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文檔簡介
1、第38卷第8期生態(tài)學(xué)報(bào)Vol.38,No.82018年4月ACTAECOLOGICASINICAApr.,2018DOI:10.5846/stxb201704250749李歡,物玉盛,司友濤,林偉盛,熊德成,劉小飛.模擬增溫及隔離降雨對中亞熱帶杉木人工林土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及其結(jié)構(gòu)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2018,38(8):2884-2895.LiH,YangYS,SiYT,LinWS,XiongDC,LiuXF.Effectsofexperimentalsoilwanningandprecipitationreductiononthequantityandstructureofsoildiss
2、olvedorganicmatterofCunninghamialanceolataplantationsinsubtropicalChina.ActaEcologiesSinica,2018,38(8):2884-2895.模擬增溫及隔離降雨對中亞熱帶杉木人工林土壤可溶性有機(jī)質(zhì)的數(shù)量及其結(jié)構(gòu)的影響李歡頂,楊玉盛L2,司友濤L2,,林偉盛,2,熊德成劉小飛1,21福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,福州3500072福建省濕潤亞熱帶山地生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福州350007摘要:溫度和水分影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,而全球變曖和降雨格局的改變是未來氣候變化的趨勢。我國中亞熱帶
3、地區(qū)森林覆蓋率大,碳庫豐富,可溶性有機(jī)質(zhì)(D0M)作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,氣候變化對它的數(shù)量和組成具有重要的影響。本文對我國濕潤亞熱帶地區(qū)杉木人工林土壤進(jìn)行模擬增溫以及隔離50%的降雨試驗(yàn),利用光譜技術(shù)手段研究增溫及隔離降雨對土壤可溶性有機(jī)質(zhì)(D0M)的數(shù)量及其結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)設(shè)對照(CK)、增溫(W)、隔離降雨(P)、增溫與隔離降雨的交互作用(WP)4種處理。結(jié)果表明,與對照相比,土壤增溫后,0-10cm和10-20cm土層的土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)和可溶性有機(jī)氮(DON)增加,但其芳香性指數(shù)和腐殖化程度降低,增溫加速D0M的流失,不利于土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定。季節(jié)變化影響土壤的環(huán)境,導(dǎo)
4、致隔離降雨有使D0M的數(shù)量增加或減少的趨勢;在旱季(2014年10月和2015年1月),隔離降雨降低了土壤DOM的數(shù)量.但其芳香性指數(shù)和腐殖化程度增加,而進(jìn)入雨季(2015年4月).隔離降雨有使D0M增加的趨勢,但其組分中的芳香化合物較少。增溫和隔離降雨的交互作用在一定程度上促進(jìn)D0M的產(chǎn)生,其結(jié)構(gòu)比對照簡單。溫度和降雨對D0M的影響較為復(fù)雜,在全球氣候變化背景下,只有長期對其進(jìn)行觀測并探討其他因素帶來的影響才能深入了解氣候變暖和降雨格局的變化對土壤碳、敏的影響。關(guān)鍵詞:土壤增溫;隔離降雨;杉木人工林;土壤可溶性有機(jī)質(zhì)Effectsofexperimentalsoilwarmingandpre
5、cipitationreductiononthequantityandstructureofsoildissolvedorganicmatterofCunninghamialanceolataplantationsinsubtropicalChinaLIHuan1>2,YANGYusheng1-2,SIYoutao1*2'*,LINWeisheng1*2,XIONGDecheng12,IJUXiaofei1*2SchoolofGeographicalScience,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China1 KeyLaboratoryfo
6、rSubtropicalMountainEcology(MinistryofScienceandTechnologyandFujianProvincefunded)%Fuzhou350007,ChinaAbstract:Temperatureandmoistureareimportanttothestructureandfunctionofforestecosystems.Infuturedecades,globalwanningandvariationsinprecipitationpatternswillbethemajorclimaticcharacteristics.Globalwan
7、ningissuggestedtoacceleratethedecompositionofsoilorganicmatter(SOM),andtherebytoincreasethecarbonflux.Alteredrainfallamountsmightaffectplantgrowthandsoilstructure.Asacrucialcomponentofforests,dissolvedorganicmatter(DOM)playsanimportantroleinsuchecologicalprocesses.Itiscentraltothequestionsofcarbonde
8、composition/sequestrationinsoilsandnutrientavailabilitytomicroorganismsandplants.Naturalevergreenbroad-leavedforestsmakeupthetypicalvegetationinthesubtropicalzoneofChina,butlargeareasofnaturalforestshavebeentransformedtoCunninghamia基金項(xiàng)目:國家自然基金面上項(xiàng)目(31570606);福建省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)0(2015101120)收稿日期:2017-04-25;網(wǎng)
9、絡(luò)出版日期:2018-01-08通訊作者Correspondingauthor.E-mail:yt.si長J,因此缺乏外源有機(jī)質(zhì)的輸入,這可能是其土壤SOC較低的重要原因。在此階段,WP處理的1020cm土層的含水最最低,DOC的AI和HIXw也較低,但是SOC含量最高,這與WP處理較低的MBC相呼應(yīng),因?yàn)檩^少的微生物量減緩了SOC的分解。WP是W和P的雙重作用,溫度升高促使植物的生物量增加,提高外源有機(jī)質(zhì)的輸入量,促進(jìn)DOC.DON的數(shù)量增加,但由于微生物分解較慢,所以凈的結(jié)果是SOC的累積。到了2015年4月,雨季來臨,增溫和隔離降雨對土壤水分的影響不明顯。相反,P處理的含水量是最高的,這
10、可能是由于前期干旱的條件增加了土壤的孔隙,土壤蓄水能力增加,而較多的水分利于DOM的溶解釋放。旱季由于缺少擴(kuò)散作用,微生物基質(zhì)得到累積,進(jìn)入雨季,細(xì)菌的溶解以及C的溶解度增強(qiáng),導(dǎo)致DOC的濃度變大,細(xì)菌的溶解釋放大部分的親水性物質(zhì)即芳香性低的物質(zhì)傾,使得D0M的可利用性增強(qiáng),更容易被降解,因此P處理的MBC和MBN最高,AI最低。W處理的DOC、DON最高,SOC含量最低,說明增溫一年后,W處理的土壤固碳能力較差。在所有處理中,WP的土壤含水ft.MBC和MBN低,而SOC含量高,說明水分的相對缺乏是影響WP處理的關(guān)鍵因子,增溫能夠增加有機(jī)質(zhì)的輸入,但是水分減少降低了微生物的活性,抑制有機(jī)質(zhì)分
11、解,因此在增溫和隔離降雨二者交互作用下,SOC得以累積。整體而言,在試驗(yàn)期,土壤增溫加速了有機(jī)質(zhì)的分解,促進(jìn)DOC.DON數(shù)量的增加,而其DOM的組分具有較低的芳香性指數(shù)和腐殖化指數(shù),因此增溫使土壤DOM的結(jié)構(gòu)變得相對簡單。隔離降雨對土壤DOM的作用在旱季和雨季略有差異,這可能是由于季節(jié)變化影響土壤的結(jié)構(gòu)與環(huán)境而造成的。在增溫與隔離降雨的雙重作用下,土壤DOC及DON的數(shù)量相對增多,其結(jié)構(gòu)較對照簡單,但相對單因子增溫試驗(yàn)而言更為復(fù)雜。增溫、隔離降雨及其交互作用對土壤DOM的影響較為復(fù)雜,未來還將持續(xù)觀測以更為深入地探究溫度及水分帶來的影響。表3各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Table3Correlat
12、ionanalysisamongvariables指標(biāo)Index含水量pHSOCSTNMBCMBNDOCDONAlHIXrmHIX.”含水景0.458-0.282.-0.250*0.318.0.0370.5290.191-0.J01-0.0080.424pH0.458-0.468-0.3680.1850.017-0.1480.0670.256,0.0810.397SOC-0.282*-0.4680.957-0.1560.321-0.066-0.1250.2060.091-0.029STN-0.250.-0.3680.957-0.1270.333,-0.096-0.1560.222-0.051-
13、0.037MBC0.3180.185-0.156-0.1270.355,0.157-0.168-0.231-0.0580.001MBN0.0370.0170.321,0.333().355,0.0070.227-0.0690.0870.040DOC0.529-0.148-0.066-0.0960.1570.0070.369-0.259.-0.306.0.006DON0.1910.067-0.125-0.156-0.1680.2270.3690.1780.1030.035Al-0.1010.256*0.2060.222-0.231-0.069-0.259*0.1780.350,0.427HJ-0
14、.0080.0810.091-0.051-0.0580.087-0.306,0.1030.3500.400*,HIX.”0.4240.397-0.029-0.0370.0010.0400.0060.0350.4270.400SOC,土壤有機(jī)碳,soilorganiccarbon;STN,土壤總氮,soiltotalnitrogen;MBC,微生物最碳,microbialbiomastccarbon;MBN,微生物microbialbiomassnitrogen;DOC,可溶性有機(jī)碳,dissolvedorganiccarbon;DON,可溶性有機(jī)航,dissolvedorganicnitrog
15、en;Al,芳香性指數(shù),aromaticityindex;HIXem,熒光發(fā)射光潛腐殖化指數(shù),humificationindex,emissionmode;HIXtJ1n,熒光同步光譜腐殖化指數(shù),humificationindex,synchronousmode;*,P<0.05;*,P<0.01;*,P<0.0015結(jié)論溫度和水分是重要的生態(tài)因子,對森林生態(tài)系統(tǒng)的功能起著重要作用。增溫加速水分蒸發(fā),隔離降雨通過限制外源雨水的輸入降低土壤含水量,因此增溫對表層土壤水分的影響較大,而隔離降雨對下層土壤水分的影響較大。土壤水分的改變直接影響土壤DOC的數(shù)量和質(zhì)量、植物根系分泌物的
16、產(chǎn)生以及土壤微生物的豐度。DOC和MBC是本試驗(yàn)調(diào)控SOC含量變化的重要因子。增溫處理含較多易分解的D0M,因此SOC的含量低。隔離降雨的影響具有季節(jié)性,在旱季不利于植物的生長,并抑制微生物的活性,而在雨季,隔離降雨處理的土壤DOC和MBC明顯提升。增溫及隔離降雨的交互作用在一定程度上增加了土壤DOM的數(shù)量,但由于土壤的微生物活性降低,因此減緩SOC的分解。與對照相比,單獨(dú)增溫或隔離降雨處理并不利于SOC的固持。但是由于野外條件相對復(fù)雜,試驗(yàn)周期短,未來會(huì)長期觀測各處理土壤的有機(jī)質(zhì)及微生物等的變化,以深入了解在未來全球氣候變化背景下,溫度和水分對森林生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)的影響。參考文獻(xiàn)(Refe
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42、tsofsimulatedsoilwarming,50%precipitationreduction,andthecombinationofthetwofactorsonthequantityandcompositionofsoilDOM.Therewerefourtreatments(threereplicatespertreatment)effectsstudied:(1)nowarmingandnaturalprecipitation;(2)warmingandnaturalprecipitation;(3)nowarmingandprecipitationreduction;and(4
43、)warmingandprecipitationreduction.ThesoilsampleswerecollectedinOctober2014,January2015,andApril2015,respectively.ToleammoreabouttherelationshipsofDOMwithtemperatureandmoisture,wealsomeasuredthesoilmicrobialbiomasscarbonandmicrobialbiomassnitrogen.TheresultsshowedthatthequantityofDOMincreasedaftersoi
44、lwarminginboth010cmand1020cmsoillayers.Inaddition,thearomaticityandhumificationdegreeofDOMdecreasedafterwarming.Inourstudy,soilwanningcouldacceleratethelossofDOMandrestrainthestabilityofcarbon.TheimpactsoftheprecipitationreductiontreatmentonDOMproductionshowedaseasonalpattern.Inparticular,thequantit
45、yofDOMwasreducedbutitsaromaticityandhumificationdegreewereenhancedinthedroughtseason(October2014andJanuary2015),whereasintherainyseason(April2015),thequantityofDOMhadincreasedsincethegrowthofmicroorganismsandthecontentofaromaticcompoundswerereducedsimultaneously.Underthecombinationofwarmingandprecip
46、itationreduction,thequantityofDOMincreasedbecauseofaccelerateddecompositionofSOM.Moreover,theDOMstructurebecamesimplerthroughtheinteractionofthetwofactors.TheeffectsoftemperatureandmoistureonthequantityandstructureofsoilDOMaresophisticated.Wewillcontinuetoestimatetheimpactsofwarmingandprecipitationr
47、eductiononsoilmicrobes,organicmatter,andotherelementswithlong-termobservationaldatatoattainamoreprofoundcomprehensionaboutcarbonandnitrogencyclingunderglobalclimatechange.KeyWords:soilwanning;precipitationreduction;Cunninghamialanceolataplantation;soildissolvedorganicmatter土壤有機(jī)質(zhì)(soilorganicmatter,SO
48、M)是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫”,可溶性有機(jī)質(zhì)(dissolvedorganicmatter,DOM)代表SOM很小的一部分,具有很高的活性。D0M通常定義為能夠通過0.45呻孔徑濾膜且大小和結(jié)構(gòu)不同的有機(jī)物。它是水溶性的天然有機(jī)化合物,成分復(fù)雜,包括單體化合物以及超分子體系。在植物微生物-土壤體系中,DOM對碳(C)、氮(N)循環(huán)具有重要的作用-句。從工業(yè)革命至今,化石燃料的大量開采和使用造成大氣中“溫室氣體”的劇增,產(chǎn)生了以氣候變暖為主要特征的氣候變化。據(jù)2013年1PCC最新的氣候變化研究顯示,1880-2012年全球平均地表溫度大約上升了0.85勾。氣候變暖導(dǎo)致陸地生態(tài)系統(tǒng)的降雨格局發(fā)
49、生改變,報(bào)道指出,緯向平均降水很可能在高緯度和部分中緯度地區(qū)增加,而在亞熱帶地區(qū)則會(huì)減少。溫度、水分是生態(tài)系統(tǒng)過程的重要因子,全球變暖和降雨格局發(fā)生改變將會(huì)影響森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,onl,DOM作為陸地生物地球化學(xué)循環(huán)的重要組成部分,對土壤固碳、微生物和植物的養(yǎng)分有效性具有重要的意義,因此研究土壤D0M對溫度和水分的響應(yīng)可以為預(yù)測未來森林生態(tài)系統(tǒng)C、N循環(huán)的趨勢提供科學(xué)依據(jù)。文獻(xiàn)表明,可溶性有機(jī)碳(dissolvedorganiccarbon,DOC)的數(shù)量與溫度呈正相關(guān)關(guān)系,這歸因于在較高的溫度下,微生物的活性有所提高。在富含有機(jī)質(zhì)的土壤中(如泥炭土),溫度升高有使D0M濃度增加的可能
50、性m】。Riikka等*:通過模擬全球氣候變曖,研究土壤C對埴溫的響應(yīng),結(jié)果表明:持續(xù)7年的增溫對亞北極區(qū)的土壤C庫只有輕微的影響,但增溫樣地的DOC含量比沒有增溫的樣地高,這可能是因?yàn)闇囟壬咛岣吡酥参锷L量,從而增加了可溶性C的輸入。FrUberg等通過對云杉林土壤進(jìn)行長達(dá)14年的增溫(5T)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在旱季對土壤進(jìn)行灌溉,使土壤保持潮濕狀態(tài),DOC的濃度增加,他們認(rèn)為在未來更為頻繁的降雨條件下,DOM在夏季和秋季的通最可能會(huì)增加。另有報(bào)道指出心刀,旱季D0M的濃度會(huì)減少,一旦發(fā)生降雨,在相當(dāng)長的時(shí)間里DOM的濃度則會(huì)增加。而Fenner等發(fā)現(xiàn),在干早停止后,DOM的產(chǎn)生速率提高,這可能是
51、因?yàn)榉友趸附佑|氧氣后分解了酚類化合物。報(bào)道指出,由于氧化還原條件的改變,在早期,含氮的DOM組分會(huì)減少。顯然,溫度和降水變化對D0M具有明顯的影響,但其中的機(jī)理還不甚清楚,亟待研究。我國濕潤亞熱帶地區(qū)森林生物資源豐富,自然條件優(yōu)越,分布著世界上現(xiàn)存面積最大、最典型的常綠闊葉林,但是大面積的常綠闊葉林被改造成了杉木人工林。杉木林作為最重要的人工林之一,占世界人工林面積的6.5%,占我國人工林面積的19%,對我國林業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。由于該區(qū)大力營造人工林,使其貢獻(xiàn)了我國森林碳匯能力的65%:20】。該地區(qū)高溫、高濕,有機(jī)質(zhì)分解快,DOM在土壤中的遷移較為迅速,淋溶和損失的風(fēng)險(xiǎn)很大,它對生態(tài)系
52、統(tǒng)碳氮循環(huán)中的作用可能比溫帶的森林更為重要)。氣候變暖,降雨減少可能是該地區(qū)未來氣候變化的趨勢,這可能會(huì)加大DOM的分解作用,從而不利于DOM的穩(wěn)定與固持,使土壤養(yǎng)分流失?,F(xiàn)有的野外增溫控制平臺(tái)主要集中在中高緯地區(qū),而關(guān)于我國亞熱帶地區(qū)野外增溫結(jié)合多種氣候變化因子的試驗(yàn)卻極少報(bào)道。因此,通過研究溫度和降水對土壤DOM的影響有助于了解全球氣候變化背景下該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的變化。據(jù)此,本文在野外杉木幼林地建立多氣候因子試驗(yàn)平臺(tái),模擬未來全球氣候變化,以土壤DOM為對象,結(jié)合紫外可見光譜(UV-Vis).熒光光譜(FS)等技術(shù),探討土壤增溫和降雨減少對DOM的數(shù)量及其組成的影響。1試驗(yàn)地
53、概況試驗(yàn)區(qū)位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)與全球變化定位觀測研究站(26O19ZN,117O36ZE)O平均海拔為300m,屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫度為19.1Y,年均降雨量為1749mm,降雨季節(jié)主要集中在3月一8月,相對濕度為81%。土壤為黑云母花崗巖發(fā)育的紅壤S。本試驗(yàn)所選樣地為杉木幼林地,樣地內(nèi)包含若干個(gè)面積為2mx2m的試驗(yàn)小區(qū),小區(qū)四周用4塊PVC板(200cmx70cm)焊接,使小區(qū)與小區(qū)之間的土壤隔開,以防止各小區(qū)相互干擾。小區(qū)內(nèi)的土壤由周圍成熟杉木人工林土壤供給,具體方法為:將成熟杉木林的土壤分層(010、1020、2070cm)取回后剔除粗根、石塊和其他雜物,再分層混合均勻重填回
54、2mx2m的試驗(yàn)小區(qū)內(nèi),同時(shí)采用壓實(shí)法調(diào)整土壤容重與原位土壤容重接近,以消除土壤異質(zhì)性。試驗(yàn)設(shè)對照(CK)、增溫(W)、隔離降雨(P)、增溫與隔離降雨的交互作用(WP)4種處理,每個(gè)處理3個(gè)小區(qū)(重復(fù)),共12個(gè)2mx2m的試驗(yàn)小區(qū)。于2013年10月在所有的試驗(yàn)小區(qū)平行布設(shè)相同的加熱電纜,深度為10cm,間距為20cm,且在最外圍環(huán)繞一周,保證樣地增溫的均勻性。隔離降雨處理即在P和WP試驗(yàn)小區(qū)內(nèi),在離地面1.5m處每隔5cm均勻地布設(shè)一個(gè)O.O5mx5m的透明U型管,從而隔離50%的自然降雨田。于2013年11月在每個(gè)2mx2m小區(qū)種植4棵1年生2代半短側(cè)枝杉木幼樹,平均高度為(25.7
55、177;2.52)cm,平均主干基徑為(3.35±0.48)cm,杉木的位置設(shè)于兩條電纜線之間。電纜布設(shè)完成5個(gè)月后(2014年3月)開始通電增溫(只有W和WP小區(qū)增溫,且增溫小區(qū)始終比對照小區(qū)高5勾)o2研究方法2.1樣品采集土壤樣品采集共有3個(gè)時(shí)間點(diǎn),分別為:2014年10月.2015年1月和2015年4月(2014年10月和2015年1月為旱季,2015年4月為雨季)。樣地各月份大氣溫度和降雨量見圖1,3個(gè)采樣點(diǎn)的大氣月均溫度依次為19.1T:、9.8丁、17.5勾,月均降雨量:依次為0.1、2.1、4.5mm°每次采樣均在各個(gè)小區(qū)按S型布設(shè)5個(gè)土壤取樣點(diǎn),按0-10
56、J0-20cm分層取樣。樣品帶回室內(nèi),去除碎屑、砂礫以及植物根系,再將每塊樣地中的相同層次的5個(gè)取樣點(diǎn)土樣混合成一個(gè)樣品,過2mm篩,取一部分測定土壤基本理化性質(zhì)、土壤微生物量碳(microbialbiomasscarbon,MBC)和微生物量氮(microbialbiomassnitrogen,MBN),其余部分用于提取DOM。2.2土壤DOM的提取土壤DOM的提取采用水浸提法稱取15g鮮土于50mL離心管中,加入30mL去離子水(水土比為2:1,驢),于振蕩機(jī)上振蕩30min,然后以轉(zhuǎn)速4000r/min離心10min,再用0.45Jim濾膜過濾,濾液中的有機(jī)物即為土壤DOM。2.3樣品的
57、分析與測定pH采用CHN868型pH計(jì)(ThermoOrion)測定,水土比為2.5:1;土壤含水量(soilwatercontent,SWC)的測505052211oou-cwdsouuv505052211oou-cwdsouuv2015-04-0120?4-10-012015-01-0102014-10-012015-01-012015-04-01日期Date圖1不同采樣時(shí)間試驗(yàn)地的大氣溫度及降雨Fig.lAtmospherictemperatureandrainfallintheexperimentalfieldatdifTerentsampletime定采用烘干法;土壤總有機(jī)碳(soi
58、lorganiccarbon,SOC)和土壤總氮(soiltotalnitrogen,STN)采用碳敏元素分析儀(VarioMAX,Elementar,Munchen,Germany)測定。在不同的時(shí)間觀測點(diǎn),4種處理的土壤基本性質(zhì)見表1。MBC和MBN的浸提采用氯仿熏蒸硫酸鉀法用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH,Shimadzu,Kyoto,Japan)測定提取液中的有機(jī)碳含最,用連續(xù)流動(dòng)分析儀(San'二Skalar,Breda,Netherlands)測定提取液中有機(jī)氮的含量。土壤MBC的計(jì)算公式如下:Bc*Ec/kc,式中:為熏蒸與未熏蒸提取液中有機(jī)碳含撾的差值;幻為轉(zhuǎn)換系數(shù),該值取0.45;MBN的計(jì)算公式為邊疽隊(duì)/RHE'、為熏蒸與未熏蒸提取液中有機(jī)氮含量的差值;治為轉(zhuǎn)換系數(shù),該值取0.54c濾液中的DOC、DON含量分別采用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH,Shimadzu,KyotoJapan)和連續(xù)流動(dòng)分析儀
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