評(píng)估不同深度的土壤生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)氣候變化響應(yīng)的差異

原文以 A field incubation approach to evaluate the depth dependence of soil biogeochemical responses to climate change 為標(biāo)題發(fā)表在Global Change Biology上

作者 | 郭曉偉 等

翻譯 | 曹大偉

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)大的有機(jī)質(zhì)庫(kù)，其中三分之二儲(chǔ)存在0.2米以下的土壤中。這個(gè)有機(jī)質(zhì)庫(kù)的周轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)著土壤肥力、植物生長(zhǎng)和氣候。

深入了解土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）循環(huán)過(guò)程以及如何響應(yīng)氣候變化，對(duì)于可持續(xù)性的土地管理和執(zhí)行有效的氣候行動(dòng)至關(guān)重要。
 

土壤生物地球化學(xué)循環(huán)發(fā)生在三維非均質(zhì)環(huán)境中，在土壤物理(例如，熱和水分狀況)、化學(xué)(例如，土壤養(yǎng)分有效性)和生物特性(例如，微生物功能和活性)方面，土壤剖面存在明顯的縱向梯度。因此，不同的控制/機(jī)制可能會(huì)影響SOM在不同土壤深度的周轉(zhuǎn)和持久性。

例如，由于底土SOM比表土SOM具有更強(qiáng)的團(tuán)聚體保護(hù)和礦物吸附，因此底土SOM比表土SOM分解的更持久。其中一個(gè)原因是表土SOM主要由植物體產(chǎn)生的基質(zhì)組成，而大多數(shù)底土SOM來(lái)自微生物殘?bào)w，這些殘?bào)w對(duì)礦化有更強(qiáng)的保護(hù)作用。此外，微生物群落和土壤有機(jī)-礦物相互作用都通過(guò)土壤剖面呈現(xiàn)縱向梯度，不同深度SOM成分和保護(hù)過(guò)程的差異，可能導(dǎo)致SOM分解對(duì)氣候變化有不同響應(yīng)。
 

評(píng)估不同深度的土壤生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)氣候變化的響應(yīng)，通常是在理想的實(shí)驗(yàn)室條件和人工氣候條件下進(jìn)行的。例如，對(duì)于土壤的碳循環(huán)，隨著土壤深度的增加，溫度敏感性會(huì)降低、不變或增加，這取決于土壤和培養(yǎng)條件。導(dǎo)致這種不一致的原因之一，是因?yàn)檫@種培養(yǎng)通常是破壞性的，破壞沿土壤剖面的微環(huán)境梯度和SOM的物理化學(xué)保護(hù)。野外增溫試驗(yàn)提供了一種補(bǔ)充，具有減少土壤擾動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。然而，只有少數(shù)研究將變暖擴(kuò)展到深層全土壤剖面，并評(píng)估特定深度的生物地球化學(xué)循環(huán)。此外，現(xiàn)有的氣候變化處理實(shí)驗(yàn)，大多只關(guān)注一個(gè)或幾個(gè)氣候變量(如年平均氣溫和降水量)，而真實(shí)的氣候變化是綜合了各種復(fù)雜的氣候變量的結(jié)果。建立和維護(hù)這種野外操作實(shí)驗(yàn)也是非常昂貴的。總的來(lái)說(shuō)，我們需要新的方法量化評(píng)估不同深度土壤生物地球化學(xué)對(duì)氣候變化的響應(yīng)，并克服完整采樣和監(jiān)測(cè)的挑戰(zhàn)。
 

在這里，我們提出了一種創(chuàng)新的方法，即在野外培養(yǎng)完整的土樣。該方法在青藏高原東南部一個(gè)海拔2200m的樣帶中進(jìn)行了驗(yàn)證，以驗(yàn)證與全土壤生物地球化學(xué)循環(huán)有關(guān)的兩個(gè)局部假設(shè)。即，與深度相關(guān)的土壤剖面環(huán)境梯度不僅影響土壤碳礦化，而且影響土壤碳礦化對(duì)氣候變化的敏感性。

該方法利用不同地點(diǎn)的自然氣候差異來(lái)實(shí)現(xiàn)自然氣候梯度。在不同氣候條件下的站點(diǎn)提取完整的土核（soil core），然后在擁有不同環(huán)境氣候的站點(diǎn)進(jìn)行相互遷移(即在站點(diǎn)之間交換)和培養(yǎng)。該設(shè)計(jì)已用于研究土壤生物地球化學(xué)響應(yīng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)。

結(jié)合互換位置，設(shè)計(jì)土核（soil core）倒置處理，即將采樣土壤分為兩組，一組為正面朝上(即非倒置)，另一組為倒置。這種倒置保持了土核（soil core）的完整性，同時(shí)為來(lái)自相同深度的土層創(chuàng)造了不同的環(huán)境條件，從而能夠評(píng)估土壤生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)深度的依賴性及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)。
 

本研究的核心是介紹利用土核（soil core）倒置處理的野外培養(yǎng)方法。這種方法無(wú)損地改變了來(lái)自相同深度的土壤的位置，使來(lái)自相同深度的土壤具有不同的環(huán)境條件。因此，與不同氣候地點(diǎn)之間的易位實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，有可能分離土壤生物地球化學(xué)過(guò)程對(duì)氣候變化響應(yīng)的深度誘導(dǎo)效應(yīng)。

結(jié)果表明，Rs對(duì)氣候變化有顯著的響應(yīng)(p<.05)，但這種響應(yīng)與深度無(wú)關(guān)。隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，非倒置和倒置土核（soil core）的Rs對(duì)氣候變化的敏感性增強(qiáng)，如果假設(shè)不穩(wěn)定基質(zhì)隨著培養(yǎng)的進(jìn)行而枯竭，則表明持久性土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)比不穩(wěn)定組分對(duì)氣候變化的脆弱性更高。這些結(jié)果表明，無(wú)論深度位置如何，全剖面SOM礦化都對(duì)氣候變化敏感。

測(cè)量培養(yǎng)土樣的CO2通量

在環(huán)境氣候條件下，將1m深的土核（soil core）連同PVC管一起置于野外培養(yǎng)。在培養(yǎng)開始時(shí)，去除所有土樣中的植物及植物凋落物。在將土核（soil core）重新安放并培養(yǎng)，穩(wěn)定1個(gè)月后，使用自動(dòng)土壤CO2通量測(cè)量系統(tǒng)（LI-8100A, Li-Cor Inc.)測(cè)量CO2通量，從2020年10月到2021年10月，每隔一個(gè)季度測(cè)量一次土樣的CO2外排通量(Rs，μmol CO2 m−2s−1)(除2021年4月因海拔4600米處有暴風(fēng)雪和積雪太深沒(méi)能測(cè)量外，共有5次測(cè)量)。由于腔室的直徑(20厘米)大于培養(yǎng)土樣的直徑(3.7厘米)，因此使用了塑料襯墊，只允許CO2從培養(yǎng)土樣流出進(jìn)入腔室。在測(cè)量二氧化碳排出量的前1天，去除土壤中可見的活植物和植物凋落物，以限制植物自養(yǎng)呼吸。測(cè)量時(shí)間為當(dāng)天的上午9:00至下午16:00。

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原文中的主要數(shù)據(jù)圖表