氮添加和降水变化下荒漠草原典型植物枯落物对土壤呼吸的影响

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氮沉降和降水格局的改变是全球气候变化的重要现象,而干旱半干旱区的荒漠草原又是极易受水分和氮素限制的脆弱生态系统类型,其土壤表层的枯枝落叶是土壤碳库输入的主要来源,另外,土壤呼吸作为陆地生态系统向大气释放CO2的关键过程,是生态系统碳循环的重要环节。因此,研究枯落物对土壤呼吸的贡献对了解枯落物在植物-土壤间物质的循环、能量的流动过程中的作用具有重要意义。基于此,本文选择荒漠草原4种植物(短花针茅Stipa breviflora、蒙古冰草Agropyron mongolicum、苦豆子 Sophora alopecuroides、猪毛蒿 Artemisia scoparia)枯落物进行研究,通过氮添加(10 g·m-2·a-1)(添氮N1、不添氮NO)和降水变化(增雨30%、正常、减雨30%)的野外模拟控制实验,测定了不同处理下的土壤呼吸(有枯落物的土壤呼吸RS+L、去除枯落物的土壤呼吸Rs、枯落物呼吸RL=Rs+L-RS),分析土壤呼吸、枯落物呼吸变化特征和碳排放特征,揭示荒漠草原土壤呼吸对氮添加和降水变化的响应及影响呼吸变化的主要因素,进一步为全球变化下荒漠草原草地生态系统碳收支平衡的模拟提供科学依据和数据支撑。研究结果显示:(1)土壤呼吸日动态呈明显单峰曲线变化规律,在12:00-16:00达到最大值;在2:00-6:00达到最小值。夏季土壤呼吸日动态变化剧烈,冬季土壤呼吸日动态变化平稳,土壤呼吸速率的最大值为0.99μmol·m-2·s-1,最小值为-0.22 μmol·m-2·s-1。不同枯落物地表土壤呼吸速率表现为短花针茅(ZM)>蒙古冰草(BC)>猪毛蒿(H)>苦豆子(K)>空白对照(CK)。(2)土壤温湿度及土壤呼吸季节动态变化明显,变化趋势相似,处理间土壤呼吸变化均表现为夏>春>秋>冬。处理间土壤呼吸差异显著(P<0.05),枯落物对土壤呼吸的贡献率最高可达49.10%。增雨和添氮处理促进了土壤呼吸(Rs+L、Rs、RL),增雨减弱了氮添加对土壤呼吸(RS+L、Rs、RL)的促进作用,减雨增强了氮添加对枯落物呼吸(RL)的促进作用。土壤碳排放量累积显示,夏季最高,冬季最低,土壤碳排放量均值可达126.37 g·m-2。(3)氮添加和降水变化下不同枯落物地表土壤微生物量、微生物熵和微生物群落差异显著(P<0.05),降雨处理减弱了氮素对土壤微生物量氮、土壤微生物氮熵的促进作用;增雨处理降低了土壤细菌、放线菌和原生动物的含量,增加了土壤真菌的含量;减雨处理增加了土壤微生物的含量;增雨处理显著增强了氮添加对微生物群落的促进作用。(4)土壤呼吸与0-10 cm 土壤温度呈极显著的指数函数关系(P<0.001),解释了呼吸速率变化的49.1%,同时温度敏感性指数最高可达1.65;土壤微生物量碳和土壤微生物碳熵与土壤呼吸呈显著的相关关系(P<0.05);土壤碳(SOC、MBC)是影响有枯落物土壤呼吸(Rs+L)变化的主要因子,土壤水热因子和土壤碳是影响去除枯落物土壤呼吸(Rs)变化的主要因子,土壤碳和土壤微生物是影响枯落物呼吸(RL)变化的主要因子。综上结果表明:通过野外模拟控制实验发现,不同枯落物地表土壤呼吸对氮添加和降水变化的响应不同,一定程度上的增雨和添氮处理促进了土壤呼吸,减雨处理抑制了枯落物呼吸;土壤温度和土壤碳是影响呼吸变化的关键因素。然而,枯落物分解、氮添加与降水变化的交互作用是一个漫长的过程,还需通过后续的长期观测进行更深入的探讨。
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