干湿循环对土壤中速周转碳库分解温度敏感性的影响

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土壤是陆地生态系统中最大的碳库,是大气和植物碳库的2~3倍,其微小变化可对大气二氧化碳(CO2)浓度产生显著影响。大气CO2浓度升高能够引起一系列生态系统变化和全球气候变化,其中最主要的是植物光合作用增加和全球气温升高。气候变暖将促进总土壤有机碳(total soil organic carbon,t SOC,Ct)分解,导致CO2排放的增加,从而进一步加剧全球变暖。全球气候变暖,加剧了陆地水体的蒸发量,增加了大气中水汽含量,导致强降雨与干旱频繁交替发生,对陆地生态系统净初级生产力、生物多样性、土壤碳库稳定性等产生了重要影响。降水发生后土壤水分快速增加,通过蒸腾或蒸发而逐渐降低。然而,土壤干湿循环(drying-rewetting cycles,DWC)过程如何影响土壤有机碳分解对温度升高的敏感性尚不清楚。对此,本研究以土壤中速周转碳库(decadally cycling soil organic carbon pool,d SOC)为研究对象,通过对连作23年(哈尔滨,HA)和33年(公主岭,GZ)玉米(C4)(之前为草地,C3)的长期C3-C4植被转变土壤在20℃和30℃条件下进行长期室内培养,模拟土壤DWC过程,使用一体式变化湿度下连续土壤呼吸CO2捕获系统测定土壤呼吸CO2,采用天然13C同位素示踪法区分土壤呼吸中快速周转碳库(annually-cycling soil organic carbon pool,a SOC)和中速周转碳库,进而量化土壤DWC背景下快速周转碳库和中速周转碳库对温度升高的敏感性,揭示土壤DWC影响不同周转速率土壤碳库分解温度敏感性(Q10)的机理。结合二元混合模型评估水分制度和温度变化对d SOC、a SOC的Q10值。将对全球降水格局变化背景下土壤碳库不同组分对温度升高的响应进行全面了解,从而明确全球气候变化与碳循环之间的反馈关系,为全球“气候-碳”模型提供准确的参数。对此,在180天的培养期结束得到以下主要结论:在20℃和30℃条件下,与恒湿(Constant)处理相比,DWC显著增加了t SOC、d SOC、a SOC的累积土壤呼吸(Cumulative soil respiration,CSR)。HA土壤在20℃条件下t SOC、d SOC和a SOC的CSR分别增加了64.18%、65.20%和63.77%,在30℃条件下t SOC、d SOC和a SOC的CSR分别增加了38.59%、38.27%和38.77%。GZ土壤在20℃条件下t SOC、d SOC和a SOC的CSR分别增加了67.50%、61.23%和68.67%,在30℃条件下t SOC、d SOC和a SOC的CSR分别增加了44.82%、44.42%和44.95%。随着DWC次数的增加,HA土壤和GZ土壤t SOC、d SOC、a SOC的Q10值逐渐下降。HA土壤在恒湿处理下t SOC、d SOC和a SOC的Q10值分别为2.17~1.71、2.58~2.14、2.09~1.55,DWC处理下t SOC、d SOC和a SOC的Q10值分别为1.20~1.00、1.99~1.21、1.08~0.91。GZ土壤在恒湿处理下t SOC、d SOC和a SOC的Q10值分别为2.54~1.83、3.46~2.34、2.38~1.72,DWC处理下t SOC、d SOC和a SOC的Q10值分别为1.13~1.06、2.01~1.64、1.02~0.98。相对于恒湿处理,HA土壤t SOC、d SOC和a SOC在DWC处理下的Q10值分别降低了41.89%、43.45%和41.23%,GZ土壤t SOC、d SOC和a SOC在DWC处理下的Q10值分别降低了41.04%、30.01%和43.05%。与a SOC相比,HA土壤和GZ土壤d SOC在DWC处理下的Q10值分别增加了24.90%和40.12%,在恒湿处理下的Q10值分别增加了27.74%和26.41%。综上研究结果表明,气候变暖和土壤水分变化会对全球土壤碳库的分解有着显著影响,干湿循环比恒定湿度对土壤碳库分解的响应较弱,并且这种响应随着时间逐渐降低。并且,土壤中速周转碳库更容易受到温度升高的影响。未来的研究应理清在DWC下不同周转速率土壤碳库对温度升高响应的内在机制,并考虑将不同土壤DWC强度对土壤碳库的响应和温度敏感性纳入其中,从而提高对全球碳循环预测的准确性。
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