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土壤呼吸 | 極端干旱通過改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來降低土壤異養(yǎng)呼吸而非甲烷通量

日期: 2022-05-09
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土壤呼吸 | 極端干旱通過改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來降低土壤異養(yǎng)呼吸而非甲烷通量


【溫室氣體】

人類活動(dòng)造成溫室氣體排放急劇增加,全球地表溫度持續(xù)上升,顯著改變了自然生態(tài)系統(tǒng)碳水循環(huán)格局。極端氣候事件,尤其是極端干旱事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度不斷升高,對(duì)土壤含水量、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能、土壤異養(yǎng)呼吸(Rh)以及土壤甲烷(CH4)通量具有重要影響。高寒泥炭地?fù)碛芯薮蟮奶純?chǔ)量,對(duì)氣候變化高度敏感。雖然目前圍繞高寒泥炭地碳排放開展了一些研究,但對(duì)高寒泥炭地生態(tài)系統(tǒng)碳排放對(duì)極端干旱響應(yīng)的微生物機(jī)制仍不清楚。


基于此,中國林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所的研究團(tuán)隊(duì)以青藏高原東部若爾蓋國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)高寒泥炭地(33°47′56.62′′ N,102°57′28.44′′ E,3430 m.a.s.l.)為研究對(duì)象,依托模擬極端干旱的野外控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過原位觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合,旨在解決以下問題:(1)不同植物生長期,極端干旱如何影響Rh和CH4通量?(2)極端干旱如何影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能群?以及(3)驅(qū)動(dòng)Rh和CH4通量變化的主要因素是什么?


作者于2019年6月18日至9月25日測(cè)量了Rh(PS-9000便攜式土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(北京理加聯(lián)合科技有限公司))和CH4通量(一個(gè)閉路靜態(tài)室(0.5×0.5×0.5 m)+ABB LGR便攜式溫室氣體分析儀(UGGA,GLA132-GGA))。試驗(yàn)三個(gè)生長期結(jié)束時(shí),作者測(cè)量了樣地0-20 cm土壤的土壤性質(zhì),包括總氮(TN)、土壤有機(jī)碳(SOC)、有效磷含量(AP)、總磷(P)、pH值、溶解有機(jī)碳(DOC)、土壤含水量(SWC)、硝態(tài)氮(NO3--N)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、微生物生物量磷(MBP)、微生物生物量氮(MBN)和微生物生物量碳(MBC)。此外,還進(jìn)行了新鮮土壤樣品的DNA提取、PCR擴(kuò)增和測(cè)序。

土壤呼吸 | 極端干旱通過改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來降低土壤異養(yǎng)呼吸而非甲烷通量

圖1 PS-9000便攜式土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。


【結(jié)果】

土壤呼吸 | 極端干旱通過改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來降低土壤異養(yǎng)呼吸而非甲烷通量

圖2 不同植物生長期極端干旱對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸(a)和甲烷通量(b)的影響。“ED”,“MD”,和“LD”分別代表植物快速生長期、盛花期和植物生長衰退期。


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圖3 不同植物生長期極端干旱對(duì)細(xì)菌碳循環(huán)功能的影響。


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圖4 驅(qū)動(dòng)因素對(duì)土壤微生物呼吸(a)和甲烷通量(b)的相對(duì)貢獻(xiàn)。


【結(jié)論】

極端干旱導(dǎo)致植物生長衰退期土壤異養(yǎng)呼吸顯著降低38.04 mg m?2h?1,但對(duì)CH4通量無顯著影響。極端干旱顯著降低了細(xì)菌的α多樣性,顯著降低了植物快速生長期和衰退期的Rokubacteria和Chloroflexi菌的相對(duì)豐度,顯著增加了盛花期Actinobacteria菌的相對(duì)豐度。在植物快速生長期和盛花期,極端干旱使芳香烴降解功能群(aromatic hydrocarbon degraders)相對(duì)豐度分別降低了50.26%和64.37%。在植物生長衰退期,極端干旱顯著降低了甲醇氧化(methanol oxidizers)和木質(zhì)素降解(lignin degraders)功能群的相對(duì)豐度,分別為81.63%和82.08%。隨機(jī)森林模型分析表明,細(xì)菌功能群在決定土壤異養(yǎng)呼吸和甲烷排放中起著重要的作用。芳香族化合物降解(aromatic compound degraders)和芳香烴(aromatic hydrocarbon degraders)降解功能群對(duì)土壤異養(yǎng)呼吸累計(jì)貢獻(xiàn)率為11.89%。芳香族化合物降解(aromatic compound degraders)、芳香烴降解(aromatic hydrocarbon degraders)、脂肪族非甲烷烴降解(aliphatic non-methane hydrocarbon degraders)和甲基營養(yǎng)(methylotrophs)功能群對(duì)甲烷通量的累計(jì)貢獻(xiàn)率為13.29%。研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)土壤細(xì)菌碳循環(huán)功能群對(duì)于探索未來極端干旱背景下土壤碳循環(huán)可能的微生物響應(yīng)機(jī)制至關(guān)重要,為高寒泥炭地應(yīng)對(duì)未來氣候變化提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。


【產(chǎn)品簡介】

PS-9000是一套用于測(cè)量土壤CO?通量的便攜式測(cè)量系統(tǒng),采用動(dòng)態(tài)氣室法測(cè)量,專利設(shè)計(jì)。具有控制測(cè)量、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理等功能,可測(cè)量呼吸室內(nèi)CO?濃度變化,同時(shí)結(jié)合自身測(cè)量的空氣溫度、大氣壓、土壤溫度等傳感器的數(shù)據(jù),計(jì)算處理得到CO?通量。

PS-9000可通過掌上控制器實(shí)現(xiàn)無線操作,實(shí)時(shí)顯示儀器測(cè)量的各種參數(shù)值,并可現(xiàn)場修改各種設(shè)置參數(shù)。

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