模擬增溫對長江源區高寒沼澤草甸土壤有機碳組分與植物生物量的影響研究

奚晶陽, 白煒, 尹鵬松, 劉永萬

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模擬增溫對長江源區高寒沼澤草甸土壤有機碳組分與植物生物量的影響研究

奚晶陽, 白煒*, 尹鵬松, 劉永萬

蘭州交通大學環境與市政工程學院, 甘肅, 蘭州 730070

以高寒沼澤草甸為研究對象, 采用開頂室增溫小室進行增溫模擬實驗, 設置CK(對照點)、T1(增溫1.5—2.5 ℃)、T2(增溫3—5 ℃)3種處理, 研究了短期增溫對高寒沼澤草甸土壤活性有機碳庫及生物量生產的影響。結果表明: (1)T1增溫顯著促進土壤微生物量碳(MBC)的生成, T2增溫幅度過大, 抑制了微生物的活性, 導致這種促進效果在T2內不顯著。(2)T1, T2增溫均使得0—20 cm 土層土壤有機碳(SOC)含量降低, T1增溫促進20—30 cm土層土壤有機碳(SOC)的生成, 但這種促進效果在T2內并不顯著。(3)T1, T2增溫均使得0—20 cm 土層土壤溶解性有機碳(DOC)含量降低, 20—30 cm土層土壤溶解性有機碳(DOC)含量無明顯變化。(4)模擬增溫促進了長江源高寒沼澤草甸地上生物量的生成, 并且增溫幅度越大地上生物量增加越多。T1增溫促進了地下生物量的生成, T2增溫幅度過大, 對地下生物量隨溫度上升而增加的這種促進作用有所抑制。(5)土壤有機碳(SOC), 土壤微生物量碳(MBC), 土壤溶解性有機碳(DOC)三者碳組分之間均呈顯著正相關, 表明土壤有機碳(SOC)的變化在一定程度上制約的土壤微生物量碳(MBC)與土壤溶解性有機碳(DOC)的變化。

長江源區; 模擬增溫; 高寒沼澤草甸; 土壤微生物量碳; 土壤溶解性有機碳; 生物量

0 引言

自工業化革命以來,人類活動包括化石燃料的燃燒和土地利用/覆蓋度的變化已使地球大氣層中CO2的濃度上升了30%[1]。地球表面的平均溫度在20世紀升高了0.60 ℃。預計到本世紀末全球氣溫將比前工業時代至少上升1.5 ℃(IPCC, 2013)。地球溫度升高導致全球變暖, 全球變暖不但危害自然生態系統的平衡, 而且還威脅人類的食物供應和居住環境, 這種地質歷史上前所未有的變化將對陸地植物和生態系統產生深遠影響, 尤其體現在對氣候變化較為敏感和脆弱的地區, 而這些影響最終將通過全球碳循環的改變反饋于全球氣候變化。

溫度對于植物的影響可分兩種[2–3]。第一, 溫度會直接影響植物的一系列生理過程, 主要包括光合和呼吸作用, 并且光合作用與呼吸作用的各種酶、次級代謝產物的合成與同化物的運輸等又都與溫度息息相關[4]。溫度的增加將改變植物的光合能力與生長速率, 延長植物的生長期。第二, 增溫會間接的改變土壤含水率與土壤的呼吸作用, 使得植物對土壤中營養物質的利用產生變化。因此, 增溫對于植物的生物量生產, 群落演替方向等都會產生明顯的影響[5]。

土壤微生物量碳雖只在土壤全碳中占很小的比例, 但它既在土壤全碳變化之間反映土壤微小的變化, 又直接參與了土壤中有機質的分解、腐殖質的形成等過程, 而且是土壤中植物營養物質的源和庫[6–8], 在土壤肥力和植物營養中均發揮較為重要的作用。土壤有機碳是土壤中較為活躍的部分, 能夠敏感地反應土壤碳庫的變化, 土壤有機碳的動態變化對土壤生產力和全球碳循環均起著十分重要的作用, 全球溫度的升高對土壤碳庫的影響主要表現在兩個方面: 一方面, 溫度升高將會促進土壤有機質的分解, 土壤釋放CO2和CH4的量將會明顯增加, 導致土壤中碳的損失, 有研究表明土壤有機質的分解速率會隨溫度升高而加快[9–10]。另一方面, 溫度升高使得空氣中CO2濃度升高, 導致植物凈光合產率提高, 這將會補償因氣候變暖導致的土壤有機碳的減少, 因此土壤有機碳儲量可能不會有很大的變化[11]。土壤溶解性有機碳是陸生生態系統中極為活躍的有機組分, 在陸地生態系統碳循環中具有重要的作用。土壤溶解性有機碳的動態變化則能夠靈敏地反映土壤有機碳的循環與平衡趨勢[12], 并且土壤溶解性有機碳濃度和通量是土壤環境變化的敏感指標, 研究土壤溶解性有機碳動態變化對全球碳循環探究具有重要的意義。目前, 我國無論對高寒地區植物生物量還是有機碳組分都鮮有研究, 深入研究溫度變化對于高寒地區植物生物量與有機碳組分的影響, 有利于更加深入地了解全球變暖背景下碳源匯動態、營養元素的循環格局及其反饋機理等。

1 材料與方法

1.1 實驗區域概況

本文所選的研究區域位于青藏高原腹地長江源多年凍土和沼澤草甸均較典型的風火山地區, 氣候屬青藏高原干旱氣候區, 年均氣溫-5.3 ℃, 降雨量270 mm, 蒸發量1478 mm, 凍結期為9月至次年4月。海拔4600—4800 m, 相對高差200—300 m, 南北寬約40 km, 整體呈北西西向延伸, 流域面積112.5 km2, 屬于可可西里山系的東南支, 其南、北兩側分別為海拔4600 m 左右的日阿尺曲與秀水河—北麓河谷地 , 其腹部發育整體呈北東向展布、平均海拔4700 m 左右的谷地—二道溝盆地[13–14]。主要植被包括高寒草甸和沼澤草甸。沼澤草甸主要分布在海拔3200—4800 m 的河畔、湖濱、排水不暢的平緩灘地、山間盆地、蝶形洼地、高山鞍部、山麓潛水溢出帶和高山冰雪帶下緣等部位。分布地區氣候寒冷, 地形平緩, 地下埋藏著多年凍土, 成為不透水層, 使降水、地表徑流和冰雪消融水不能下滲而聚集在地表, 造成土壤過濕, 甚至形成地表終年積水和季節性積水的沮溽地[15]。

1.2 研究方法

本研究選擇分布在風火山實驗站上具有典型性和代表性的植被覆蓋度均在70%以上的高寒沼澤草甸(N34°43′43.9′′, E92°53′34.1′′, 海拔4754 m)作為實驗研究對象。組成草群植物主要由濕中生、濕生多年草本植物群落構成、群落覆蓋度大、物種組成豐富。優勢種為藏蒿草 ()、小蒿草、甘肅蒿草、針茅()、羊茅()和粗喙苔草, 常見的伴生種主要有矮嵩草、黑褐苔草、青藏苔草()、發草()、星狀風毛菊()、驢蹄草()、三裂堿毛莨()、矮火絨草()等不可食雜類草和毒草。

圖 1 長江源風火山地區典型高寒沼澤草甸實驗樣地的選取

Figure 1 Selection of experimental sites of alpine swamp meadow in the Fenghuoshan area

1. 模擬增溫方式: 模擬增溫方式采用兩種尺寸的增溫小室, 上下均為正六邊形圓臺結構。六個側面均由有機玻璃制成, 透光率95%, 增溫小室高度分別為0.4 m (T1)和0.8 m (T2), 面積約為1 m2(T1) 和2 m2(T2), 圓臺斜邊均與地面成60°傾角。同時在增溫室旁邊設置相同面積的對照, 每個處理3次重復。于2015年7月安裝完成, 開始對小室內的空氣和土壤進行增溫。本實驗共設置了3個基本處理: (1)CK, 自然樣地; (2)T1, 增溫1.5—2.5℃; (3)T2, 增溫3—5 ℃。根據樣地中已設置的增溫小室內氣溫資料, 在T1和T2內, 年平均氣溫相比對照點分別提高了2.1 ℃和4.8 ℃, 增溫效果良好。并安裝地溫計對不同深度土壤溫度進行檢測, 每30 min記錄一次, 自動輸出儲存于記錄儀中, 同時安裝空氣溫濕度傳感器, 記錄空氣溫度與濕度。

2. 土壤采集與處理: 于2017年6月、8月和9月, 在各個樣方內布設15 cm×15 cm的區域用于土壤的采集, 在樣地不同處理用內徑5 cm的不銹鋼土鉆由上至下分0—20 cm 和20—30 cm兩段取樣。同處理同深度5鉆樣品混合成一個樣品。回實驗室后, 樣品挑除礫石和根系, 過2 mm篩用于有機碳的測定; 另取一部分新鮮樣品冷藏, 用于土壤微生物量碳和溶解性有機碳的測定。

3. 生物量樣品的采集處理: 地上生物量和地下生物量均用收獲法測定。在樣地內隨機選取15 cm× 15 cm的樣方, 收獲每個樣方框內植物的地上部分, 于65 ℃烘干至恒重稱量后, 計算單位面積內的地上生物量。用內徑5 cm的不銹鋼鉆由上至下分以0—10 cm、10—20 cm兩層鉆取土芯樣品。將每個樣方同一層次的3個土柱混合后裝于網袋, 帶回實驗室用流水洗去附著土壤, 在65 ℃烘干至恒重。稱量后計算單位面積內的地下生物量。

1.3 測定項目與方法

土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸—K2SO4提取法[16]: 用0.5 mol·L-1K2SO4浸提經氯仿熏蒸和未熏蒸土樣(水土比4︰1),過濾后濾液中的有機碳利用TOC分析儀測定(Elementra Vario TOC analyzer, Germany); 土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀—外加熱法[17]; 土壤溶解性有機碳采用純水浸提測定步驟為[18]: 取過2 mm篩的鮮土10 g放入100 mL的離心管中, 加入50 mL超純水(按照土水比1: 5)振蕩30 min后離心(5000 r·min-1)10 min(若渾濁則重新離心), 上清液通過循環水真空泵抽濾過0.45 μm的微孔濾膜, 測定濾液土壤DOC質量濃度。

1.4 數據分析

所有數據均用SPSS 22.0統計軟件進行分析, 采用Origin 9繪圖。

2 結果與分析

2.1 模擬增溫對環境因子的影響

2016年月平均氣溫變化如圖2所示, 增溫條件下, 小室內年平均氣溫較對照點CK分別提高了2.1 ℃和4.8 ℃。2016年6—9月5 cm 地溫變化如圖3所示, 增溫條件下, 增溫小室內6—9月5 cm平均地溫較對照點CK分別提高了1.7 ℃ 和2.8 ℃, 氣溫的增溫幅度大于土壤增溫的幅度。相比青藏高原過去每10年氣溫增長0.32℃ 的增溫幅度, 本研究增溫效果顯著, 持續的增溫作用必然會使植被生長發育和土壤有機碳組分發生變化。

2.2 模擬增溫對土壤有機碳組分的影響

模擬增溫導致高寒沼澤草甸的土壤微生物量碳發生變化(圖4、圖5)。與CK相比, 在0—20 cm 土層中, 6月土壤微生物量碳含量經T1增溫處理增加了49.68%, 呈顯著上升趨勢(<0.05), 經T2增溫處理增加了7.58%。8月經T1、T2處理后分別減少了10.21%, 9.33%, 均呈顯著下降趨勢(<0.05)。9 月經T1、T2處理后分別增加26.02%, 17.03%, 均呈顯著上升趨勢(<0.05)。20—30 cm土層經T1增溫處理6、8、9月三個月土壤微生物量碳含量分別上升了223.05%, 62.80%, 135.82%, 均呈顯著上升趨勢(< 0.05)。經T2增溫處理土壤微生物量碳含量在6月增加了63.44%, 8月減少了10.10%, 9月減少了3.59%, 6月土壤微生物量碳增加的差異達到顯著水平(<0.05)。

圖 2 2016年增溫小室內外月平均氣溫

Figure 2 Monthly mean air temperature inside and outside the OTCs in 2016

圖 3 6-9月增溫小室內外5cm地溫

Figure 3 Inside and outside the OTCs 5cm ground tempera-ture from June to September

圖中不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同

Figure 4 0-20 cm soil microbial biomass carbon content in different growing seasons

圖 5 不同生長季 20-30 cm 土層微生物量碳含量

Figure 5 20-30 cm soil microbial biomass carbon content in different growing seasons

模擬增溫導致高寒沼澤草甸的土壤有機碳發生變化(圖6、圖7)。和CK相比, 在0—20 cm土層中, 6月土壤有機碳含量經T1、T2處理后增加了6.07%和減少了15.84%, 這兩種變化差異均達到顯著水平(<0.05)。而8月, 9月經T1、T2增溫處理均呈現顯著下降趨勢(<0.05), 含量分別減少了18.18%, 38.76%、36.25%, 46.58%。在20—30 cm土層中, 土壤有機碳經T1、T2增溫處理土壤總有機碳較CK相比含量均上升。6月增加28.03%, 13.34%, 8月增加37.50%, 19.26%, 9月增加72.72%, 19.09%, 經T1增溫處理土壤有機碳差異達到顯著水平。

圖6 不同季節0-20cm土層土壤有機碳含量

Figure 6 0-20 cm soil organic carbon content in different growing seasons

圖7 不同季節20-30cm土層有機碳含量

Figure 7 20-30 cm soil organic carbon content in different growing seasons

圖 8, 圖 9為模擬增溫高寒沼澤草甸的土壤溶解性有機碳的變化。和CK相比, 0—20 cm土層溶解性有機碳經T1、T2增溫處理后, 6月含量下降了14.47%、20.77%, 8月下降了5.43%、3.26%, 9月下降了10.00%、11.58%, 均呈下降趨勢。20—30 cm土層土壤溶解性有機碳經T1、T2增溫處理后并未呈現統一規律, 6月溶解性有機碳含量下降了11.53%, 7.51%, 8月先是上升了4.62%, 后下降了9.99%, 9月上升了7.42%, 5.94%。20-30 cm土層土壤溶解性有機碳并未呈現顯著變化趨勢。

圖 8 不同季節0-20 cm土層溶解性機碳含量

Figure 8 0-20 cm dissolved organic carbon content in different growing seasons

圖 9 不同季節20-30 cm土層溶解性機碳含量

Figure 9 0-20 cm dissolved organic carbon content in different growing seasons

2.3 模擬增溫對生物量的影響

從圖10、圖11可以看出增溫加速了高寒沼澤草甸植物的生長與發育。8月T1增溫使地上生物量增加了8.78 %, T2增溫使地上生物量顯著增加(<0.05), 增加了64.89%。9月T1、T2增溫處理使地上生物量分別增加了28.40%, 31.75%, 均呈顯著上升的趨勢。

8月 0—10 cm土層經T1增溫地下生物量增加了83.46%, 經T2增溫后增加了64.89%, 10—20 cm土層地下生物量分別增加了31.09%、10.71%。9月0—10 cm土層地下生物量分別增加了87.52%、69.05%, 10—20 cm土層地下生物量分別增加了23.01%、13.12%。經T1, T2增溫處理地下生物量增加的差異均達到顯著變化水平。這些數據說明增溫促進了高原沼澤草甸植物的生長發育, 但對于地下生物量而言大幅度的增溫對這種促進作用有所抑制。

圖10 8月時溫度升高對生物量的影響

Figure 10 Effect of temperature increase on biomass in August

圖11 9月時溫度升高對生物量的影響

Figure 11 Effect of temperature increase on biomass in September

2.4 增溫后土壤有機碳組分之間的耦合變化關系分析

綜合各個月份不同處理土壤關鍵有機碳組分之間的關系可以看出(圖12、圖13、圖14), 土壤溶解性有機碳與土壤有機碳表現出顯著的正相關關系(0.01<<0.05), 土壤微生物量碳與土壤有機碳, 土壤微生物量碳與土壤溶解性有機碳均表現出極顯著的正相關關系(<0.01)。這一現象表明土壤SOC的變化在一定程度上制約的土壤MBC與DOC的變化。同時, MBC與DOC之間呈現正相關這一耦合性也與大多數研究結果一致[19]。

3 討論

3.1 模擬增溫對土壤微生物量碳的影響

土壤微生物量碳是土壤有機碳庫的重要組成部分, 并且對整個生態系統的養分轉化和能量循環起著重要的作用[20], 土壤溫度是影響土壤微生物的重要因素。本次的研究表明, T1增溫處理增加了高寒沼澤草甸土壤微生物量碳, 經T2增溫處理后土壤微生物量碳卻下降。長江源地區平均溫度較低, 模擬增溫提高了土壤溫度, 從而加快土壤微生物體內酶的代謝, 使得微生物呼吸的指數上升, 活性加強, 微生物生長加快, 促進土壤微生物的繁殖; 增溫同時會使得土壤呼吸速率增加, 從而加快有機碳的礦化, 使得碳的有效性得以增加。增溫導致的土壤微生物與土壤呼吸的變化產生的共同作用使得土壤微生物量碳含量增加。這與大多數研究結果一致[15.21]。但溫度與土壤微生物量碳的關系并非只是這種簡單的線性正相關, 增溫幅度過大, 超過了微生物體內酶的最適溫度, 導致酶活性降低, 同時使得土壤微生物的適應性降低, 導致大量的土壤微生物失活, 數量減少; 與此同時, 由于增溫的幅度過大會導致棚內土壤含水量降低。Cederlunda等[22]的研究表明, 含水量高的土壤微生物量較多, 微生物活性也較高。當土壤含水量降低, 維持微生物生長和繁殖的物質和水分受到制約, 微生物活性降低, 微生物數量減少, 導致土壤微生物量碳含量降低[23]。

圖12 SOC與TOC的耦合關系

Figure 12 Relationship between SOC and TOC in the experiment plots

圖13 DOC與MBC的耦合關系

Figure 13 Relationship between DOC and MBC in the experiment plots

圖14 SOC與MBC的耦合關系

Figure 14 Relationship between SOC and MBC in the experiment plots

8月0—20 cm土層隨增溫幅度的上升土壤微生物量碳含量下降。7月、8月為風火山地區年平均溫度最高的月份, 繼續增溫, 棚內的蒸發量增加, 土壤水分大幅度減少, 當水分含量低時會抑制酶、呼吸底物以及微生物的活動, 從而影響到土壤呼吸對溫度的響應[24], 導致土壤微生物量碳含量下降; 7月、8月植物正處于生長旺盛期, 根系與微生物都需要從土壤吸收營養物質, 兩者對土壤養分的需求形成一種競爭關系[25], 而此時由于溫度、水分等原因對植物的影響作用大于對土壤微生物的影響, 致使微生物的營養可獲得量降低。同時增溫通過較高的分解作用增強了植物對礦物營養的吸收[26], 同時部分死的微生物礦化并釋放養分, 導致土壤微生物量碳降低。

3.2 模擬增溫對土壤有機碳的影響

土壤有機碳是影響土壤肥力和作物產量高低的決定性因素[27]。本研究表明, 增溫使得0—20 cm土層土壤有機碳含量下降, 增加了20—30 cm土層土壤有機碳的含量。這是因為模擬增溫導致土壤溫度升高, 加速了土層有機質的分解速度, 促進微生物代謝, 從而使得土壤有機碳含量下降。這與大部分的研究結果相同[28–29]。6月T1增溫使得土壤微生物量碳含量上升。6 月凍土正在消融, 幅度較低的增溫, 加速了凍土融化速度, 為植物的生長提供了充足的液態水分, 改變了土層的水熱條件, 而溫度的升高也有利于根系的生長發育[30], 更多的草根分泌物進入土壤, 導致土壤有機碳含量上升。

20—30 cm土層土壤溫度較0—20 cm土層上升緩慢, 同時溫度增幅也更小,而這種小幅度的增溫會影響植物生長、使得根部新陳代謝加快, 根系凋落物與分泌物增加, 增加輸入土壤的凋落物量,從而增加了土壤有機碳的輸入[15,31], 此時便出現了經T1處理后土壤有機碳含量上升這種變化。但T2增溫幅度過大加快土壤有機碳的分解速率, 從而改變土壤有機碳的分解量[31], 導致根系凋落物與分泌物進入土壤中的有機碳量與由于溫度升高造成的土壤有機碳的分解量差值變小[15], 而使得土壤有機碳較T1處理含量低, 但高于對照點CK。

3.3 模擬增溫對土壤溶解性有機碳的影響

土壤溶解性有機碳既是土壤生物化學過程的產物, 又是土壤微生物生長, 分解有機碳的重要能源[32]。Christ[33]研究發現樣品中的DOC產生量隨溫度增加而呈指數的函數增加。本研究表明了相反的趨勢, 即: 高寒沼澤草甸0—20 cm土層土壤溶解性有機碳隨溫度的升高而降低。雖然溫度的增加會導致微生物活性的增強, 從而促進難以降解的有機質轉化為溶解性的有機質, 使得土壤中的溶解性有機碳含量增加, 但是溫度的增加同樣也會促進土壤呼吸的增強, 加速土壤微生物的生物周轉, 促進土壤碳的分解。土壤碳分解的速率大于難降解有機質的轉化導致了土壤溶解性有機碳含量的降低。同時溫度的增加改變了土壤的含水率。李忠佩等[34]通過室內分析和培育試驗, 研究了不同水分條件下溶解性有機碳含量變化以及土壤有機碳礦化的變化, 結果表明, 溶解性有機碳含量與水分條件有著密切的關系。土壤含水率的降低使得土層中溶解性有機碳含量下降。對于20—30 cm土層而言, 土壤溫度、含水率、根系的數量較0—20 cm土層變化微小, 從而并未對土壤溶解性有機碳產生明顯的影響。常晨暉等[35]利用海拔梯度變化研究了川西高山森林溫度變化對于土壤溶解性有機碳的影響, 結果表明海拔3300 m 和3000 m 樣地土層溶解性有機碳比海拔3600 m 樣地含量更高。王一等[36]以暖溫帶銳齒櫟林土壤為研究對象, 結果顯示土壤溶解性有機碳含量在生長季和非生長季對增溫處理的響應均未達到顯著水平。Liechty等[37]指出溫帶與寒區域相比, 土壤溫度的差異可能導致森林土壤中溶解性有機碳濃度增加16%。相比其他的研究, 此次研究也表明土壤溶解性有機碳對增溫的敏感性存在一定的差異, 表明不同生態系統類型下溶解性有機碳對環境變化的響應也不盡相同。

3.4 模擬增溫對生物量的影響

模擬增溫T1、T2處理增加了高寒沼澤草甸的地上生物量, 地下生物量則出現先上升后下降的趨勢。大多數研究認為, 氣候變暖會影響植物體內的新陳代謝進而增強了植物的光合作用或通過較高的分解作用使得植物對礦物營養的吸收能力增強, 從而增加了生態系統的生物量生產。Chmielewski[38]研究了近年來歐洲氣候變化對植物發育的影響, 研究表明在2—4 月份每變暖 1 ℃將使得植物的生長季提前7 d, 年平均氣溫增加1 ℃植物的生長季節將延長5 d。Menzel[39]通過分析德國 20 種植物物候觀測資料, 發現春季溫度每上升 1 ℃物候生長季將提前2.5—6.7 d, 同時也會延后2.4—3.5 d。這些研究都表明溫度的提高將會延長植物的生長季, 從而促進生物量的累積。石福孫等[40]研究發現, 0.28 ℃、0.46 ℃、1.4 ℃的年平均增溫均使地下0—30 cm 的根系生物量出現不同程度的減少。李娜等[30]研究表明, 2.98 ℃年平均增溫使高寒草甸0—5 cm 根系層的生物量增加, 地下 5—20 cm 根系層生物量分配比例減少; 經5.52 ℃年平均增溫處理后, 地下生物量有向著深層土壤的根系層轉移的趨勢。Kudo和Suzuki[41]認為, 短期增溫對植物生物量的影響并不顯著。現在越來越多的實驗結果證實了地下生物量與土壤水分的關系更加密切。對于高寒沼澤草甸而言大幅度的增溫會使得土壤含水率將大量減少, 導致根系死亡率增加, 從而減少根系的數量和聚集度。

4 結論

通過以上的分析和結論, 得到以下結論: 增溫對青藏高原沼澤草甸的有機碳組分以及生物量產生了明顯影響。

(1) T1增溫促進了土壤微生物量碳的生成, T2增溫幅度過大抑制了土壤微生物的活性, 導致T2內土壤微生物量碳未達到顯著變化趨勢。

(2) 增溫使得表層土壤有機碳含量下降。對于較深層土壤, T1增溫促進了根系的生長, 增加了根系分泌物, 使得土壤有機碳含量上升, T2增溫使得較深層土壤有機碳含量下降。

(3) 增溫使得表層土壤溶解性有機碳含量下降, 較深層土壤溶解性有機碳無明顯變化。

(4) 增溫促進了高原沼澤草甸地上生物量的生成, 并且增溫幅度越大地上生物量增加越多。T1增溫促進了地下生物量的生成, T2增溫導致了土壤含水量的降低, 從而抑制了地下生物量隨溫度上升而增加的這種促進作用。

(5) 土壤溶解性有機碳與土壤有機碳表現出顯著的正相關關系, 土壤微生物量碳與土壤有機碳, 土壤微生物量碳與土壤溶解性有機碳均表現出極顯著的正相關關系。表明土壤有機碳的變化在一定程度上制約土壤微生物量碳與土壤溶解性有機碳的變化。

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Effects of simulated warming on soil organic carbon composition and biomass in alpine swamp meadow in the headwaters region of the Yangtze River

XI Jingyang, BAI Wei*, YIN Pengsong, LIU Yongwan

School of Environmental and Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China

This study investigated the short-term effects of simulated warming on soil organic carbon pools and plant biomass in alpine swamp meadow.Open-top chambers were used to simulate climate warming. Three treatments were simulated in our experiment: CK (control), T1(temperature increased by1.5-2.5 ℃), and T2(temperature increased by 3-5 ℃).The results are as follows. (1) The soil microbial biomass carbon (MBC) in T1plots increased significantly. In T2plots, the soil microbial activitymight be inhibiteddue to the over rising temperature, thus the soil MBC was not affected obviously. (2) Soil organic carbon (SOC)at 0-20 cm soil depth in the warming plots(T1, T2) was significantly higher than that in CK plots. The SOC at 20-30cm soil depth increased obviously in T1plots,but this positive effect was not significant in T2plots.(3) Warming(T1, T2) increased dissolved organic carbon (DOC) at 0-20cm soil depth but the DOC at 20-30cm soil depth was not significantly influenced.. (4)Warming(T1, T2) showed obvious positive effects on aboveground biomass (AGB), and the greater increase in temperature, the more increase in above-ground biomass. Underground biomass(BGB)increased in T1plots, in contrast,the BGB tended to be inhibited in T2plots. (5) There were significant positive correlations between SOC, MBC and DOC, indicating that the changes in soil MBC and DOC were restricted by the variations in soil SOC.

the headwaters region of the Yangtze River; simulated warming; alpine swamp meadow; soil microbial biomass carbon; soil dissolved organic carbon; biomass

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.01.013

S812.2

A

1008-8873(2019)01-092-10

2018-05-07;

2018-07-05

國家自然科學基金(41563005); 蘭州交通大學青年科學基金(2015013)

奚晶陽(1994—), 男, 陜西西安人, 碩士, 主要研究方向為寒旱區生態系統與氣候變化, E-mail:xijy123@sohu.com

白煒(1982—), 男, 甘肅蘭州人, 副教授, 主要研究方向為寒旱區生態系統與氣候變化, E-mail:baiwei915@163.com

奚晶陽, 白煒, 尹鵬松,等. 模擬增溫對長江源區高寒沼澤草甸土壤有機碳組分與植物生物量的影響研究[J]. 生態科學, 2019, 38(1): 92-101.

XI Jingyang,BAI Wei,YIN Pengsong, et al. Effects of simulated warming on soil organic carbon composition and biomass in alpine swamp meadow in the headwaters region of the Yangtze River[J]. Ecological Science, 2019, 38(1): 92-101.