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土壤呼吸 | 極端干旱通過(guò)改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來(lái)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(guò)改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來(lái)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(kāi)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(guó)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(guó)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(guò)原位觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合,旨在解決以下問(wèn)題:(1)不同植物生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來(lái)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(guò)改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來(lái)降低土壤異養(yǎng)呼吸而非甲烷通量

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


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

圖3 不同植物生長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(yíng)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(lái)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(lái)氣候變化提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。


【產(chǎn)品簡(jiǎn)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(guò)掌上控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)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(chǎng)修改各種設(shè)置參數(shù)。

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摘要土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)在全球碳循環(huán)中起著非常重要的作用,而高光譜遙感已被證明是一種快速估算SOM含量的有前景方法。然而,由于忽略了土壤物理性質(zhì)的光譜響應(yīng),SOM預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性和時(shí)空可遷移性較差。本研究旨在通過(guò)減少土壤物理性質(zhì)對(duì)光譜的耦合作用來(lái)提高SOM預(yù)測(cè)模型的時(shí)空可遷移性?;谛l(wèi)星高光譜圖像和土壤物理變量,包括土壤濕度(SM)、土壤表面粗糙度(均方根高度,RMSH)和土壤容重(SBW),建立了基于信息解混方法的土壤光譜校正模型。選取中國(guó)東北的兩個(gè)重要糧食產(chǎn)區(qū)作為研究區(qū)域,以驗(yàn)證光譜校正模型和SOM含量預(yù)測(cè)模型的性能和可遷移性。結(jié)果表明,基于四階多項(xiàng)式和XG-Boost算法的土壤光譜校正具有優(yōu)異的準(zhǔn)確性和泛化能力,幾乎所有波段的殘余預(yù)測(cè)偏差(RPD)均超過(guò)1.4?;赬G-Boost校正光譜的SOM預(yù)測(cè)精度最 高,決定系數(shù)(R2)為0.76,均方根誤差(RMSE)為5.74 g/kg,...
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