水力侵蝕作用下小區(qū)尺度土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)及其微生物學(xué)機(jī)制.pdf

1、隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)的增加及極端降雨事件的頻繁出現(xiàn)，土壤侵蝕及其對(duì)環(huán)境造成的影響日趨加劇，尤其在其驅(qū)動(dòng)下的土壤有機(jī)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)由于事關(guān)全球碳循環(huán)格局而引起全世界范圍內(nèi)的密切關(guān)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(wèn)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(zhēng)議。這其中關(guān)鍵的問(wèn)題之一即是由侵蝕作用引起的土壤碳礦化格局與機(jī)制尚不明確，因侵蝕而流失那部分有機(jī)碳的歸宿以及侵蝕發(fā)生

2、后留在原位的有機(jī)碳動(dòng)態(tài)仍然缺少明確的理論解釋，從而導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確估算侵蝕作用究竟多大程度上作用于土壤碳庫(kù)的礦化流失。對(duì)于這樣一個(gè)開放系統(tǒng)中的復(fù)雜過(guò)程，以往研究多基于“黑箱“理論加以評(píng)估，由此造成了碳庫(kù)收支無(wú)法平衡的問(wèn)題長(zhǎng)期存在。本研究在充分總結(jié)以往研究的基礎(chǔ)上認(rèn)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(chǔ)上進(jìn)行微觀機(jī)理探索，才能為侵蝕作用下精準(zhǔn)的土壤碳庫(kù)收支估算提供全面可靠的理論依據(jù)，最終為不確定性問(wèn)題的解決提供有效途徑。鑒于此，本

3、研究探索性地以主導(dǎo)有機(jī)碳礦化的土壤微生物為切入點(diǎn)，采用田間小區(qū)模擬降雨、田間定位觀測(cè)及室內(nèi)定性模擬等方法，探索坡面尺度內(nèi)水力侵蝕作用下土壤微生物動(dòng)態(tài)及有機(jī)碳庫(kù)分布格局變化特征，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合對(duì)侵蝕作用下坡面有機(jī)碳礦化釋放特征的定位觀測(cè)，全面探討侵蝕作用下以微生物為主導(dǎo)的土壤有機(jī)碳周轉(zhuǎn)與礦化流失機(jī)制，并進(jìn)一步探索了侵蝕對(duì)于土壤有機(jī)碳庫(kù)輸入能力的影響。圍繞相關(guān)研究主題，本研究共設(shè)計(jì)了5個(gè)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，具體工作及其獲得的主要結(jié)果結(jié)論如

4、下:
　　1、通過(guò)觀察土壤水力侵蝕前期土壤干燥/潤(rùn)濕事件影響下坡面有機(jī)碳、土壤微生物動(dòng)態(tài)，探討了侵蝕坡面微生物對(duì)次降雨干燥/潤(rùn)濕的響應(yīng)特征及其與土壤有機(jī)碳之間的作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)濕發(fā)生后24小時(shí)內(nèi)，坡中樣區(qū)細(xì)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(yīng)其他樣區(qū)相關(guān)微生物指標(biāo)無(wú)顯著變化，總體考察真菌數(shù)量豐度比細(xì)菌數(shù)量豐度對(duì)潤(rùn)濕的響應(yīng)更加劇烈，且除坡上與坡中樣區(qū)中細(xì)菌

5、豐度與有機(jī)碳含量在潤(rùn)濕后60小時(shí)內(nèi)存在負(fù)相關(guān)之外，觀察期間微生物豐度與有機(jī)碳之間在坡面與樣區(qū)尺度基本不存在顯著相關(guān)性（P＞0.05）;由土壤有機(jī)碳和水溶性有機(jī)碳組成的數(shù)據(jù)集顯著解釋了46.0％的細(xì)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(dú)作用對(duì)真菌物種組成變化的解釋量達(dá)到21.9％（P=0.04），占到總解釋量的41.2％。結(jié)果表明，土壤侵蝕與沉積特征可能顯著影響土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的微生物機(jī)制對(duì)干燥/潤(rùn)

6、濕的響應(yīng)，這種影響作用是通過(guò)改變那些對(duì)干燥/潤(rùn)濕具有不同響應(yīng)特征的微生物功能類群的群落結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的;
　　2、在干燥/潤(rùn)濕作用機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)田間模擬降雨的方法，探索了次降雨侵蝕過(guò)程（1小時(shí)）及其發(fā)生后短期內(nèi)（132小時(shí)）對(duì)坡面微生物再分布格局及土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)的影響，進(jìn)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(jī)碳動(dòng)態(tài)相互作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，侵蝕運(yùn)移過(guò)程使得坡中過(guò)渡樣區(qū)細(xì)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(duì)坡面內(nèi)微生物物種多樣性沒(méi)有造成顯著影響;侵蝕發(fā)生后132小時(shí)內(nèi),坡面尺度上細(xì)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(jī)碳和次降雨侵蝕事件共同作用對(duì)細(xì)菌豐度變化的解釋量達(dá)到59.5％（P＜0.01），其與土壤含水率共同作用對(duì)真菌豐度變化的解釋量達(dá)到38.8％(P＜0.05)，且其與細(xì)菌和真菌豐度均存在明

8、顯正相關(guān)關(guān)系;土壤有機(jī)碳與微生物群落多樣性指數(shù)變化沒(méi)有顯著作用關(guān)系。結(jié)果表明，與侵蝕前期潤(rùn)濕作用相比，侵蝕破碎運(yùn)移作用使得微生物對(duì)坡面尺度碳循環(huán)作用的機(jī)制由物種結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型轉(zhuǎn)化為微生物量主導(dǎo)型;
　　3、通過(guò)田間模擬降雨及定位觀測(cè)，考察了侵蝕坡面在次降雨侵蝕事件作用下的土壤有機(jī)碳庫(kù)動(dòng)態(tài)及礦化特征，并結(jié)合前期研究對(duì)土壤微生物侵蝕響應(yīng)特征的考察，深入探討了侵蝕坡面有機(jī)碳礦化流失的特征與機(jī)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(yīng)的土壤有機(jī)碳流失率分別為10.83gm-2和0.84gm-2，可見耕作方式對(duì)于泥沙輸移及土壤中相關(guān)物質(zhì)流失與再分布具有重要影響;侵蝕過(guò)后，翻耕小區(qū)不同坡位上平均碳礦化速率均低于對(duì)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(duì)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(wú)顯著性差異;包括土壤有機(jī)碳在內(nèi)的眾多參數(shù)與二氧化碳釋放量之間不

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

11、統(tǒng)中有機(jī)碳礦化速率具有明顯差異，其中培養(yǎng)初期1-2mm粒級(jí)團(tuán)聚體處理中碳礦化率最高，分別達(dá)到粒徑小于0.5mm與2-3mm粒級(jí)團(tuán)聚體處理1.07與18.94倍;不同粒徑土壤團(tuán)聚體主導(dǎo)系統(tǒng)中細(xì)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(jí)團(tuán)聚體中細(xì)菌物種多樣性及相對(duì)豐度呈現(xiàn)出相反的動(dòng)態(tài)特征;二氧化碳累積產(chǎn)量對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)組成變化沒(méi)有顯著解釋貢獻(xiàn)(P=0.886)，顯示細(xì)菌群落組成與碳礦化之間的相互作用關(guān)系不顯著。結(jié)果表明

12、，由侵蝕的選擇性遷移作用形成的具有不同團(tuán)聚體組成的侵蝕與沉積區(qū)域，土壤有機(jī)碳礦化格局將由于團(tuán)聚體的分布不同而存在差異，這種差異可能與不同團(tuán)聚體樣品中有機(jī)碳品質(zhì)或微生物對(duì)碳源具體利用方式有關(guān);
　　5、通過(guò)田間種植實(shí)驗(yàn)，考察坡面尺度侵蝕長(zhǎng)期累積作用及次降雨短期效應(yīng)對(duì)于土地生產(chǎn)力的影響，并在此基礎(chǔ)上探討了侵蝕影響下的有機(jī)碳動(dòng)態(tài)對(duì)于生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)機(jī)制，為考察侵蝕作用對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)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(qiáng)及同雨

13、強(qiáng)不同耕作兩個(gè)系統(tǒng)中，水力侵蝕的長(zhǎng)期累積效應(yīng)對(duì)生產(chǎn)力變化的解釋量分別達(dá)到61.4％（P=0.002）與53.8％(P=0.002)，相對(duì)于次降雨侵蝕事件而言，是對(duì)生產(chǎn)力產(chǎn)生主導(dǎo)作用的侵蝕作用模式;免耕系統(tǒng)中，次降雨強(qiáng)度對(duì)生產(chǎn)力無(wú)顯著性影響（P=0.076），而在同一降雨強(qiáng)度作用下，次降雨侵蝕過(guò)后免耕小區(qū)內(nèi)生產(chǎn)力顯著高于翻耕小區(qū)45.27％（P=0.032），與這種差異顯著相關(guān)的土壤理化因子為總磷（P=0.002）、有機(jī)碳（P=0.006

14、）以及總氮（P=0.01）;兩個(gè)系統(tǒng)中，作為顯著影響因子，土壤有機(jī)碳與侵蝕的長(zhǎng)期累積效應(yīng)協(xié)同作用對(duì)生產(chǎn)力的解釋量分別達(dá)到49.1％與41.3％，顯示侵蝕長(zhǎng)期累積效應(yīng)主要通過(guò)改變土壤有機(jī)碳的格局來(lái)作用于生產(chǎn)力。結(jié)果表明，侵蝕長(zhǎng)期累積效應(yīng)對(duì)生產(chǎn)力的變化起主導(dǎo)作用，但次降雨侵蝕事件在翻耕條件下同樣可對(duì)生產(chǎn)力造成實(shí)質(zhì)性影響，這種影響主要是通過(guò)對(duì)土壤養(yǎng)分的作用而間接實(shí)現(xiàn)的，對(duì)該機(jī)制的忽視會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)實(shí)踐及土壤碳庫(kù)輸入管理產(chǎn)生誤導(dǎo)。
　　綜上所述

15、，水力侵蝕對(duì)土壤有機(jī)碳庫(kù)的作用與影響貫穿于從有機(jī)質(zhì)輸入、遷移、再分布到礦化流失的每一個(gè)過(guò)程。其中，其對(duì)土壤碳庫(kù)周轉(zhuǎn)與礦化的影響主要包括前期干燥/潤(rùn)濕激發(fā)、過(guò)程破碎激發(fā)以及選擇性遷移與富集引起的后期誘導(dǎo)等三個(gè)主要過(guò)程，整個(gè)發(fā)生過(guò)程實(shí)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(jī)質(zhì)數(shù)量與品質(zhì)的函數(shù)，微生物在其中扮演著主導(dǎo)與媒介的重要角色。因此，以微生物為切入點(diǎn)進(jìn)行侵蝕作用下的碳礦化研究將有助于從機(jī)理層面解決侵蝕在土壤碳循環(huán)中