有机质分解的主要因子。可能因为底物性质的不同,中温带森林土壤有机质分解速率随土壤含水量的减小而逐渐降低。土壤有机质分解的温度敏感性对土壤含水量序列变化过程的响应具有区域差异性,可能受分解底物和理化土壤性质等因素的综合影响。2.外源底物的添加可以给饥饿的微生物提供能量来源,在短时间内激活那些处于潜在活跃状态的微生物。土壤微生物的生命活动直接受土壤水分控制,且微生物在降水变异性大的干旱地区对外源底物添加具有较为明显的响应。不同土壤含水量条件下微生物对土壤外源底物的利用策略研究,我们选取较为干旱的暖温带森林土壤作为研究对象,调节其含水量并通过添加δ~(13)C标记的葡萄糖溶液进行培养实验,连续快速测定微生物分别利用葡萄糖和土壤原有有机质进行的呼吸速率。实验结果表明不同含水量条件下土壤对葡萄糖添加的响应强度和持续时间有所不同,70%WHC土壤对葡萄糖添加的响应强度最大,而10%WHC土壤的响应强度最小;当WHC为90%时,土壤微生物呼吸对葡萄糖添加响应的持续时间最长,除此之外,其他水分条件下,葡萄糖呼吸速率和土壤呼吸速率均在添加后12h内达到最大值,可见微生物对葡萄糖添加的反应十分快速。总的来说,土壤水分通过影响微生物活性、底物的可利用性及代谢产物的扩散等多方面影响着土壤有机质分解。不同土壤含水量条件下微生物对外源添加碳和土壤原有有机质的分配利用策略不同。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S714
【图文】：

温度敏感性,测试方法,土壤温度,酶活性

图 1-1 土壤有机质分解的温度敏感性研究的主要培养测试方法Figure 1-1 incubation and measurement modes for the studies of soil organic matter decomposition antemperature sensitivity.1.2.4 土壤有机质分解的影响因素（1）土壤温度土壤温度是影响土壤有机质分解最主要的环境因素，不同生态系统中土壤有机质分解均会受到温度的影响，如森林生态系统[53,54]和青藏高原高寒草地[26]。土壤有机质分解是在酶的作用下进行的，因此温度通过影响酶活性进而影响土壤有机质的分解低温时，酶活性受到抑制，随着温度的增加酶活性逐渐增强，当超过最适温度之后酶活性急剧下降，甚至降解。众多科学家已对此方面进行了大量研究发现，土壤温度能够解释土壤有机质分解 85-86%的变异[42]，当土壤温度从 20℃升到 30℃，有机质分解速率在短期内将增加 3 倍[36]。总的来说，土壤有机质分解与温度之间存在显著的相关性，主要是线性、二次方程、指数方程和 Arrhenius 方程等关系（表 1-1）。其中温度敏感性 Q10是描述土壤有机质分解对温度变化响应的良好参数，它可以在不同生态系统、不同研究之间进行规范的比较，因此引起了土壤学和生态学方面的广泛关注[55][56]

温带森林土壤,采样分布

第二章研究区概况与研究方法研究区自然概况球森林土壤碳库占陆地土壤总碳库的 73%，而纬度较高、气候寒冷的地的有机质，含有更高的碳密度。且北方高纬度地区被认为是全球变化最之一。因此针对土壤含水量对土壤有机质分解及其温度敏感性的影响研了中高纬度地区漠河（112°19′15″E，53°28′8″N），根河（121°30′7″E，50°56（126°23′11″E, 42°20′43″N）三个森林及森林沼泽作为研究区，包括两针叶林和一个中温带针阔混交林（图 2-1）。

理论框架,土壤含水量,序列,温度敏感性

析温度敏感性对土壤的不同水分含量的响应特征及其控制因素。土壤有机质分解和温度敏感性在不同土壤水分含量条件下的变化，将直接影响森林与沼泽生态系统的碳库储量以及向大气排放的 CO2含量。本研究对全面理解区域碳平衡具有重要意义，对于积极应对全球气候变暖也具有重大的现实意义。

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