水力侵蝕作用下小區(qū)尺度土壤有機碳動態(tài)及其微生物學機制.pdf

1、隨著人類生產活動的增加及極端降雨事件的頻繁出現(xiàn)，土壤侵蝕及其對環(huán)境造成的影響日趨加劇，尤其在其驅動下的土壤有機碳庫動態(tài)由于事關全球碳循環(huán)格局而引起全世界范圍內的密切關注。然而，土壤侵蝕作用下的土壤碳循環(huán)研究卻存在亟待解決的不確定性問題，其在土壤碳循環(huán)格局中究竟扮演“碳源”的角色還是扮演“碳匯”的角色，目前依然存在著廣泛的爭議。這其中關鍵的問題之一即是由侵蝕作用引起的土壤碳礦化格局與機制尚不明確，因侵蝕而流失那部分有機碳的歸宿以及侵蝕發(fā)生

2、后留在原位的有機碳動態(tài)仍然缺少明確的理論解釋，從而導致無法準確估算侵蝕作用究竟多大程度上作用于土壤碳庫的礦化流失。對于這樣一個開放系統(tǒng)中的復雜過程，以往研究多基于“黑箱“理論加以評估，由此造成了碳庫收支無法平衡的問題長期存在。本研究在充分總結以往研究的基礎上認為，侵蝕作用下的土壤碳循環(huán)研究必須在宏觀估算的基礎上進行微觀機理探索，才能為侵蝕作用下精準的土壤碳庫收支估算提供全面可靠的理論依據(jù)，最終為不確定性問題的解決提供有效途徑。鑒于此，本

3、研究探索性地以主導有機碳礦化的土壤微生物為切入點，采用田間小區(qū)模擬降雨、田間定位觀測及室內定性模擬等方法，探索坡面尺度內水力侵蝕作用下土壤微生物動態(tài)及有機碳庫分布格局變化特征，并在此基礎上結合對侵蝕作用下坡面有機碳礦化釋放特征的定位觀測，全面探討侵蝕作用下以微生物為主導的土壤有機碳周轉與礦化流失機制，并進一步探索了侵蝕對于土壤有機碳庫輸入能力的影響。圍繞相關研究主題，本研究共設計了5個相關的實驗研究內容，具體工作及其獲得的主要結果結論如

4、下:
　　1、通過觀察土壤水力侵蝕前期土壤干燥/潤濕事件影響下坡面有機碳、土壤微生物動態(tài)，探討了侵蝕坡面微生物對次降雨干燥/潤濕的響應特征及其與土壤有機碳之間的作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，潤濕發(fā)生后24小時內，坡中樣區(qū)細菌豐度顯著增加了14.2％(P＜0.05)，坡底沉積區(qū)真菌豐度卻顯著下降了20.7％(P＜0.001)，相應其他樣區(qū)相關微生物指標無顯著變化，總體考察真菌數(shù)量豐度比細菌數(shù)量豐度對潤濕的響應更加劇烈，且除坡上與坡中樣區(qū)中細菌

5、豐度與有機碳含量在潤濕后60小時內存在負相關之外，觀察期間微生物豐度與有機碳之間在坡面與樣區(qū)尺度基本不存在顯著相關性（P＞0.05）;由土壤有機碳和水溶性有機碳組成的數(shù)據(jù)集顯著解釋了46.0％的細菌物種組成變化(P=0.002)，占到所有環(huán)境因子總解釋量的69.4％，而其單獨作用對真菌物種組成變化的解釋量達到21.9％（P=0.04），占到總解釋量的41.2％。結果表明，土壤侵蝕與沉積特征可能顯著影響土壤有機碳動態(tài)的微生物機制對干燥/潤

6、濕的響應，這種影響作用是通過改變那些對干燥/潤濕具有不同響應特征的微生物功能類群的群落結構來實現(xiàn)的;
　　2、在干燥/潤濕作用機制研究的基礎上，通過田間模擬降雨的方法，探索了次降雨侵蝕過程（1小時）及其發(fā)生后短期內（132小時）對坡面微生物再分布格局及土壤有機碳動態(tài)的影響，進而探索了次降雨侵蝕事件影響下坡面微生物分布格局與有機碳動態(tài)相互作用機制。研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕運移過程使得坡中過渡樣區(qū)細菌與真菌豐度分別顯著減少了17.2％(P＜0.

7、05)與28.4％(P＜0.05)，而對坡面內微生物物種多樣性沒有造成顯著影響;侵蝕發(fā)生后132小時內,坡面尺度上細菌豐度顯著增加了4.7％（P＜0.05），而真菌群落Shannon多樣性指數(shù)顯著上升了21.1％(P＜0.05);作為顯著作用因子，土壤有機碳和次降雨侵蝕事件共同作用對細菌豐度變化的解釋量達到59.5％（P＜0.01），其與土壤含水率共同作用對真菌豐度變化的解釋量達到38.8％(P＜0.05)，且其與細菌和真菌豐度均存在明

8、顯正相關關系;土壤有機碳與微生物群落多樣性指數(shù)變化沒有顯著作用關系。結果表明，與侵蝕前期潤濕作用相比，侵蝕破碎運移作用使得微生物對坡面尺度碳循環(huán)作用的機制由物種結構主導型轉化為微生物量主導型;
　　3、通過田間模擬降雨及定位觀測，考察了侵蝕坡面在次降雨侵蝕事件作用下的土壤有機碳庫動態(tài)及礦化特征，并結合前期研究對土壤微生物侵蝕響應特征的考察，深入探討了侵蝕坡面有機碳礦化流失的特征與機制。研究發(fā)現(xiàn)，免耕與翻耕系統(tǒng)土壤流失率分別為0.7

9、2×103gm-2和0.05×103gm-2，相應的土壤有機碳流失率分別為10.83gm-2和0.84gm-2，可見耕作方式對于泥沙輸移及土壤中相關物質流失與再分布具有重要影響;侵蝕過后，翻耕小區(qū)不同坡位上平均碳礦化速率均低于對照61.9％以上，而免耕小區(qū)不同坡位上平均碳礦化速率最多低于對照僅40.24％;水力侵蝕作用后，坡面具有不同侵蝕與沉積特征的部位二氧化碳累積釋放特征無顯著性差異;包括土壤有機碳在內的眾多參數(shù)與二氧化碳釋放量之間不

10、存在顯著相關關系。結果表明，翻耕土壤有利于減緩碳礦化，且土壤水力侵蝕對坡面碳礦化格局具有綜合效應，侵蝕誘導下的坡面有機碳格局與其后期碳礦化格局間不存在孤立的作用關系;
　　4、基于水力侵蝕選擇性運移作用形成的侵蝕區(qū)與沉積區(qū)典型土壤性質特征，采用室內定性模擬的方法，研究了不同粒徑團聚體主導系統(tǒng)中微生物動態(tài)特征及有機碳庫變化規(guī)律，據(jù)此探討了侵蝕發(fā)生后短期內侵蝕原位及沉積土壤中碳動態(tài)機制。研究發(fā)現(xiàn)，次降雨潤濕后，不同粒徑土壤團聚體主導系

11、統(tǒng)中有機碳礦化速率具有明顯差異，其中培養(yǎng)初期1-2mm粒級團聚體處理中碳礦化率最高，分別達到粒徑小于0.5mm與2-3mm粒級團聚體處理1.07與18.94倍;不同粒徑土壤團聚體主導系統(tǒng)中細菌群落組成均發(fā)生了顯著變化，粒徑小于0.5mm與2-3mm粒級團聚體中細菌物種多樣性及相對豐度呈現(xiàn)出相反的動態(tài)特征;二氧化碳累積產量對微生物群落結構組成變化沒有顯著解釋貢獻(P=0.886)，顯示細菌群落組成與碳礦化之間的相互作用關系不顯著。結果表明

12、，由侵蝕的選擇性遷移作用形成的具有不同團聚體組成的侵蝕與沉積區(qū)域，土壤有機碳礦化格局將由于團聚體的分布不同而存在差異，這種差異可能與不同團聚體樣品中有機碳品質或微生物對碳源具體利用方式有關;
　　5、通過田間種植實驗，考察坡面尺度侵蝕長期累積作用及次降雨短期效應對于土地生產力的影響，并在此基礎上探討了侵蝕影響下的有機碳動態(tài)對于生產力的貢獻機制，為考察侵蝕作用對土壤有機質輸入能力的影響提供理論參照。研究發(fā)現(xiàn)，同耕作方式不同雨強及同雨

13、強不同耕作兩個系統(tǒng)中，水力侵蝕的長期累積效應對生產力變化的解釋量分別達到61.4％（P=0.002）與53.8％(P=0.002)，相對于次降雨侵蝕事件而言，是對生產力產生主導作用的侵蝕作用模式;免耕系統(tǒng)中，次降雨強度對生產力無顯著性影響（P=0.076），而在同一降雨強度作用下，次降雨侵蝕過后免耕小區(qū)內生產力顯著高于翻耕小區(qū)45.27％（P=0.032），與這種差異顯著相關的土壤理化因子為總磷（P=0.002）、有機碳（P=0.006

14、）以及總氮（P=0.01）;兩個系統(tǒng)中，作為顯著影響因子，土壤有機碳與侵蝕的長期累積效應協(xié)同作用對生產力的解釋量分別達到49.1％與41.3％，顯示侵蝕長期累積效應主要通過改變土壤有機碳的格局來作用于生產力。結果表明，侵蝕長期累積效應對生產力的變化起主導作用，但次降雨侵蝕事件在翻耕條件下同樣可對生產力造成實質性影響，這種影響主要是通過對土壤養(yǎng)分的作用而間接實現(xiàn)的，對該機制的忽視會對農業(yè)實踐及土壤碳庫輸入管理產生誤導。
　　綜上所述

15、，水力侵蝕對土壤有機碳庫的作用與影響貫穿于從有機質輸入、遷移、再分布到礦化流失的每一個過程。其中，其對土壤碳庫周轉與礦化的影響主要包括前期干燥/潤濕激發(fā)、過程破碎激發(fā)以及選擇性遷移與富集引起的后期誘導等三個主要過程，整個發(fā)生過程實際上是土地耕作方式、土壤侵蝕與沉積特征、微生物群落組成以及有機質數(shù)量與品質的函數(shù)，微生物在其中扮演著主導與媒介的重要角色。因此，以微生物為切入點進行侵蝕作用下的碳礦化研究將有助于從機理層面解決侵蝕在土壤碳循環(huán)中