土壤异养呼吸对温湿度的响应

土壤异养呼吸对温湿度的响应

土壤呼吸是土壤碳储量向大气释放的消息。以往研究根据温度和水分建立了多种土壤呼吸经验模型,土壤呼吸温度响应方程的形式包括幂、指数、反曲(sigmoidal)和Arrhenius关系;土壤呼吸水分响应方程的形式包括线性、二项式、对数正态(lognormal)或superimposedGompertz关系(Webs-teretal.,2008)。文献中土壤呼吸与温度的经验模型普遍为:R=ae草地约占全球陆地总面积的25%,是陆地生态系统的主体生态类型之一(周萍等,2009)。我国近年针对内蒙古温带草原的研究主要集中于野外观测实验,类型包括:以不同植被类群土壤为研究对象,野外测定土壤呼吸的日间、季节动态(陈全胜等,2004;周萍等,2009);或人为改变环境变量进行野外半控制实验(Niuetal.,2010;徐海红等,2011;高娟等,2011),研究土壤呼吸对环境变量的响应;或测定植物凋落物、根系等生物量,探讨土壤呼吸中来自植物组分的呼吸贡献(王娓和郭继勋,2002;王娓等,2003)。然而,野外观测实验中土壤内部环境复杂,根系残留将导致自养呼吸与异养呼吸区分存在困难;且野外条件下土壤呼吸受非生物因素(温度、水分、土壤质地、土壤有机质含量等)和生物因素(植被类型、林龄、植物物候等)的多重影响,对研究单个调控因子的调控作用干扰很大。因此,开展室内非原状土培养实验可保证土壤均质并严格控制温湿度梯度,有助于了解理想条件下Rh对土壤温度和水分的响应情况。本实验对内蒙古多伦县克氏针茅(Stipakrylovii)(西北针茅Stipasareptanavar.krylovii)草原生态系统土壤进行室内培养实验,旨在通过观测不同温湿度梯度下的Rh速率,总结Rh对土壤温度和水分的响应规律,并试图根据土壤相关生物指标含量的变化情况分析土壤温度和水分对Rh的影响机理。本实验比较不同呼吸响应方程的拟合结果,选出室内培养条件下Rh对温湿度的最适响应模型,旨在为野外Rh观测实验提供参考。1材料和方法1.1月平均气温和降水量研究区位于内蒙古多伦县境内(42.02°N,116.17°E),平均海拔1341m。该区年平均气温2.1℃(1993–2007),月平均气温从1月份的–17.5℃到7月份的18.9℃不等;平均年降水量为385mm(1993–2007),约67%的降水发生在6月和8月;土壤自表层至以下40cm范围内土层为栗钙土,砂粒含量为62.8%,粉粒含量为20.3%,黏粒含量为17.0%,土壤平均容重为1.31g·cm1.2试验处理和研究方法1.2.1土壤鲜土的提取2012年7月22日在研究区样地内随机选择4个相互间隔大于10m的样点进行取样,取表层0–20cm土样。鲜土过2mm筛混匀后分成4份,作为双因子实验的4组重复,在4℃下保存以供实验室培养。取少量风干土样碾磨,过0.25mm筛,测定土样土壤有机碳、全氮和全磷含量。1.2.2土样的采集与培养实验采用正交试验设计,设定5个温度梯度:9、14、22、30、40℃,5个湿度梯度:土壤持水力(waterholdingcapacity,WHC)分别为20%、40%、60%、80%、100%。实验设计25种处理,每种处理含5个土样用于5次测量重复,共计培养25×5×4=500个土样(图1)。使用250mL锥形瓶盛放土样,每个锥形瓶盛放50g干质量的土样。为设定湿度梯度,取部分土样分成两组:一组在烘箱105℃烘干至恒重后测定土样质量含水率,一组浸水饱和24h后自然渗水测定土壤持水力。土样加水调节湿度后用带孔胶塞封口,分别放入5个设定不同温度的人工气候箱中进行室内培养。为保持人工气候箱中O1.2.3志书的数量分布每组重复选取一次测量重复作为呼吸测定组被定期观测,呼吸测定的土样个数为100个。土样放入培养箱稳定5天,自8月13日开始第1次呼吸速率测定,并视为室内培养第1天。Rh的测定频率为8月份2天一次,9、10月份1周一次,共计18次。实验采用LI-COR6262便携式红外分析仪(LI-COR,Lin-coln,USA)测定呼吸速率,土样测定时间为180s,取后120s作为有效时间,做线性回归后数据单位为μmolCO土样分别于8月14日、9月1日、9月19日、10月6日、10月23日取出进行土壤相关指标测定,测定日期记作培养第2天、第20天、第38天、第55天和第72天。每次取样个数为100个,呼吸测定组在最后一次呼吸观测结束后取出测定相关指标。测定的生物指标及方法如下:可溶性有机碳采用重铬酸钾加热法,微生物生物量碳采用熏蒸法-重铬酸钾加热法。测定的土壤本底指标及方法如下:土壤总有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法;全氮、全磷经消煮后使用流动注射分析仪测定。1.2.4数据分析方法本研究使用单因素方差分析讨论不同温度或湿度梯度下Rh速率的差异显著性,通过双因素方差分析讨论温湿度对呼吸的交互控制。为使Rh数据达到方差齐性要求,使用土样异养呼吸速率的后12次观测数据的平均值(即土样呼吸速率较为稳定后)进行分析。由于土壤相关指标数据间差异性较大,故使用Spearman相关系数讨论指标与异养呼吸、温湿度间的关系。实验数据使用SPSS13.0软件进行统计分析,使用SigmaPlot12.5软件进行图形绘制。为分析Rh对土壤温度(T)和湿度(M)的单因素响应,本研究采取如下模型对实验数据进行拟合:为分析土壤温度和湿度对Rh的共同作用,本研究使用多个呼吸响应模型对实验数据进行拟合,并通过比较确定最适模型(表1)。2结果2.1异养呼吸速率室内培养呼吸测定为期71天,土样异养呼吸速率在第一次测定后的第7天达到峰值,呼吸峰值与前后两次呼吸观测值差异显著(p<0.05),此后逐渐下降至第13天左右趋于平缓(图2)。9到40℃时土样异养呼吸18次测定平均值显示:异养呼吸速率随升温而增加。不同温度下呼吸变化幅度分别是38.59、31.42、64.02、55.41和104.47μgC·g2.2cg高温和高温下rh速率随时间的变化取Rh速率较为稳定的后12次数据的平均值进行分析,Rh速率的平均值从9到40℃分别为(13.37±2.92)、(18.71±3.40)、(37.14±7.31)、(52.03±10.85)和(53.14±14.39)μgC·g不同湿度条件下,9–30℃范围内Rh速率随温度升高而上升,但在40℃20%–60%WHC时Rh速率下降,说明高温条件下Rh可能受到抑制(图4)。土壤呼吸温度敏感性的基本公式为:QRh速率平均值从20%WHC到100%WHC分别为(18.78±2.27)、(41.16±6.67)、(39.16±9.57)、(53.81±17.35)和(21.52±7.34)μgC·g2.3响应rh模型拟合分析通过双因素方差分析发现,本实验中温度和土壤水分对Rh产生显著的交互作用(表4)。因此,本实验使用多种温湿度交互作用的响应模型对Rh进行模拟,拟合结果显示不同响应方程的拟合程度差异较大,从47%到91%不等(表5,模型4拟合情况较差未放入表中)。赤池信息量准则(AIC)越小表示模型的简洁性和精确性越优,因此Rh对温湿度的最适响应模型为:lnRh=0.914+0.098T+0.046M+0.001TM–0.002T2.4培养过程中表型和表型的关系5次破坏性取样的指标测定结果显示,微生物生物量(MBC)平均值呈先升后降的趋势。在室内培养前期,由于呼吸底物充足,微生物增长迅速,特别是高温高湿条件下(30–40℃、80%–100%WHC)MBC的跃增,导致第20天取样时MBC达到峰值,此后MBC持续下降,变化幅度为342.41mgC·kg5次取样过程中,MBC与温度在第20天达到显著正相关(p<0.001),此后均为显著负相关(p<0.05),导致此现象的主要原因是培养过程中30和40℃时MBC的显著变化(图7),对5次MBC含量使用LSD多重比较发现:低温范围(9–14℃)与高温范围(30–40℃)之间多表现为差异显著(p<0.05)。本次培养过程中MBC始终与湿度保持显著正相关(p<0.05),且低湿范围(20%–40%WHC)与高湿范围(80%–100%WHC)之间多表现为差异显著(p<0.05)。而5次取样的DOC与温度无显著相关,且在温度间差异无显著规律;湿度与DOC始终呈显著正相关(p<0.05),且不同湿度间差异极显著(p<0.01)。实验分别选取与5次取样时间最近的5次Rh速率,使用Spearman相关性分析讨论5次取样的MBC、DOC与临近时间Rh速率的关系。MBC在培养第2天和第38天与Rh速率无显著相关,在培养第20天与异养呼吸极显著正相关(p<0.01),而在培养第55天和第72天时MBC与Rh速率呈极显著负相关(p<0.01)。DOC只在培养第20天与Rh速率呈正相关(p<0.05),其他时间均与异养呼吸无显著相关。3讨论和结论3.1温度对土壤b大量野外实验证明:土壤呼吸速率日变化和季节变化普遍呈单峰曲线,且与温度显著正相关。土壤微生物生存的最适温度在25–35℃,前人实验发现:长白山不同林种土壤培养实验中土壤呼吸最适温度在25–35℃(王淼等,2003),地中海森林土壤培养实验中异养呼吸在30℃时达到最高(Reyetal.,2005)。本实验中Rh在30–40℃时最大,而40℃条件下20%–60%WHC时的Rh速率下降,说明40℃已超过此湿度范围内微生物生存的最适温度。本次室内培养实验的周期为71天,土壤MBC平均值在30℃达到最大。对短期内温度升高导致Rh速率上升现象的解释包括:个体水平上,微生物降解聚合有机物的胞外酶活性、微生物吸收可溶性底物的速度、微生物呼吸速率的增加(陈全胜等,2004);群落水平上,升温导致微生物物种数量和组成变化,使低温时微生物不能利用的底物在高温时能被利用(肖辉林和郑习健,2001)。然而,超过最适温度后微生物胞外酶活性的下降和活性碳库的耗竭将导致Rh速率下降。实验使用指数方程对Rh与温度进行拟合,9–40℃范围内Q3.2rh速率的最适湿度土壤呼吸在田间持水力范围内对水分添加产生正响应,当土壤溶液和气体在土壤孔隙中达到最佳比例时呼吸速率最大(周萍等,2009)。前人研究表明异养呼吸对土壤水分的正反馈阈值一般在60%–80%WHC,与土壤质地、植被类型等有关(Reyetal.,2005;王国兵等,2009),本实验Rh速率的最适湿度是80%WHC。实验中Rh在20%和100%WHC最低,可能的原因是:土壤水分含量较低时,土壤衬质势过低引发微生物的死亡或休眠(Borkenetal.,2002);土壤结构不利于酶和呼吸底物的移动扩散(刘颖等,2005);土壤水分含量过高则抑制土壤空隙中的气体交换,使土壤还原性增强,厌氧环境可能抑制好氧菌活性(Tingeyetal.,2006)。土壤微生物生物量和净氮矿化速率与湿度的关系表明:土壤水分较低时土壤微生物生物量较少且活性较低,土壤微生物生物量随湿度增大而增加,Rh相应增强并在80%WHC时达到呼吸峰值,然而土壤含水量过高将导致好氧微生物活性受到抑制,因此100%WHC条件下土壤微生物生物量大但异养呼吸速率小。3.3土壤环境对土壤微生物群落组成的影响本实验中Rh的温度敏感性Q室内实验条件下温度与湿度交互作用显著(p<0.001),Rh的温湿度响应模型为lnRh=0.914+0.098T+0.046M+0.001TM–0.002T温湿度梯度下,土壤微生物生物量、可溶性有机碳含量变化呈现不同的动态特征。MBC和DOC含量在培养期间与土壤湿度始终呈显著正相关(p<0.05);MBC与温度的相关性随培养时间发生变化,DOC在培养期间与温度无显著相关。MBC在培养第20天与异养呼吸显著正相关(p<0.01),说明培养初期土壤环境适宜,培养一段时间后土壤微生物迅速增长且呼吸活性大;而在培养第55天和第72天时MBC与Rh速率呈显著负相关(p<0.01),预示培养中后期部分微生物死亡或微生物群落结构发生改变,使得MBC含量迅速下降,微生物维持呼吸比例增大(Dilly&Munch,1998)。DOC在培养第20天与Rh速率呈正相关(p<0.05),这可能说明DOC表征的不仅是微生物利用的呼吸底物,还是微生物的代谢产物(Chapinetal.,2002),因此DOC与微生物活性密切相关;其他时间DOC均与异