论文部分内容阅读
枯落物分解是碳循环和养分循环的重要周转过程，是陆地生态系统物质循环的重要环节。干旱、半干旱草地生态系统约占陆地面积的40％，该区域的生态过程会极大地影响陆地生物地球化学循环过程。但是目前关于该区域枯落物分解过程的认识仍非常不足，气候、枯落物性质和微生物活性并不能完全解释该区域枯落物的快速分解，关于该过程的调控因素及其影响机制的认识仍然有待深入。同时干旱、半干旱草地生态系统对气候和环境变化非常敏感，人类活动引起的环境因子的改变，如太阳辐射量、降水量和降水格局的变化都会极大地影响该区域枯落物分解及土壤有机碳的形成，但关于其响应强度及机制的研究仍很缺乏。 本研究通过数据整合分析、温室实验、野外控制实验及样带调查，分析了紫外(UV)辐射影响干旱、半干旱区枯落物分解的机制;解析了草地枯落物的立枯期对其分解速率及土壤有机碳形成的影响;探讨了冬季不同降雪覆盖量对枯落物周转速率的影响。综合以上三部分内容，共同探究在干旱、半干旱草地生态系统中，非生物因子、微生物活动及植物群落结构的交互作用如何影响枯落物分解。取得的主要研究结果如下: (1)UV辐射显著加速干旱半干旱区枯落物的分解，并且这种促进效应主要是通过提高枯落物的微生物可降解性，进而促进枯落物的生物降解。 已有的研究表明UV辐射是影响枯落物分解的关键因子，但UV辐射对枯落物分解的影响是由非生物光降解过程主导，还是由非生物光降解及其对微生物分解过程的影响共同起作用仍存在较大争议。本研究中数据整合分析和温室实验的结果表明，在非生物光降解过程中，UV辐射对枯落物的木质素含量没有影响，但显著增加了枯落物的可溶性有机碳(DOC)含量。在非生物光降解与生物降解共同作用时，UV辐射显著降低了木质素含量，并加速了枯落物分解。室内培养实验的结果也发现随着UV照射时间的增加，枯落物DOC含量和枯落物在培养期间的累积释放碳量均显著上升，即UV辐射增加了枯落物的可降解性。总体来说，UV辐射可以通过增加枯落物中木质素的可利用性以及DOC含量来提高枯落物的可降解性，进而促进生物降解过程。 (2)UV辐射对枯落物分解的促进效应受照射时间影响。UV辐射在分解中期改变枯落物的化学特性，在分解后期促进微生物分解。 近年来，UV辐射对干旱半干旱区枯落物分解的影响得到越来越多的关注，然而UV辐射的影响效应在各个研究中并不一致。这些研究结果的差异可能是因为UV辐射对枯落物性质的影响及其与微生物活性的交互作用在不同的分解阶段有所不同。然而，目前关于UV辐射对枯落物分解影响的时间动态并未得到广泛关注。本研究在典型干旱、半干旱草原对两种枯落物进行了近三年的原位分解实验，结果显示UV辐射对枯落物分解过程的影响呈现明显的三阶段动态变化格局:在分解早期阶段（0-3月），UV辐射对枯落物的化学性质和枯落物剩余量均没有显著影响;在分解中期阶段（3-12月），UV辐射显著降低了枯落物的碳氮比、增加了枯落物的DOC含量，即提高了枯落物的可降解性，但是对枯落物剩余量仍然没有显著影响;在分解后期阶段（12-29月），UV辐射促进了枯落物的微生物分解过程，进而显著加速了枯落物的分解。 (3)强烈的温湿度波动和高夜间湿度共同驱动立枯枯落物的快速分解，并且立枯期的前处理效应可以显著加速倒伏后枯落物的分解以及土壤有机碳的形成。 在干旱、半干旱区，大部分植物在生长季结束后会经历较长时间的立枯期，而目前关于该区域枯落物分解的认识却多数来源于对地表枯落物的研究，关于枯落物在立枯阶段的分解以及立枯期对倒伏后枯落物分解的影响仍不清楚。本研究模拟立枯和地表枯落物进行了26个月的野外分解实验，结果显示立枯枯落物的分解速率比地表枯落物快约92％。主要原因是立枯枯落物表面会经历更强烈的温湿度波动和更高的夜间湿度。强烈的温湿度波动会加速枯落物破碎化，产生更多的可溶性小分子化合物，通过淋溶丧失而加速分解。同时，高夜间湿度会激发微生物活性，提高微生物生物量，加速枯落物的生物降解过程。此外，室内培养实验的结果显示由于枯落物的立枯期具有提高枯落物可降解性的前处理效应，前期的立枯期可以显著加速倒伏后枯落物的分解以及土壤有机碳的形成。 (4)冬季降雪覆盖量的增加会改变植物群落结构，增加较难分解的禾草类植物生物量，降低较易分解的杂草类植物生物量，从而降低群落水平上枯落物的周转速率。 随着全球气候变暖以及降水格局的改变，在高纬度地区出现了冬季降雪量下降、融雪期提前等变化。降雪量的变化会改变土壤温湿度等微环境、植物及微生物群落结构等，进而影响枯落物分解过程。目前关于降雪量改变对枯落物分解的研究大多基于凋落物袋法对单个或多个物种的分解速率进行研究，未考虑降雪量变化对植物群落结构的改变如何影响群落水平的枯落物分解速度。本研究对内蒙古地区已建立十年的雪墙进行了样带调查，结果显示冬季降雪覆盖量的增加会显著降低群落水平的枯落物分解。其原因主要是由于冬季增雪改变了植物群落结构，提高了禾草类植物与杂草类植物之间的相对比例，使得群落水平上植物的碳氮比上升，枯落物的生物可降解性下降，进而降低枯落物的分解速率。 本研究阐明了UV辐射促进枯落物分解的作用机制，提出了立枯期加速枯落物分解及土壤有机碳形成的新途径，揭示了降雪量增加对群落水平上枯落物分解的抑制作用。本研究结果将为深入认识干旱、半干旱草地生态系统碳氮循环过程提供新的思路，为未来全球变化背景下准确预测该区域枯落物分解过程提供新的机制及数据基础。