长期模拟酸雨对鼎湖山季风常绿阔叶林土壤有机碳固存的影响及机理

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近半个世纪以来,随着人类活动的加剧,世界范围内的许多地区,特别是发展中国家地区仍遭受着酸雨的显著影响。森林土壤作为陆地生态系统的重要碳汇,在生态系统碳循环中发挥着重要作用。长期的酸雨淋溶,土壤酸化加剧,必将影响森林土壤中有机碳的输入、输出和内部转化等过程,从而影响土壤有机碳的固持和累积。因此,研究森林土壤有机碳固存对长期酸雨的响应过程及其潜在调节机制,将有助于对全球碳储量的估算及未来气候变化的预测与控制。  为此,本研究以鼎湖山季风常绿阔叶林土壤生态系统为研究对象,设置了四个不同pH值的模拟酸雨处理(包括对照CK,pH=4.5左右的天然湖水;T1,pH=4.0;T2,pH=3.5;T3,pH=3.0),研究了长期模拟酸雨对季风常绿阔叶林土壤有机碳输入部分、输出部分及内部变化的影响,同时也探究了土壤及团聚体微生物对模拟酸雨处理的响应机制。主要结果如下:  (1)关于酸雨对凋落物分解影响的研究由原来的量变化转移到了现在的质变化。前期的研究结果表明,鼎湖山季风常绿阔叶林两种主要优势树种凋落物及其混合树种凋落物分解速率在模拟酸雨处理下显著降低。而本次试验中发现,在凋落物不同分解层次中(包括未分解层、半分解层和已分解层),属于难分解的木质素组分随分解程度的提高而不断增加,且在模拟酸雨处理下得以不断累积。模拟酸雨处理下这部分难分解组分的富集,使得这一部分有机碳输入到土壤中后得到更好地固持和累积。  (2)季风常绿阔叶林土壤呼吸速率具有明显的季节动态,湿季较高而旱季较低。土壤呼吸速率在模拟酸雨处理下显著下降,同时累积土壤CO2的排放量也显著降低。长期模拟酸雨处理对土壤根系生物量和土壤微生物量碳产生较大影响,表现为土壤根系生物量和土壤微生物量碳都随模拟酸雨处理pH值的下降而显著降低(P<0.05)。土壤呼吸速率的下降以及累积排放的CO2-C量的降低,说明了该土壤系统中有机质矿化速率减缓,有机碳在土壤中的滞留时间得到了延长,有利于其长期的累积和转化。  (3)土壤总有机碳含量随模拟酸雨pH值的降低而显著升高(P<0.05);属于活性组分和惰性组分的有机碳含量在较低pH值的酸雨处理中均显著高于对照CK处理(P<0.05)。将不同组分有机碳与总有机碳进行拟合分析发现,活性组分有机碳和惰性组分有机碳都与总有机碳呈显著正相关关系。这说明了活性组分有机碳和惰性组分有机碳的增加是土壤总有机碳累积的主要原因之一。但从时间尺度上看,土壤活性组分有机碳有下降的趋势,而惰性组分有机碳则呈上升的趋势。土壤烷基碳与烷氧碳比值(A/O-A)和惰性指数也同时随模拟酸雨处理pH值降低而显著升高,说明土壤有机碳稳定性提高。  (4)长期模拟酸雨处理显著抑制了土壤总微生物量,特别是细菌生物量和真菌生物量(P<0.05)。同时,与有机碳分解相关的水解酶和氧化酶活性也同样在模拟酸雨处理下受到抑制。将碳分解相关的氧化酶活性与惰性组分有机碳进行相关分析后发现它们之间呈显著的负相关关系。在团聚体不同粒级组分中,模拟酸雨处理同样抑制了微生物量及碳分解相关的酶活性,且它们在不同团聚体粒级组分中差异显著,不同的酶活性因团聚体粒级大小结构差异而受不同微生物群落所主导,土壤酶活性在大团聚组分和小团聚体组分中受细菌生物量影响较大;而在微团聚体组分中受真菌生物量影响较大。较大粒级的团聚体组分也逐渐地转化成较小粒级的团聚体组分,这更有利于其对土壤有机碳的保护。  以上结果表明,长期模拟酸雨处理背景下,土壤有机碳的矿化速率减缓,延长了有机碳在土壤中的滞留时间,使得这部分有机碳得以保存和累积;同时,属于难分解组分有机碳的不断增加,也使得土壤有机碳稳定性得到了提高,最终得以固持和累积。酸雨目前仍然被认为是世界上最严重的环境问题之一,酸雨事件的持续出现将使得土壤酸化不断加剧,这也将对生态环境造成严重地危害。尽管本研究得出的结论表明酸雨的加剧使得潜在的一部分有机碳的矿化速率减缓,延长了其在土壤中的滞留时间而得以固持下来,但这个结论并不意味着酸雨或土壤酸化问题将得到认可或支持而不加以防治。
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