常绿阔叶林土壤碳动态的关键微生物过程及其对极端干旱的响应:数据-模型融合

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土壤微生物作为分解者,在调节陆地生态系统土壤碳过程及其对气候变化的响应中起着关键作用。近年来,陆地生态过程模型中越来越多地加入微生物模块,以完善模型对微生物过程和土壤碳动态的模拟。常绿阔叶林作为全球重要碳汇,却面临愈发频繁的极端干旱状况。极端干旱通过影响微生物过程改变土壤碳储存,然而,微生物调控土壤碳过程响应极端干旱的关键机制,以及增加微生物模块对模型模拟干旱条件下常绿阔叶林土壤碳动态的影响如何目前尚不清楚。因此,本研究依托浙江天童亚热带森林生态系统野外观测研究站极端干旱实验平台,利用数据-模型融合方法对多个陆地生态系统模型(3个传统模型:3-5碳库;5个微生物酶模型:3碳库+微生物酶库,4或5碳库+1或2个微生物酶库)进行比较筛选,并对干旱条件下微生物过程对常绿阔叶林土壤碳过程影响的模拟进行研究。主要结果如下:(1)传统与微生物酶模型结构的比较与筛选:微生物过程(酶模块)的加入能够提高陆地生态系统碳循环模型模拟常绿阔叶林土壤碳过程的精度。具体表现为,除4碳库+微生物酶库模型外,微生物酶模型模拟常绿阔叶林土壤碳过程的准确度均高于对应的传统模型,微生物酶模型平均模拟准确度比传统模型高4.8%。而微生物酶模型(5碳库+微生物酶库和4碳库+2个微生物酶库)在干旱条件下对土壤碳过程模拟的准确度比筛选出传统模型(4碳库)分别高11.60%和6.49%。综合考虑模型的复杂度,4碳库+2微生物酶库模型可作为常态下模拟常绿阔叶林碳过程的最优模型。此外,我们的结果表明增加酶活数据,可以约束更多的土壤碳过程相关参数、降低参数的不确定性、提高模型模拟的精度。(2)基于微生物酶模型模拟极端干旱对土壤碳动态的影响:利用筛选出来的微生物酶模型(5碳库+微生物酶库和4碳库+2个微生物酶库)在干旱条件下对土壤碳过程进行模拟。结果表明干旱能够显著降低土壤总碳库和微生物碳库,主要是由于干旱导致生态系统净初级生产力的降低,而提高了微生物的周转。微生物酶模型和传统模型的差异表现在干旱对土壤慢性有机质和结构性凋落物的短期影响上,具体表现在4碳库+2微生物酶模型和5碳库+微生物酶模型在模拟干旱对土壤慢性有机质碳库影响的相对贡献相对于4碳库模型了分别下降了54.64%和78.68%,同时对结构性凋落物碳库影响的相对贡献分别增加了394%和803%。表明短期干旱下,微生物对土壤慢性有机质的利用明显减弱,而对结构性凋落物的利用加强,这可能与干旱条件下土壤团聚体物理保护的加强,以及微生物群落的变化引起微生物对底物利用的偏好性改变有关。综上所述,增加微生物过程,可以提高陆地生态系统碳循环模型对常绿阔叶林土壤碳过程及其响应干旱的模拟精度,并能够揭示微生物对土壤有机碳响应干旱的调控作用。本研究结果为更好地理解常绿阔叶林土壤有机碳对极端干旱的响应及其微生物的调控机制提供了参考,并为改进模型结构、减小模拟的不确定性以及为提高未来模型对气候变化的预测提供科学依据。
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