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《中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)》 2018年
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改变碳输入对沼泽湿地碳排放的影响及其微生物学机制研究

宫超  
【摘要】:植物凋落物,包括立枯物调控对湿地生态系统碳循环及其平衡过程有显著影响,而凋落物质、量的变化受全球环境变化的影响。有关植物凋落物在生态系统呼吸过程的基本功能、作用研究,对于大气-陆地生态系统间的碳交换评价研究至关重要。然而,到目前为止,湿地植被凋落物调控对湿地生态系统呼吸碳排放及其温度敏感性有何影响仍不清楚。本研究中,以东北三江平原地区季节性积水小叶章沼泽湿地为研究对象,通过布置野外原位定位控制实验,对湿地植被凋落物(立枯物)添加或是去除处理,以研究湿地植物凋落物在生态系统碳排放中的作用,并探讨相关作用机制。研究发现:1)湿地生态系统CH_4、CO_2排放受凋落物调控显著影响,植被去除后CH_4排放增加量要明显高于凋落物加倍处理,观测期间第二年的增加效果要显著高于第一年,不同处理下CH_4排放量表现为对照处理凋落物加倍处理地上植被去除处理地上植被及凋落物全部去除处理,凋落物添加处理CH_4排放增加量要明显低于凋落物去除处理,表明湿地CH_4排放量的变化要对凋落物去除处理更为敏感;地上植被及凋落物全部去除处理下表层10 cm土壤甲烷产生菌数量要显著高于其他处理,对照处理下产甲烷菌数量最低,与CH_4排放变化特点相同;2)凋落物添加后湿地CO_2排放增加,去除处理则显著降低,具体表现为地上植被及凋落物全部去除处理地上植被去除处理对照处理凋落物加倍处理,第二年作用效果较第一年更明显,CO_2排放变化更易受凋落物去除影响;3)不同凋落物输入处理下孔隙水中可溶性有机碳(DOC)和无机氮(NH_4~+)显著差异,说明湿地植被凋落物作用下生态系统有不同的碳、氮来源,DOC和NH_4~+作为微生物可直接利用的碳源、氮源,二者的变化将显著作用于生态系统碳循环过程;4)不同凋落物输入处理下CO_2排放温度敏感性Q_(10)值发生了改变,凋落物(包括立枯物及地表凋落物)全部去除处理下Q_(10)值最高,表现出湿地土壤在全球变暖背景下更倾向于碳排放过程。同时,在有湿地植被覆盖条件下,深层土壤(15 cm以下)CO_2排放温度敏感性变化要低于凋落物去除处理,表明湿地植被在湿地生态系统固碳中的重要作用;5)对不同处理下表层10 cm土壤样品进行微生物群落结构分析时发现,总微生物量、细菌、真菌、菌根真菌、腐生真菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌在不同处理下均表现为凋落物加倍对照地上立枯与地表凋落物去除地上立枯物去除处理;细菌含量要明显高于其他菌群,相同处理下革兰氏阴性菌含量显著高于革兰氏阳性菌,真菌/细菌和菌根真菌与腐生真菌的比值也没有发生显著性变化。我们的研究结果表明在全球环境变化影响下,在预测生物圈-大气圈碳交换时要考虑到湿地植被凋落物输入到土壤系统中质、量变化的重要性。土壤有机碳矿化是陆地生态系统中碳收支平衡的重要过程,受凋落物分解的重要影响。目前有关植物凋落物碳输入对土壤有机碳稳定性影响的研究还存在很大争议,对全球气候变化影响下的土壤碳库稳定性变化及其影响因素研究造成很大不确定性。采用室内培养实验的方法,研究了淹水(土面以上1 cm)与非淹水(80%WHC)条件下小叶章、毛薹草叶片单独与混合添加作用下的湿地土壤CO_2排放动态变化特征。结果表明:1)不同水分条件下小叶章叶片、毛薹草叶片单独与混合添加后均显著增加了CO_2排放量,并且小叶章叶片添加后引起的增加效果高于毛薹草叶片,不同水分条件下小叶章叶片添加后CO_2累积排放量差异显著,而毛薹草叶片添加后CO_2累积排放差异不显著,湿地不同植物凋落物对土壤有机碳矿化影响不同;2)叶片凋落物类型对累积CO_2排放量有显著影响,而水分条件、叶片凋落物和水分条件的交互作用对累积CO_2排放量影响不显著;3)小叶章叶片、毛薹草叶片单独添加和二者混合添加后对CO_2排放量的影响存在加和效应。本研究表明,植物凋落物输入到富含有机碳的湿地土壤中可以快速影响土壤有机碳的周转,在预测湿地土壤碳稳定性对气候变化的响应时应考虑土壤系统中来源于植被的外源物质输入影响。与此同时,利用碳同位素示踪技术开展~(13)C-葡萄糖单独添加、及其与氮耦合效应作用下的湿地土壤有机碳分解CO_2排放变化情况,定量化研究湿地土壤有机碳分解激发效应的作用方向及强度。结果表明:1)碳添加水平(0,4%MBC和40%MBC)、温度、时间、以及时间和碳添加水平的交互作用对湿地土壤原有机碳分解影响显著,且不同碳添加水平在不同培养温度下对CO_2累积排放量影响不同,影响土壤原碳收支平衡;2)激发效应强度随时间改变,不同温度条件下的不同碳添加水平引起的正激发效应强于负激发效应,促进了土壤原碳的释放:10℃温度条件下,低碳添加处理后土壤原碳排放增加10.63%,高碳处理增加了17.96%;20℃温度条件下,低碳添加处理后土壤原碳排放仅增加了1.47%,高碳处理增加了8.83%,碳添加引起的激发效应要低于10℃;3)氮添加起到的促进作用高于碳添加,但都要显著低于碳、氮同时添加处理;碳、氮添加后,高碳、低碳水平下土壤原有机碳分解累积CO_2释放量差异不显著;4)碳、氮同时添加引起的激发效应随时间变化表现出正负的变化特点,导致不同处理下累积激发释放的CO_2量随时间而变,高碳添加量使土壤原碳累积释放量增加8.83%,而低碳添加量时仅仅增加了1.47%;相比于氮单独添加处理,氮与低碳共同添加后湿地土壤原碳释放量增加5.93%,与高碳共同添加处理后土壤碳释放仅增加了2.47%,由此可以看出,外源碳、氮添加水平对湿地土壤有机碳稳定性的维持有重要影响。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院东北地理与农业生态研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X171;X172

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