【摘 要】
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干旱与半干旱区草地生态系统是陆地生态系统重要组成部分,同时也是最脆弱的生态系统类型之一,该地区土壤碳的主要损失途径是土壤呼吸。研究各环境因子对土壤呼吸的影响,有助于掌握土壤呼吸在不同因子作用下的规律。现如今,在人类行为以及工业化活动积累下,干旱以及半干旱区的生态系统遭到严重破坏,面临着碳损失、降水格局改变、气候变暖等全球性质的挑战。因此开展凋落物添加和不同人工降水梯度干旱-半干旱草地生态系统土壤呼
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干旱与半干旱区草地生态系统是陆地生态系统重要组成部分,同时也是最脆弱的生态系统类型之一,该地区土壤碳的主要损失途径是土壤呼吸。研究各环境因子对土壤呼吸的影响,有助于掌握土壤呼吸在不同因子作用下的规律。现如今,在人类行为以及工业化活动积累下,干旱以及半干旱区的生态系统遭到严重破坏,面临着碳损失、降水格局改变、气候变暖等全球性质的挑战。因此开展凋落物添加和不同人工降水梯度干旱-半干旱草地生态系统土壤呼吸的影响,对探寻土壤生态系统物质循环规律、碳循环预测以及退化草地的保护具有积极作用。本研究依托中国科学院奈曼沙漠化研究站,选取站内试验场一块没有经过施肥施氮处理的沙质草地,基于2种凋落物添加与5种降水梯度的设置进行野外定点土壤呼吸观测试验。根据该地区降水规律,将单次降水量分别设置为3mm、6mm、12mm、24mm、45mm,降水频率依次为2天、4天、8天、16天、30天。同时设置两种凋落物添加,分别是豆科植物小叶锦鸡儿和禾本科植物糙隐子草。通过对春季末期(5月份)以及夏季盛期(7月份)的5种不同频率降水控制,作用在不同的呼吸底物上开展研究,结果如下:(1)科尔沁沙质草地的土壤总呼吸、微生物呼吸、根呼吸均会在人工降水过后出现峰值现象,5月份最大峰值现象出现在实验中期,7月份最大峰值现象出现在实验初期。(2)不同人工降水梯度显著影响土壤呼吸、微生物呼吸、根呼吸速率的动态变化。表现为3mm/2d降水梯度使得土壤处于恒湿条件下,土壤呼吸速率平均值最大;45mm/30d降水梯度使得土壤相对干旱,土壤呼吸速率平均值最小。不同人工降水梯度对微生物呼吸以及根呼吸速率也有显著的影响:在5月份与7月份的动态监测中,微生物呼吸在3mm/2d降水梯度比45mm/30d降水梯度提高93.45%、25.95%,根呼吸速率提高10.82%、29.17%。(3)呼吸底物的添加极显著影响土壤呼吸(p<0.001)、微生物呼吸(p<0.001)、根呼吸速率(p<0.001)。添加凋落物后,由于人工降水的干预土壤呼吸速率值波动更加剧烈,小叶锦鸡儿作为豆科植物在降水的作用下释放出来的有机质大于禾本科植物糙隐子草,因此小叶锦鸡儿凋落物添加处理的呼吸速率值远远大于糙隐子草凋落物添加处理。微生物呼吸和根呼吸速率值也遵循此规律,同时大于空白值。(4)凋落物添加与适宜的水分输入有利于提高土壤呼吸速率。本研究中在小叶锦鸡儿凋落物添加的基础上进行6mm/4d、12mm/8d的人工降水,相对最有利于土壤呼吸的增长。然而土壤呼吸的增长需要辩证对待,虽然其提高意味着土壤生物活性与代谢水平的提高,但同时也可能会带来土壤碳的损失。因此凋落物添加对土壤碳的输入量,与该添加下土壤呼吸引起的碳排放增长量之间的关系,仍需进一步探究。综上所述,本研究中小叶锦鸡儿、糙隐子草凋落物的添加能有效增加土壤呼吸底物供应,使土壤微生物生物量增多,明显提高土壤呼吸速率。少量多次的人工降水格局,如3mm/2d、6mm/4d等更有利于土壤呼吸速率提高。豆科植物小叶锦鸡儿因分解速率更快,有利于土壤有机质的增加,其凋落物添加处理下的土壤呼吸速率均值大于糙隐子草凋落物添加。凋落物添加并没有改变土壤呼吸的浮动趋势,说明凋落物添加虽然能显著促进土壤呼吸,但并不会改变土壤呼吸变化规律。7月份土壤呼吸速率均值大于5月份土壤呼吸速率均值,极有可能是由于温度引起的差异。研究结果可为科尔沁沙地土壤呼吸碳循环研究以及干旱-半干旱草地生态系统保护提供理论基础。
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