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温度变化对土壤有机碳矿化及其动力学特征的影响

王莲阁  
【摘要】:采用野外采样和室内培养试验,研究了不同土地利用类型(林地和旱地)下的石灰土和黄壤(旱地)表层土壤有机碳(SOC)矿化对温度变化的响应。三种供试土样分别采自贵州省普定县天龙山区域的典型林地和旱地的0~10cm表层。针对3种供试土壤,设置2种温度培养模式:①恒温模式,包括25℃、20℃、15℃,分别简称为HT-25、HT-20、HT-15;②变温处理,范围:15℃~25℃,变温间隔12h,每24h为1个周期,简称为BT-15/25,其中变温处理和20℃恒温处理的积温相同,培养时间为56d。利用培养过程中测得的相关数据,系统研究温度变化对土壤有机碳矿化及其动力学特征的影响,为全面认识土壤有机碳矿化的温度效应以及有机碳矿化模型的构建提供基础资料和科学参考。研究结果如下:(一)相同培养温度条件下,3种土壤相同培养时间段内的日均矿化量和累积矿化量大小顺序为:森林石灰土旱地石灰土黄壤,且差异均达到显著性水平(P0.05)。不同培养温度条件下,3种土壤前14d的有机碳平均矿化速率显著高于其后42d的矿化速率,培养前14d释放的CO2量约占总矿化量的60%~68%,这表明前14d的矿化速率决定了整个培养期内的有机碳累积矿化量。恒温培养条件下,3种土壤的累积矿化量和矿化强度随着培养温度的升高而显著增加。森林石灰土BT-15/25处理的有机碳累积矿化量和矿化强度显著低于HT-20处理,黄壤BT-15/25处理的有机碳累积矿化量和矿化强度则显著高于HT-20处理,旱地石灰土2种温度处理之间的累积矿化量和矿化强度则无明显差异,说明培养温度模式(恒温和变温)的变化显著影响土壤有机碳的矿化,通常利用恒温培养下获得的土壤矿化数据来预测和衡量田间土壤碳矿化水平的方法是有待商榷的,判定有机碳矿化对变温环境的响应程度是准确估算土壤CO2排放量的关键。(二)土壤有机碳累积矿化量与有机碳含量呈显著或极显著正相关(P0.05、P0.01),表明土壤有机碳含量是控制矿化过程的重要因素。3种土壤变温处理的累积矿化量和矿化强度总是介于HT-25和HT-15处理之间,说明变温处理的有机碳矿化受到温度变化范围的限制。受土地利用和植被类型的影响,森林石灰土和2种旱地土壤的表层有机碳含量和组成差异显著,结合土壤有机碳含量和组成、Q10值和矿化强度之间的关系分析可知,有机碳含量和组成等自身属性可能是影响其矿化过程对外界温度变化响应的重要原因。(三)森林石灰土变温处理的潜在矿化量显著低于HT-20处理,且C0/SOC明显小于旱地石灰土和黄壤,说明变温环境中森林石灰土微生物分解有机碳的能力减弱,微生物对碳源的利用效率降低。(四)培养过程中土壤的κs随着温度的升高而升高,这表明随着温度的升高土壤微生物利用难分解碳库的能力逐渐增强。整个培养期内,3种土壤的难分解有机碳含量与累积矿化量的比值达到近40%,这显示在有机碳矿化过程中难分解碳库与易分解碳库有着同等重要的作用。通过比较分析变温处理和恒温20℃处理条件下森林石灰土、旱地石灰土和黄壤有机碳矿化动力学方程中各参数的变化规律,发现变温环境主要通过改变易分解碳库的含量和难分解碳库的矿化速率常数来影响土壤有机碳矿化过程。(五)整个培养期间,由于土壤可溶性有机碳的溶出量与有机碳含量的关联性,有机碳含量较高的森林石灰土的可溶性有机碳含量始终高于旱地石灰土和黄壤。土壤类型和所处温度条件的不同,使土壤可溶性有机碳的溶出量亦有差异,这主要与土壤有机碳的温度敏感性和不同温度条件下土壤微生物群落活性有关。3种土壤不同温度条件下的可溶性有机碳含量与有机碳日均矿化量均呈极显著正相关,表明制约土壤可溶性有机碳生成是温度影响有机碳矿化的一个重要途径。(六)由于土壤微生物量碳与土壤有机碳含量的相关性,森林石灰土的微生物量碳含量显著高于旱地石灰土和黄壤。除HT-25处理条件下黄壤的微生物量碳含量与日均矿化量显著相关外,各处理的土壤微生物量碳含量与有机碳的日均矿化量均无显著相关性;土壤微生物量碳也不能有效反映升温过程中以及恒温和变温处理之间土壤有机碳矿化的差异,该现象表明,温度条件不能通过显著改变土壤微生物数量来影响有机碳矿化过程。温度变化可能通过影响土壤微生物群落的组成、结构和活性从而改变微生物利用有机碳的能力,进而对土壤有机碳矿化过程产生影响。结合矿化动力学分析可知,土壤微生物群落活性的变化是影响有机碳矿化的关键,温度能通过改变土壤微生物群落的活性来影响有机碳矿化过程。


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