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土壤呼吸 | 极端干旱通过改变高寒泥炭地土壤微生物功能群丰度来降低土壤异养呼吸而非甲烷通量

日期: 2022-05-09
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土壤呼吸 | 极端干旱通过改变高寒泥炭地土壤微生物功能群丰度来降低土壤异养呼吸而非甲烷通量


【温室气体】

人类活动造成温室气体排放急剧增加,全球地表温度持续上升,显著改变了自然生态系统碳水循环格局。极端气候事件,尤其是极端干旱事件发生的频率和强度不断升高,对土壤含水量、土壤微生物群落结构和功能、土壤异养呼吸(Rh)以及土壤甲烷(CH4)通量具有重要影响。高寒泥炭地拥有巨大的碳储量,对气候变化高度敏感。虽然目前围绕高寒泥炭地碳排放开展了一些研究,但对高寒泥炭地生态系统碳排放对极端干旱响应的微生物机制仍不清楚。


基于此,中国林业科学研究院湿地研究所的研究团队以青藏高原东部若尔盖国家级自然保护区高寒泥炭地(33°47′56.62′′ N,102°57′28.44′′ E,3430 m.a.s.l.)为研究对象,依托模拟极端干旱的野外控制实验平台,通过原位观测和室内试验相结合,旨在解决以下问题:(1)不同植物生长期,极端干旱如何影响Rh和CH4通量?(2)极端干旱如何影响土壤微生物群落结构和功能群?以及(3)驱动Rh和CH4通量变化的主要因素是什么?


作者于2019年6月18日至9月25日测量了Rh(PS-9000便携式土壤碳通量自动测量系统(北京理加联合科技有限公司))和CH4通量(一个闭路静态室(0.5×0.5×0.5 m)+ABB LGR便携式温室气体分析仪(UGGA,GLA132-GGA))。试验三个生长期结束时,作者测量了样地0-20 cm土壤的土壤性质,包括总氮(TN)、土壤有机碳(SOC)、有效磷含量(AP)、总磷(P)、pH值、溶解有机碳(DOC)、土壤含水量(SWC)、硝态氮(NO3--N)、铵态氮(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,还进行了新鲜土壤样品的DNA提取、PCR扩增和测序。

土壤呼吸 | 极端干旱通过改变高寒泥炭地土壤微生物功能群丰度来降低土壤异养呼吸而非甲烷通量

图1 PS-9000便携式土壤碳通量自动测量系统。


【结果】

土壤呼吸 | 极端干旱通过改变高寒泥炭地土壤微生物功能群丰度来降低土壤异养呼吸而非甲烷通量

图2 不同植物生长期极端干旱对土壤异养呼吸(a)和甲烷通量(b)的影响。“ED”,“MD”,和“LD”分别代表植物快速生长期、盛花期和植物生长衰退期。


土壤呼吸 | 极端干旱通过改变高寒泥炭地土壤微生物功能群丰度来降低土壤异养呼吸而非甲烷通量

图3 不同植物生长期极端干旱对细菌碳循环功能的影响。


土壤呼吸 | 极端干旱通过改变高寒泥炭地土壤微生物功能群丰度来降低土壤异养呼吸而非甲烷通量

图4 驱动因素对土壤微生物呼吸(a)和甲烷通量(b)的相对贡献。


【结论】

极端干旱导致植物生长衰退期土壤异养呼吸显著降低38.04 mg m−2h−1,但对CH4通量无显著影响。极端干旱显著降低了细菌的α多样性,显著降低了植物快速生长期和衰退期的Rokubacteria和Chloroflexi菌的相对丰度,显著增加了盛花期Actinobacteria菌的相对丰度。在植物快速生长期和盛花期,极端干旱使芳香烃降解功能群(aromatic hydrocarbon degraders)相对丰度分别降低了50.26%和64.37%。在植物生长衰退期,极端干旱显著降低了甲醇氧化(methanol oxidizers)和木质素降解(lignin degraders)功能群的相对丰度,分别为81.63%和82.08%。随机森林模型分析表明,细菌功能群在决定土壤异养呼吸和甲烷排放中起着重要的作用。芳香族化合物降解(aromatic compound degraders)和芳香烃(aromatic hydrocarbon degraders)降解功能群对土壤异养呼吸累计贡献率为11.89%。芳香族化合物降解(aromatic compound degraders)、芳香烃降解(aromatic hydrocarbon degraders)、脂肪族非甲烷烃降解(aliphatic non-methane hydrocarbon degraders)和甲基营养(methylotrophs)功能群对甲烷通量的累计贡献率为13.29%。研究结果强调土壤细菌碳循环功能群对于探索未来极端干旱背景下土壤碳循环可能的微生物响应机制至关重要,为高寒泥炭地应对未来气候变化提供了理论基础和科学依据。


【产品简介】

PS-9000是一套用于测量土壤CO₂通量的便携式测量系统,采用动态气室法测量,专利设计。具有控制测量、存储和数据处理等功能,可测量呼吸室内CO₂浓度变化,同时结合自身测量的空气温度、大气压、土壤温度等传感器的数据,计算处理得到CO₂通量。

PS-9000可通过掌上控制器实现无线操作,实时显示仪器测量的各种参数值,并可现场修改各种设置参数。

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