【论文】土壤有机碳分解对干湿交替的响应：整合分析

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本文字数：1412字

阅读时间：5分钟

 

研究背景

全球气候变化将加剧陆地水体的蒸发，增加大气水份含量，导致干旱与强降雨事件频繁交替发生。干旱通常会降低土壤微生物的活性，减少活性底物的扩散，减弱土壤呼吸。而重新加湿会导致土壤迅速释放大量CO2（Birch effect）。因此，准确评估整个干湿交替周期内（包括干旱期及重新加湿期）土壤呼吸的动态变化，对于预测气候变化下土壤碳动态及陆地碳循环与气候变化之间的反馈关系至关重要。

很多研究探讨了干湿交替（drying-rewetting cycle, DWC）对整个干湿周期内的累积土壤呼吸（cumulative soil respiration, CSR）的影响，但这些研究的结果并不一致，这可能是由于生态系统类型、土壤性质和实验处理的不同所致。因此，本研究基于数据整合对该问题进行了系统的研究。

图1 研究地点分布

材料与方法

本研究基于29篇文献，获取了涵盖农田、草地、湿地、沙漠等的208个CSR数据（图1），采用随机效应模型（random-effects model）和混合效应meta回归模型（mixed-effects meta-regression model）等方法进行了分析。根据干湿交替处理的土壤含水量波动（DWC）及恒湿对照处理的土壤含水量（UC, MC, LC），将数据分成三组（图2），即DWC vs UC、DWC vs MC、DWC vs LC。

图2 培养时间和土壤含水量变化之间的关系

结果&讨论

研究发现，与LC相比，DWC增加了累积土壤呼吸的72%；与UC相比，DWC减少了累积土壤呼吸的25%；与MC相比，DWC对累积土壤呼吸的影响不显著（图3）。此外，与UC相比，DWC抑制了农田累积土壤呼吸的27%，抑制了草地累积土壤呼吸的19%。

图3 干湿交替对累积土壤呼吸的影响

除此之外，研究还发现，与LC相比，TN(Total Nitrogen)与累积土壤呼吸呈显著负相关，黏粒含量及D/T（一个干湿交替周期内干旱天数与总天数的比）与累积土壤呼吸呈显著正相关（图4a-c）。与MC相比，TN与累积土壤呼吸呈显著负相关，C/N及D/T与累积土壤呼吸呈显著正相关（图4d-f）。与UC相比，pH与累积土壤呼吸呈显著正相关，MAP（年均降雨量）及D/T与累积土壤呼吸呈显著负相关（图4g-i）。这表明土壤理化性质和实验处理均是控制干湿交替影响土壤呼吸程度的重要因素。

图4 累积土壤呼吸对干湿交替的响应程度与其他因素的关系

此外，本研究提取了每个干湿交替周期内的累积土壤呼吸数据，探索累积土壤呼吸与干湿交替次数的关系。结果表明，与UC相比，干湿交替次数与累积土壤呼吸呈显著正相关（图5c）。表明在多次干湿交替后仍然有持续性碳源被释放出来。而微生物可通过自我调节来适应干湿交替过程，因此，累积土壤呼吸随着干湿交替次数的持续增加可能是团聚体的持续破坏从而释放出物理保护的有机碳导致，也有可能是稳定性土壤碳库对干湿交替的响应更敏感导致的。而在与LC及MC相比时两者之间无显著性关系（图5a,b），由于样本量较小的问题（LC：n=30，MC：n=63），该结果还存在不确定性。

图5 干湿交替次数与累积土壤呼吸的关系

小结

总体而言，本研究通过meta分析，在全球尺度上对干湿交替影响累积土壤呼吸做了全面评估，揭示了环境、土壤和实验变量调节累积土壤呼吸响应干湿交替的一般模式；表明土壤物理结构的破坏及不同组分碳库对干湿交替的响应程度不同是导致累积土壤呼吸随干湿交替次数增加而持续增加的可能原因。本研究为理解气候变化导致的更频繁的干旱和强降水交替条件下土壤碳动态提供了基础数据，并建议未来研究应考虑野外原位的长期观测实验，以及不同组分的土壤碳库对干湿交替的相对响应。

本研究于2019年12月17日以“Responses of soil carbon decomposition to drying-rewetting cycles: A meta-analysis”为题在线发表在Geoderma杂志上。重庆三峡学院2017级硕士生张帅为论文第一作者，重庆三峡学院林俊杰副教授和北京大学朱彪研究员为论文共同通讯作者，其他合作者还包括南京信息工程大学的于志国教授。本研究受到国家自然科学基金项目(31770529、31622013和31621091)、重庆市自然基金项目（cstc2018jcyjAX0813）及重庆市教委科技重点项目(KJZD-K201801201和KJQN201801230)的资助。

编辑 丨 干大勇

审核 丨 朱彪

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