評估不同深度的土壤生物地球化學過程對氣候變化響應的差異

瀏覽次數：1710　發布日期：2023-4-25　來源：基因農業環境

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

作者 | 郭曉偉等

翻譯 | 曹大偉

土壤是陸地生態系統大的有機質庫，其中三分之二儲存在0.2米以下的土壤中。這個有機質庫的周轉，調節著土壤肥力、植物生長和氣候。

深入了解土壤有機質（SOM）循環過程以及如何響應氣候變化，對于可持續性的土地管理和執行有效的氣候行動至關重要。

土壤生物地球化學循環發生在三維非均質環境中，在土壤物理(例如，熱和水分狀況)、化學(例如，土壤養分有效性)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/機制可能會影響SOM在不同土壤深度的周轉和持久性。

例如，由于底土SOM比表土SOM具有更強的團聚體保護和礦物吸附，因此底土SOM比表土SOM分解的更持久。其中一個原因是表土SOM主要由植物體產生的基質組成，而大多數底土SOM來自微生物殘體，這些殘體對礦化有更強的保護作用。此外，微生物群落和土壤有機-礦物相互作用都通過土壤剖面呈現縱向梯度，不同深度SOM成分和保護過程的差異，可能導致SOM分解對氣候變化有不同響應。

評估不同深度的土壤生物地球化學過程對氣候變化的響應，通常是在理想的實驗室條件和人工氣候條件下進行的。例如，對于土壤的碳循環，隨著土壤深度的增加，溫度敏感性會降低、不變或增加，這取決于土壤和培養條件。導致這種不一致的原因之一，是因為這種培養通常是破壞性的，破壞沿土壤剖面的微環境梯度和SOM的物理化學保護。野外增溫試驗提供了一種補充，具有減少土壤擾動的優勢。然而，只有少數研究將變暖擴展到深層全土壤剖面，并評估特定深度的生物地球化學循環。此外，現有的氣候變化處理實驗，大多只關注一個或幾個氣候變量(如年平均氣溫和降水量)，而真實的氣候變化是綜合了各種復雜的氣候變量的結果。建立和維護這種野外操作實驗也是非常昂貴的。總的來說，我們需要新的方法量化評估不同深度土壤生物地球化學對氣候變化的響應，并克服完整采樣和監測的挑戰。

在這里，我們提出了一種創新的方法，即在野外培養完整的土樣。該方法在青藏高原東南部一個海拔2200m的樣帶中進行了驗證，以驗證與全土壤生物地球化學循環有關的兩個局部假設。即，與深度相關的土壤剖面環境梯度不僅影響土壤碳礦化，而且影響土壤碳礦化對氣候變化的敏感性。

該方法利用不同地點的自然氣候差異來實現自然氣候梯度。在不同氣候條件下的站點提取完整的土核（soil core），然后在擁有不同環境氣候的站點進行相互遷移(即在站點之間交換)和培養。該設計已用于研究土壤生物地球化學響應對氣候變化的響應。

結合互換位置，設計土核（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，同時為來自相同深度的土層創造了不同的環境條件，從而能夠評估土壤生物地球化學過程對深度的依賴性及其對氣候變化的響應。

本研究的核心是介紹利用土核（soil core）倒置處理的野外培養方法。這種方法無損地改變了來自相同深度的土壤的位置，使來自相同深度的土壤具有不同的環境條件。因此，與不同氣候地點之間的易位實驗相結合，有可能分離土壤生物地球化學過程對氣候變化響應的深度誘導效應。

結果表明，Rs對氣候變化有顯著的響應(p<.05)，但這種響應與深度無關。隨著培養的進行，非倒置和倒置土核（soil core）的Rs對氣候變化的敏感性增強，如果假設不穩定基質隨著培養的進行而枯竭，則表明持久性土壤有機質(SOM)比不穩定組分對氣候變化的脆弱性更高。這些結果表明，無論深度位置如何，全剖面SOM礦化都對氣候變化敏感。

測量培養土樣的CO2通量

在環境氣候條件下，將1m深的土核（soil core）連同PVC管一起置于野外培養。在培養開始時，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，穩定1個月后，使用自動土壤CO2通量測量系統（LI-8100A, Li-Cor Inc.)測量CO2通量，從2020年10月到2021年10月，每隔一個季度測量一次土樣的CO2外排通量(Rs，μmol CO2 m−2s−1)(除2021年4月因海拔4600米處有暴風雪和積雪太深沒能測量外，共有5次測量)。由于腔室的直徑(20厘米)大于培養土樣的直徑(3.7厘米)，因此使用了塑料襯墊，只允許CO2從培養土樣流出進入腔室。在測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，以限制植物自養呼吸。測量時間為當天的上午9:00至下午16:00。