土壤呼吸 | 極端干旱通過改變高寒泥炭地土壤微生物功能群豐度來降低土壤異養(yǎng)呼吸而非甲烷通量
 

【溫室氣體】

人類活動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)生的頻率和強度不斷升高，對土壤含水量、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。高寒泥炭地擁有巨大的碳儲量，對氣候變化高度敏感。雖然目前圍繞高寒泥炭地碳排放開展了一些研究，但對高寒泥炭地生態(tài)系統(tǒng)碳排放對極端干旱響應的微生物機制仍不清楚。
 

若爾蓋國家級自然保護區(qū)

基于此，中國林業(yè)科學研究院濕地研究所的研究團隊以青藏高原東部若爾蓋國家級自然保護區(qū)高寒泥炭地（33°47′56.62′′ N，102°57′28.44′′ E，3430 m.a.s.l.）為研究對象，依托模擬極端干旱的野外控制實驗平臺，通過原位觀測和室內(nèi)試驗相結(jié)合，旨在解決以下問題：（1）不同植物生長期，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日測量了Rh（PS-9000便攜式土壤碳通量自動測量系統(tǒng)（北京理加聯(lián)合科技有限公司））和CH4通量（一個閉路靜態(tài)室（0.5×0.5×0.5 m）+ABB LGR便攜式溫室氣體分析儀（UGGA，GLA132-GGA））。試驗三個生長期結(jié)束時，作者測量了樣地0-20 cm土壤的土壤性質(zhì)，包括總氮（TN）、土壤有機碳（SOC）、有效磷含量（AP）、總磷（P）、pH值、溶解有機碳（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，還進行了新鮮土壤樣品的DNA提取、PCR擴增和測序。

圖1 PS-9000便攜式土壤碳通量自動測量系統(tǒng)。
 

【結(jié)果】

圖2 不同植物生長期極端干旱對土壤異養(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期、盛花期和植物生長衰退期。
 

圖3 不同植物生長期極端干旱對細菌碳循環(huán)功能群的影響。
 

圖4 驅(qū)動因素對土壤微生物呼吸（a）和甲烷通量（b）的相對貢獻。
 

【結(jié)論】

極端干旱導致植物生長衰退期土壤異養(yǎng)呼吸顯著降低38.04 mg m−2h−1，但對CH4通量無顯著影響。極端干旱顯著降低了細菌的α多樣性，顯著降低了植物快速生長期和衰退期的Rokubacteria和Chloroflexi菌的相對豐度，顯著增加了盛花期Actinobacteria菌的相對豐度。在植物快速生長期和盛花期，極端干旱使芳香烴降解功能群（aromatic hydrocarbon degraders）相對豐度分別降低了50.26%和64.37%。在植物生長衰退期，極端干旱顯著降低了甲醇氧化（methanol oxidizers）和木質(zhì)素降解（lignin degraders）功能群的相對豐度，分別為81.63%和82.08%。隨機森林模型分析表明，細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）降解功能群對土壤異養(yǎng)呼吸累計貢獻率為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）和甲基營養(yǎng)（methylotrophs）功能群對甲烷通量的累計貢獻率為13.29%。研究結(jié)果強調(diào)土壤細菌碳循環(huán)功能群對于探索未來極端干旱背景下土壤碳循環(huán)可能的微生物響應機制至關(guān)重要，為高寒泥炭地應對未來氣候變化提供了理論基礎(chǔ)和科學依據(jù)。
 

【產(chǎn)品簡介】

PS-9000是一套用于測量土壤CO₂通量的便攜式測量系統(tǒng)，采用動態(tài)氣室法測量，專利設計。具有控制測量、存儲和數(shù)據(jù)處理等功能，可測量呼吸室內(nèi)CO₂濃度變化，同時結(jié)合自身測量的空氣溫度、大氣壓、土壤溫度等傳感器的數(shù)據(jù)，計算處理得到CO₂通量。

PS-9000可通過掌上控制器實現(xiàn)無線操作，實時顯示儀器測量的各種參數(shù)值，并可現(xiàn)場修改各種設置參數(shù)。