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土壤有机碳矿化对温度敏的感性问题探究(2)

来源:生态学报 作者:黄锦学;熊德成;刘小飞
发布于:2017-06-27 共24500字
  1.2 室内培养。
  
  虽然采用 Li-8100 或自动观测系统可以直观获得土壤呼吸数据,但是难以将影响土壤呼吸的关键因素( 如温度、水分以及温度与水分的交互作用等) 剥离并确定各因素的影响强度以及土壤各组分( 不同团聚体组分以及土壤机械组成) 对土壤呼吸的贡献,这些因素对于预测土壤有机碳对未来气候变化的响应具有十分重要的作用。同时,由土壤异质性引起测定结果的变异可能远远超过环境变化造成的影响,研究者又试图通过室内培养的方法来弥补野外原位观测的不足,但受研究对象和研究目的差异研究者采用的室内培养方式千差万别。如土壤培养对象[12-14]、预培养时间以及温度[15-16]、培养温度梯度与模式[17-18]、培养时间[13-14]以及培养测定方法[19-20]等,这些均造成对研究结果变异性的影响不可控以及不同研究结果之间可比性差。
  
  根据培养对象,土壤有机碳室内培养可以分为土柱培养[17,21],全土培养[14,16]以及土壤分组培养[13,22]等。使用土柱培养一般采用两种方式,一种是用 PVC 管直接从野外取回原状土[12,23],另一种是将取回的土壤经过筛分后再回填到 PVC 管中[24].采用原状土培养最大的优点是不破坏土壤的团粒结构,但无法解决土壤异质性的问题,培养结果的精度极大取决于野外采样的数量,若要保证一定精度则工作量将大大增加。采用土壤筛分拌匀后回填的方法则可以使野外环境中土壤的异质性降到最低,但由于土壤回填成土柱造成土层厚度加大,抑制底层土壤呼吸。亦有研究将土壤通过物理分组或化学分组筛分出不同的组分进行培养[25-26],如通过物理分组( 湿筛) 获得土壤大团聚体( >250 μ) ,小团聚体( 53-250 μ) 和微团聚体( <53 μ)[13]以及不同机械组成[26]进行培养; 经化学分组( 酸解) 土壤作为难分解有机碳,并将颗粒有机碳作为可溶性有机碳进行培养[27].研究者们试图通过不同的方法分离 SOM 的组分,并测定不同组分土壤有机碳分解的温度敏感性,以便更好解释和预测全土分解对温度的响应。但是所采用的物理和化学分组一方面造成土壤有机碳损失,另一方面破坏土壤有机碳原有的物理化学结构,这些分组方法皆造成难以定量分离可溶性和稳定性有机碳,导致难以精确估计可溶性和稳定性碳库的温度敏感性。
  
  诸多研究为了使土壤处于稳定状态并激活微生物活性,研究中通常先预培养,但不同研究中所采用的预培养时间和预培养温度不同,预培养的时间长度和温度会影响土壤有机碳对温度的响应。其中预培养时间从3 -360 d 不等[28-29],甚至更长。而预培养温度则从零下温度到 50℃甚至更高[15].预培养时间长度和温度主要会影响底物有效性以及微生物活性[15-16].同时,目前室内培养中大都采用恒温培养[28-29],通过设置不同的温度梯度研究土壤有机碳温度敏感性的变化。但通过室内培养模拟野外温度变化对土壤有机碳的影响[17-18],结果发现培养的温度模式会影响土壤有机碳对温度的响应,但其中的机制仍需进一步研究。
  
  室内培养的短期实验( <100 d 室内培养) 受到研究者的批判[30],由于测定的土壤有机碳对温度的响应主要是相对易变的土壤碳库[31],这部分有机碳活性高,占总有机碳比例小,这会掩盖占大比例的难分解碳库对温度的响应,而且呼吸响应的测定在土壤有机碳质量变化前就已经发生[32].因此,室内培养实验需要长期观测,以了解增温对难分解碳库的影响。
  
  除此之外,室内培养的测定方法与野外原位类似,一般采用静态气室法和动态气室法[19],其中静态气室法中有碱吸收法[33]和静态密闭气室法[16].与野外原位测定方法相似的是,在所有方法中能够连续观测的方法可时时获取土壤有机碳矿化动态,但由于能够同时测定的样本数量少,难以满足室内培养的需要; 碱吸收法操作简便,但在呼吸速率高时,测定结果会偏低,而当呼吸速率低时则会使测定结果偏高[34]; 静态气室法通过测定培养前后 CO2的浓度差获得呼吸速率,并使用气相色谱仪测定 CO2的浓度,使数据更为可靠。
  
  1.3 移地重填。
  
  原位观测野外环境中土壤空间异质性大,导致重复变异幅度大,特别在生物多样性丰富的热带亚热带地区尤为如此。此外,不同森林类型土壤所处微气候和微地形均不同,实验观测时间也不相同。因此,时空差异可能导致观测结果之间的可比性降低。而室内培养一般采用恒温恒湿的方法,与野外自然环境差距甚远,研究结果真实性下降,且不适于各类模型及尺度外推。为克服野外原位观测和室内培养的缺陷,黄锦学[35]采用移地重填的方法,该方法主要采取以下步骤: ( 1) 每个林分在原位条件下分层( 0-10,10-20,20-40,40-60cm) 测定土壤紧实度( SC-900,USA) ; ( 2) 将土壤逐层( 0-10,10-20,20-40,40-60 cm) 取回,同一土层的土壤经去除大块石头和根系后充分混匀; ( 3) 混合均匀后土壤按 40-60、20-40、10-20 cm 和 0-10 cm 逐渐回填至由 4 块 PVC 板焊接而成的方型土柱中( 50 cm×50 cm×60 cm,图 1) ,并压实,每层土壤回填过程中调节土壤紧实度使之与野外自然土壤紧实度相近。所有的供试土壤均放置在 15 m×15 m 样方内。该方法虽然使土壤结构受到破坏,但因其极大降低土壤的空间和时间异质性,并使不同土壤处于同一环境条件,使观测到的矿质土壤呼吸重复性得到大幅度提高。
  

    

原文出处:黄锦学,熊德成,刘小飞,杨智杰,谢锦升,杨玉盛. 增温对土壤有机碳矿化的影响研究综述[J]. 生态学报,2017,(01):12-24.
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