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水力侵蚀作用下小区尺度土壤有机碳动态及其微生物学机制

黄金权  
【摘要】:随着人类生产活动的增加及极端降雨事件的频繁出现,土壤侵蚀及其对环境造成的影响日趋加剧,尤其在其驱动下的土壤有机碳库动态由于事关全球碳循环格局而引起全世界范围内的密切关注。然而,土壤侵蚀作用下的土壤碳循环研究却存在亟待解决的不确定性问题,其在土壤碳循环格局中究竟扮演“碳源”的角色还是扮演“碳汇”的角色,目前依然存在着广泛的争议。这其中关键的问题之一即是由侵蚀作用引起的土壤碳矿化格局与机制尚不明确,因侵蚀而流失那部分有机碳的归宿以及侵蚀发生后留在原位的有机碳动态仍然缺少明确的理论解释,从而导致无法准确估算侵蚀作用究竟多大程度上作用于土壤碳库的矿化流失。对于这样一个开放系统中的复杂过程,以往研究多基于“黑箱“理论加以评估,由此造成了碳库收支无法平衡的问题长期存在。本研究在充分总结以往研究的基础上认为,侵蚀作用下的土壤碳循环研究必须在宏观估算的基础上进行微观机理探索,才能为侵蚀作用下精准的土壤碳库收支估算提供全面可靠的理论依据,最终为不确定性问题的解决提供有效途径。鉴于此,本研究探索性地以主导有机碳矿化的土壤微生物为切入点,采用田间小区模拟降雨、田间定位观测及室内定性模拟等方法,探索坡面尺度内水力侵蚀作用下土壤微生物动态及有机碳库分布格局变化特征,并在此基础上结合对侵蚀作用下坡面有机碳矿化释放特征的定位观测,全面探讨侵蚀作用下以微生物为主导的土壤有机碳周转与矿化流失机制,并进一步探索了侵蚀对于土壤有机碳库输入能力的影响。围绕相关研究主题,本研究共设计了 5个相关的实验研究内容,具体工作及其获得的主要结果结论如下:1、通过观察土壤水力侵蚀前期土壤干燥/润湿事件影响下坡面有机碳、土壤微生物动态,探讨了侵蚀坡面微生物对次降雨干燥/润湿的响应特征及其与土壤有机碳之间的作用机制。研究发现,润湿发生后24小时内,坡中样区细菌丰度显著增加了 14.2%(P0.05),坡底沉积区真菌丰度却显著下降了 20.7%(P0.001),相应其他样区相关微生物指标无显著变化,总体考察真菌数量丰度比细菌数量丰度对润湿的响应更加剧烈,且除坡上与坡中样区中细菌丰度与有机碳含量在润湿后60小时内存在负相关之外,观察期间微生物丰度与有机碳之间在坡面与样区尺度基本不存在显著相关性(P0.05);由土壤有机碳和水溶性有机碳组成的数据集显著解释了 46.0%的细菌物种组成变化(P = 0.002),占到所有环境因子总解释量的69.4%,而其单独作用对真菌物种组成变化的解释量达到21.9%(P = 0.04),占到总解释量的41.2%。结果表明,土壤侵蚀与沉积特征可能显著影响土壤有机碳动态的微生物机制对干燥/润湿的响应,这种影响作用是通过改变那些对干燥/润湿具有不同响应特征的微生物功能类群的群落结构来实现的;2、在干燥/润湿作用机制研究的基础上,通过田间模拟降雨的方法,探索了次降雨侵蚀过程(1小时)及其发生后短期内(132小时)对坡面微生物再分布格局及土壤有机碳动态的影响,进而探索了次降雨侵蚀事件影响下坡面微生物分布格局与有机碳动态相互作用机制。研究发现,侵蚀运移过程使得坡中过渡样区细菌与真菌丰度分别显著减少了 17.2%(P0.05)与28.4%(P0.05),而对坡面内微生物物种多样性没有造成显著影响;侵蚀发生后132小时内,坡面尺度上细菌丰度显著增加了 4.7%(P0.05),而真菌群落Shannon多样性指数显著上升了 21.1%(P0.05);作为显著作用因子,土壤有机碳和次降雨侵蚀事件共同作用对细菌丰度变化的解释量达到59.5%(P0.01),其与土壤含水率共同作用对真菌丰度变化的解释量达到38.8%(P0.05),且其与细菌和真菌丰度均存在明显正相关关系;土壤有机碳与微生物群落多样性指数变化没有显著作用关系。结果表明,与侵蚀前期润湿作用相比,侵蚀破碎运移作用使得微生物对坡面尺度碳循环作用的机制由物种结构主导型转化为微生物量主导型;3、通过田间模拟降雨及定位观测,考察了侵蚀坡面在次降雨侵蚀事件作用下的土壤有机碳库动态及矿化特征,并结合前期研究对土壤微生物侵蚀响应特征的考察,深入探讨了侵蚀坡面有机碳矿化流失的特征与机制。研究发现,免耕与翻耕系统土壤流失率分别为0.72×103gm-2和0.05×103gm-2,相应的土壤有机碳流失率分别为10.83gm-2和0.84gm-2,可见耕作方式对于泥沙输移及土壤中相关物质流失与再分布具有重要影响;侵蚀过后,翻耕小区不同坡位上平均碳矿化速率均低于对照61.9%以上,而免耕小区不同坡位上平均碳矿化速率最多低于对照仅40.24%;水力侵蚀作用后,坡面具有不同侵蚀与沉积特征的部位二氧化碳累积释放特征无显著性差异;包括土壤有机碳在内的众多参数与二氧化碳释放量之间不存在显著相关关系。结果表明,翻耕土壤有利于减缓碳矿化,且土壤水力侵蚀对坡面碳矿化格局具有综合效应,侵蚀诱导下的坡面有机碳格局与其后期碳矿化格局间不存在孤立的作用关系;4、基于水力侵蚀选择性运移作用形成的侵蚀区与沉积区典型土壤性质特征,采用室内定性模拟的方法,研究了不同粒径团聚体主导系统中微生物动态特征及有机碳库变化规律,据此探讨了侵蚀发生后短期内侵蚀原位及沉积土壤中碳动态机制。研究发现,次降雨润湿后,不同粒径土壤团聚体主导系统中有机碳矿化速率具有明显差异,其中培养初期1-2mm粒级团聚体处理中碳矿化率最高,分别达到粒径小于0.5mm与2-3mm粒级团聚体处理1.07与18.94倍;不同粒径土壤团聚体主导系统中细菌群落组成均发生了显著变化,粒径小于0.5mm与2-3mm粒级团聚体中细菌物种多样性及相对丰度呈现出相反的动态特征;二氧化碳累积产量对微生物群落结构组成变化没有显著解释贡献(P = 0.886),显示细菌群落组成与碳矿化之间的相互作用关系不显著。结果表明,由侵蚀的选择性迁移作用形成的具有不同团聚体组成的侵蚀与沉积区域,土壤有机碳矿化格局将由于团聚体的分布不同而存在差异,这种差异可能与不同团聚体样品中有机碳品质或微生物对碳源具体利用方式有关;5、通过田间种植实验,考察坡面尺度侵蚀长期累积作用及次降雨短期效应对于土地生产力的影响,并在此基础上探讨了侵蚀影响下的有机碳动态对于生产力的贡献机制,为考察侵蚀作用对土壤有机质输入能力的影响提供理论参照。研究发现,同耕作方式不同雨强及同雨强不同耕作两个系统中,水力侵蚀的长期累积效应对生产力变化的解释量分别达到61.4%(P = 0.002)与53.8%(P = 0.002),相对于次降雨侵蚀事件而言,是对生产力产生主导作用的侵蚀作用模式;免耕系统中,次降雨强度对生产力无显著性影响(P = 0.076),而在同一降雨强度作用下,次降雨侵蚀过后免耕小区内生产力显著高于翻耕小区45.27%(P= 0.032),与这种差异显著相关的土壤理化因子为总磷(P = 0.002)、有机碳(P=0.006)以及总氮(P=0.01);两个系统中,作为显著影响因子,土壤有机碳与侵蚀的长期累积效应协同作用对生产力的解释量分别达到49.1%与41.3%,显示侵蚀长期累积效应主要通过改变土壤有机碳的格局来作用于生产力。结果表明,侵蚀长期累积效应对生产力的变化起主导作用,但次降雨侵蚀事件在翻耕条件下同样可对生产力造成实质性影响,这种影响主要是通过对土壤养分的作用而间接实现的,对该机制的忽视会对农业实践及土壤碳库输入管理产生误导。综上所述,水力侵蚀对土壤有机碳库的作用与影响贯穿于从有机质输入、迁移、再分布到矿化流失的每一个过程。其中,其对土壤碳库周转与矿化的影响主要包括前期干燥/润湿激发、过程破碎激发以及选择性迁移与富集引起的后期诱导等三个主要过程,整个发生过程实际上是土地耕作方式、土壤侵蚀与沉积特征、微生物群落组成以及有机质数量与品质的函数,微生物在其中扮演着主导与媒介的重要角色。因此,以微生物为切入点进行侵蚀作用下的碳矿化研究将有助于从机理层面解决侵蚀在土壤碳循环中的不确定问题。


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