海拔梯度和凋落物处理对黄山松林土壤呼吸及其温度敏感性的影响

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林下土壤呼吸作为森林生态系统的最大的碳输出过程,其微小变化会对森林碳收支平衡产生巨大影响。然而,森林不同土壤呼吸(RS)组分(异养呼吸RH,自养呼吸RA)及其温度敏感性(Q10)如何响应海拔变化及凋落物的输入还存在着不确定性。为探究海拔环境与凋落物处理对RS及Q10的调控特点,本研究沿武夷山设置5个海拔(S1-S5,分别是1200m,1400m,1600m,1800m,2000m)的黄山松林土壤呼吸样地进行为期2年的实验。从气候因子,土壤理化性质,黄山松群落与凋落物特征,微生物群落结构等方面对不同海拔土壤呼吸组分特征的影响机制进行研究。回答以下三个科学问题:1)海拔环境因子与黄山松群落特征如何影响不同土壤呼吸组分的呼吸速率、年通量比例和Q10,其主要因子是什么?2)凋落物处理对不同海拔黄山松土壤呼吸特征有何影响?其凋落物质量特征如何预测土壤呼吸变化?3)探讨黄山松林下凋落物处理与去根处理是如何协同微生物变化特征调控土壤呼吸的?主要获得以下几点结论。(1)重复测量方差分析表明月份和海拔及其交互作用对黄山松土壤总呼吸速率(RS)和异养呼吸速率(RH)具有显著影响。自养呼吸与总呼吸年通量比(ERA:ERS)随海拔下降呈先增后降趋势,而土壤异养呼吸与总呼吸年通量比(ERH:ERS)与之相反。各呼吸组分的温度敏感性(Q10)均在S1和S5海拔较高。土壤可溶性有机碳含量(DOC),土壤可溶性有机氮含量(DON)和p H可以合计解释72.72%呼吸年通量在不同海拔间的变化,土壤含水量可显著解释24.3%年通量比例间的变化,而铵态氮和硝态氮合计解释不同土壤呼吸组分Q1079.05%的变化。另外,变差分解法分析发现气候因子对不同海拔黄山松土壤呼吸的年通量相对解释率仅为19.4%,低于土壤基本理化性质的28.3%。(2)黄山松群落特征主要是通过光合固碳量(Wco2)调控叶面积指数(LAI)和凋落物产量(PL),表层粗细根生物量(Sroot)来综合影响ERS和ERH的变化,这与ERA直接受Wco2调控的途径具有显著不同。另外,气候因子和黄山松群落特征分别解释不同土壤呼吸组分的年通量在海拔间15.9%和38.7%的变化。利用混合线性模型分析得出海拔,土壤理化性质和群落特征可以整体解释73.3%ERS和71.8%ERH的变化,而对ERA解释仅为53.5%。(3)二倍添加凋落物处理(DL)以后弱化了海拔对土壤呼吸速率的影响,但对于大部分海拔来说,去凋处理(RL)会降低土壤呼吸的Q10,而DL则使土壤呼吸的Q10增加。虽然不同海拔凋落物木质素,纤维素比重无显著差异,但由于凋落物总磷含量随海拔升高而显著增加使得预测黄山松不同土壤呼吸组分年通量变异的凋落物质量指标主要是碳磷比(C:P)和木质素比磷(Lignin:P);而对Q10的预测指标主要是氮含量(TN)及纤维素比氮(Cel:N),海拔与P相关的质量网络特征可以合计解释76.8%的ERS变化。因此,本地区不同海拔黄山松凋落物的质量在预测土壤呼吸特征变化时主要依赖自身氮、磷的养分条件。(4)去根处理通过影响微生物碳氮比(46.7%)和酸性磷酸酶活性(12.7%)影响土壤ERA,ERH和ERS在海拔上变化特征。对照处理通过调控真菌PLFAs含量(39.6%),去凋处理通过调控酸性磷酸酶活性(36.5%),细菌PLFAs含量(12%),添加凋落物处理通过调控酸性磷酸酶活性(45.9%)分别显著影响总呼吸,去凋处理呼吸,二倍添加凋落物处理呼吸,以及凋落物呼吸年通量在海拔上的变异。总之,凋落物处理影响土壤呼吸组分年通量在海拔上的变异主要依靠土壤酸性磷酸酶活性与真菌、细菌PLFAs含量的变化,而去根处理则通过土壤微生物生物量碳氮比来调控。综上,由于土壤DOC,DON和p H可显著解释不同土壤呼吸组分年通量在海拔上的变异,而土壤含水量,铵态氮可以分别显著地调控年通量间比例和Q10的变化。对于ERH来说主要是通过PL来驱动,而ERA则直接受到Wco2的调控,另外,ERS和ERH在响应海拔、土壤理化性质和群落特征综合影响时比ERA更为强烈。因此,这些结果表明了相对于气候因子特征而言,土壤理化性质和群落特征可能是影响不同海拔土壤呼吸特征变化的主要因素。预测土壤呼吸组分年通量变异的凋落物质量指标主要与磷含量特征相关,而Q10的预测指标主要是与凋落物氮含量相关。此外,磷酸酶活性作为共同因素显著地调控了凋落物处理和去根处理下的土壤呼吸变化特征。这些结果则表明了凋落物自身的N、P元素回归与土壤微生物磷酸酶活性可能是未来凋落物增多情况下预测本地区黄山松土壤碳排放特征变化的重要因子。
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