土壤呼吸--極端干旱改變土壤微生物功能群豐度來(lái)降低土壤異養(yǎng)呼吸

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(lèi)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。
 

若爾蓋國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)

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(guān)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。

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

【結(jié)果】

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。“ED”，“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。
 

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

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A(yíng)ctinobacteria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CO₂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(zhuān)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)CO₂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CO₂通量。

PS-9000可通過(guò)掌上控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)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)。