雪被变化对温带典型草地非生长季土壤呼吸以及微生物群落的影响

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位于内蒙古高原东部锡林河流域的温带典型草地,是联合国教科文组织认定的国际生物圈保护区之一。研究其雪被变化下土壤碳动态关键过程,有助于更好地认识全球气候变化下土壤碳分解机制,为进一步明确草地土壤碳动态提供理论基础。本文以内蒙古锡林河流域附近的草地作为研究区域,进行了整个非生长季不同时期的样品采集,运用静态暗箱法测定了不同时期土壤CO2浓度,分析了不同时期雪被变化对土壤呼吸(Rs)的影响,并利用相关分析和回归分析初步探讨了其主要驱动因素;探究了春融期不同土层深度,与土壤碳排放密切相关的土壤理化性质以及微生物群落组成的垂直分异规律,并运用16Sr RNA测序技术测定土壤微生物群落特征,为未来进一步深入探讨碳排放机制奠定基础。本文主要研究结论包括以下几个部分:(1)非生长季三种雪被处理下(IS:增雪、DS:减雪、CK:原状雪)不同采样时期(IFP:土壤初冻期、DFP:土壤深冻期、SMP:土壤融化期)Rs通量在5.87±0.28~55.11±0.71 mg·m-2·h-1之间波动,尽管在整个非生长季不同雪被处理下土壤呼吸未出现负通量,但不同雪被处理不会显著增加或减少土壤向大气排放CO2(p>0.05)。在IFP和DFP时期,不同雪被处理下Rs通量值均较低,排放范围分别为5.87±0.28~21.67±7.65 mg·m-2·h-1、6.19±0.67~27.19±1.20 mg·m-2·h-1。到SMP时期,Rs通量升高,排放范围为10.41±2.23~55.11±0.71 mg·m-2·h-1,且IS和DS处理下Rs通量峰值约为CK处理的两倍。(2)非生长季三种雪被处理下(IS、DS、CK)不同采样时期(IFP、DFP、SMP)Rs累积通量范围为22.81±0.68~26.36±0.41 g C m-2。在SMP时期,IS和DS处理下Rs累积排放通量显著高于CK(p<0.01),但IFP和DFP时期不同雪被处理下Rs通量排放无明显差异。不同采样时期日平均Rs通量表现为SMP>DFP>IFP。(3)相关分析发现,非生长季IFP和DFP时期不同雪被处理下环境因子与Rs通量未表现出明显的相关关系,而SMP时期IS和DS处理下Rs通量主要与T0(0 cm土温)、T5(5cm土温)呈正相关,与NH4+-N呈负相关;CK处理下与T5呈正相关。回归分析发现影响Rs通量的主控因子在IS和DS处理下为T0,在CK中主控因子为T5,并且可以分别解释不同雪被处理下Rs通量90.3%(IS)、62.7%(DS)以及44.8%(CK)的变异。(4)在不同雪被覆盖变化下土壤p H存在显著差异(p<0.01),LSD多重比较后发现,在0-10 cm土层深度,IS和DS处理后的p H值显著高于CK,而在其余土层深度不同雪被处理下土壤p H变幅不大。在不同土层深度中SWC、Tsoil、p H、MBC、NH4+-N、NO3--N存在显著差异(p<0.01),EC和DOC在不同土层深度变化不明显(p>0.05)。不同土层深度以及雪被覆盖变化的交互作用对土壤理化性质均无显著差异(p>0.05)。随着土层深度的增加,SWC含量越来越少,Tsoil逐渐降低;土壤p H值在不同雪被覆盖下不同土层波动范围较小,平均值为8.17±0.03;土壤EC值的变化范围为89.92~127.52 s·m-1;DOC含量变化范围为16.28~49.76 mg·kg-1,无明显变化规律;MBC、NH4+-N和NO3--N含量表现出土层越深,含量越低的趋势,变化范围分别为12.41~739.53 mg·kg-1(MBC)、0.13~5.04 mg·kg-1(NH4+-N)和0.12~2.41 mg·kg-1(NO3--N)。(5)非生长季春融期通过OTU物种分类统计发现并鉴定注释土壤细菌有39门109纲138目177科226属90种,共8519个OTUs。不同雪被处理未显著改变土壤特有OTUs数目。土壤微生物物种组成在不同雪被覆盖不同土层深度门水平的优势种均分别为Actinobacteria(放线菌门)、Proteobacteria(变形菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门),且各处理间土壤微生物优势种未发生显著变化。春融期土壤微生物属水平物种组成主要细菌在不同土层的不同雪被处理下优势菌群落组成相似,但其相对丰度存在较大差异。此外,在各分组中均存在大量相对丰度较低的物种被归类为Other,其相对丰度为28.8%~51.1%,说明属水平在各分组内土壤中有大量相对丰度较低的菌群分布。但不同雪被覆盖下土壤微生物多样性存在显著差异,Alpha多样性分析发现,在0-10 cm,CK中Shannon指数和Chao1指数均高于IS和DS处理,但到深层土壤40-50 cm土层中,IS和DS处理的值超过CK,雪被处理改变了土壤微生物丰度。而Beta多样性分析的PCo A图显示20-30cm土层以及40-50 cm土层不同雪被覆盖下微生物群落组成相似,0-10 cm土层不同雪被覆盖下土壤微生物群落组成差异较大。不同土层(0-10 cm、20-30 cm、40-50 cm)在同一雪被覆盖下土壤微生物群落组成差异也较大,但差异不显著(p>0.05)。热图分析发现土壤微生物优势种Actinobacteria(放线菌门)与土壤温度(T)(p<0.01)、MBC(p<0.01)、NH4+-N(p<0.01)、NO3--N(p<0.01)、SWC(p<0.05)存在负相关关系;Proteobacteria(变形菌门)与p H(p<0.01)呈显著负相关,与T(p<0.001)、MBC(p<0.001)、NH4+-N(p<0.01)、NO3--N(p<0.001)、SWC(p<0.001)呈显著或极显著正相关关系;而Acidobacteria(酸杆菌门)与环境因子不存在相关关系。
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