Differential responses of auto‐ and heterotrophic soil respiration to water and nitrogen addition in a semiarid temperate steppe

Evaluating how autotrophic (SR_A), heterotrophic (SR_H) and total soil respiration (SR_TOT) respond differently to changes of environmental factors is critical to get an understanding of ecosystem carbon (C) cycling and its feedback processes to climate change. A field experiment was conducted to examine the responses of SR_A and SR_H to water and nitrogen (N) addition in a temperate steppe in northern China during two hydrologically contrasting growing seasons. Water addition stimulated SR_A and SR_H in both years, and their increases were significantly greater in a dry year (2007) than in a wet year (2006). N addition increased SR_A in 2006 but not in 2007, while it decreased SR_H in both years, leading to a positive response of SR_TOT in 2006 but a negative one in 2007. The different responses of SR_A and SR_H indicate that it will be uncertain to predict soil C storage if SR_TOT is used instead of SR_H to estimate variations in soil C storage. Overall, N addition is likely to enhance soil C storage, while the impacts of water addition are determined by its relative effects on carbon input (plant growth) and SR_H. Antecedent water conditions played an important role in controlling responses of SR_A, SR_H and the consequent SR_TOT to water and N addition. Our findings highlight the predominance of hydrological conditions in regulating the responses of C cycling to global change in the semiarid temperate steppe of northern China.     

增温对蒙古栎林土壤呼吸及组分的影响

为明确气候变暖对蒙古栎林土壤碳排放的潜在影响,以三江平原蒙古栎次生林为研究对象,分析5—11月土壤呼吸组分对增温（1℃）和断根交互处理的响应。结果表明,增温使未断根组表层土壤平均升高1.35℃,断根组表层土壤平均升高0.65℃,表层土壤含水量平均升高0.02m³/m³（P<0.05）,土壤总呼吸速率增加11.9%（P<0.05）,土壤异养呼吸无显著变化（P>0.05）。各月份土壤异养呼吸速率占土壤总呼吸速率的比例均达到50%以上。土壤温度与土壤总呼吸速率、土壤异养呼吸速率均呈现指数正相关关系（P<0.01）,土壤体积含水量与土壤总呼吸速率、土壤异养呼吸速率呈现线性负相关关系（P<0.01）。增温会导致土壤呼吸温度敏感性(Q₁₀)降低,其中土壤总呼吸Q₁₀值降低0.45,土壤异养呼吸Q₁₀值降低0.39。不同月份Q₁₀存在差异,其中9月份最高,其次为8月份和10月份,11月份最低。双因素方差分析表明,以增温、断根为自变量时主效应存在（P<0.05）,二者无显著交互作用（P>0.05）。模拟气候变暖初期蒙古栎林土壤总呼吸速率会显著升高,增加的土壤碳排放会进一步促进气候变暖,不同季节土壤呼吸速率升高幅度存在差异,夏季土壤碳排放要高于其它季节,而Q₁₀则是于夏季和秋季的过渡时段更高。     

Increased rainfall variability and reduced rainfall amount decreases soil CO2 flux in a grassland ecosystem

Predicted climate changes in the US Central Plains include altered precipitation regimes with increased occurrence of growing season droughts and higher frequencies of extreme rainfall events. Changes in the amounts and timing of rainfall events will likely affect ecosystem processes, including those that control C cycling and storage. Soil carbon dioxide (CO₂) flux is an important component of C cycling in terrestrial ecosystems, and is strongly influenced by climate. While many studies have assessed the influence of soil water content on soil CO₂ flux, few have included experimental manipulation of rainfall amounts in intact ecosystems, and we know of no studies that have explicitly addressed the influence of the timing of rainfall events. In order to determine the responses of soil CO₂ flux to altered rainfall timing and amounts, we manipulated rainfall inputs to plots of native tallgrass prairie (Konza Prairie, Kansas, USA) over four growing seasons (1998–2001). Specifically, we altered the amounts and/or timing of growing season rainfall in a factorial combination that included two levels of rainfall amount (100% or 70% of naturally occurring rainfall quantity) and two temporal patterns of rain events (ambient timing or a 50% increase in length of dry intervals between events). The size of individual rain events in the altered timing treatment was adjusted so that the quantity of total growing season rainfall in the ambient and altered timing treatments was the same (i.e. fewer, but larger rainfall events characterized the altered timing treatment). Seasonal mean soil CO₂ flux decreased by 8% under reduced rainfall amounts, by 13% under altered rainfall timing, and by 20% when both were combined (P<0.01). These changes in soil CO₂ flux were consistent with observed changes in plant productivity, which was also reduced by both reduced rainfall quantity and altered rainfall timing. Soil CO₂ flux was related to both soil temperature and soil water content in regression analyses; together they explained as much as 64% of the variability in CO₂ flux across dates under ambient rainfall timing, but only 38–48% of the variability under altered rainfall timing, suggesting that other factors (e.g. substrate availability, plant or microbial stress) may limit CO₂ flux under a climate regime that includes fewer, larger rainfall events. An analysis of the temperature sensitivity of soil CO₂ flux indicated that temperature had a reduced effect (lower correlation and lower Q₁₀ values) under the reduced quantity and altered timing treatments. Recognition that changes in the timing of rainfall events may be as, or more, important than changes in rainfall amount in affecting soil CO₂ flux and other components of the carbon cycle highlights the complex nature of ecosystem responses to climate change in North American grasslands.     

增温对青藏高原高寒草甸呼吸作用的影响

生态系统呼吸(ER)和土壤呼吸(SR)是草地生态系统碳排放的关键环节,其对气候变化极为敏感。高寒草甸是青藏高原典型的草地生态系统,其呼吸作用对气候变化的响应对区域碳排放具有重要的影响。以高寒草甸生态系统为对象,于2012—2016年采用模拟增温的方法研究呼吸作用对增温的响应。结果表明:增温对高寒草甸ER的影响存在年际差异,2013年和2014年增温对ER无显著影响,其他年份显著增加ER(P<0.05),综合5年结果,平均增幅达22.3%。增温显著促进了高寒草甸SR(P<0.05),较对照处理5年平均增幅高达67.1%;增温总体上提高了SR在ER中的比例(P<0.05),最高增幅达到59.9%。ER和SR与土壤温度有显著的正相关关系(P<0.05),与土壤水分没有显著的相关关系(P>0.05)。对照样地中,土壤温度分别能解释33.0%和18.5%的ER和SR变化。在增温条件下,土壤温度可以解释20.5%和13.0%的ER和SR变化。在增温条件下,SR的温度敏感性显著增加,而ER的温度敏感性变化较小,导致SR的比重进一步增加。因此,在未来气候变暖条件下,青藏高...     

植物残体改变对东北4种典型林型土壤呼吸及其组分的影响

土壤呼吸是陆地生态系统向大气释放的最大的二氧化碳通量,受到底物性质、环境因子等各因素的驱动,其中森林凋落物的性状和数量是影响土壤呼吸的重要因素。以东北地区凋落物性质具有显著差异的4种典型林型为研究对象,即杨桦林（AB）、硬阔叶林（HW）、红松林（PK）、蒙古栎林（QM）;基于植物残体添加和移除（DIRT,Detrital Input and Removal Treatment）实验,测定土壤呼吸和凋落物呼吸,探究凋落物和根对土壤呼吸的贡献,揭示其对土壤呼吸的影响机制。研究结果表明：植物残体改变对四种林型的土壤呼吸的影响表现出了一致的趋势,凋落物去除延迟了土壤呼吸的峰值出现时间,减小了土壤呼吸的季节变异;AB、HW、PK和QM的生长季土壤呼吸通量在6种DIRT处理间的波动范围依次为270—667 gC/m²、284—598 gC/m²、234—610 gC/m²、274—668 gC/m²,地下呼吸通量在6种DIRT处理间的波动范围依次分别为270—485 gC/m²、284—505 gC/m²、131—356gC/m²、186—455 gC/m²,二者皆因凋落物量加倍而显著增加,因凋落物去除和根切断而显著减少。凋落物呼吸对环境因子更敏感,受到凋落物量、根系、凋落物碳氮比、土壤温度和土壤湿度控制,而地下呼吸仅受土壤温度和根系的控制。AB、HW、PK和QM的单位质量凋落物呼吸在不同处理间波动范围依次分别为0.032—0.046μmol s^-1 g^-1、0.041—0.055μmol s^-1 g^-1、0.052—0.059μmol s^-1 g^-1和0.038—0.047μmol s^-1 g^-1,除在杨桦林中在不同处理间存在显著差异外,其余林型均无显著差异;AB、HW、PK和QM的凋落物呼吸占土壤呼吸的比值在不同处理间的波动范围依次分别为14%—33%、9%—21%、19%—62%、16%—46%,其中以PK的占比为最高;根切断和凋落物加倍对单位质量的凋落物呼吸具有一定的抑制作用。本研究为构建温带森林碳循环模型提供了理论依据和数据支持。     

暖温带麻栎林凋落物调节土壤碳排放通量对降雨脉冲的响应

凋落物既是森林生态系统养分循环的重要构件,又是森林土壤环境和功能的关键调节因子。降雨脉冲导致的土壤碳排放变异是陆地生态系统碳汇能力评价的不确定性来源之一。凋落物在调节土壤碳排放对降雨脉冲的响应中的作用仍缺乏科学的评价。通过在暖温带栎类落叶阔叶林中设置不同凋落物处理(对照、去除凋落物和加倍凋落物)和降雨模拟实验以阐明凋落物数量变化对土壤呼吸脉冲的影响。结果表明：模拟降雨脉冲之前,不同凋落物处理下的土壤呼吸存在显著差异;与对照相比,加倍凋落物导致土壤呼吸速率显著增加57.6%,然而,去除凋落物则对土壤呼吸无显著影响。模拟降雨后52小时内,对照、去除凋落物和加倍凋落物样方的土壤累积碳排放量分别为251.69 gC/m~2,250.93 gC/m~2和409.01 gC/m~2,加倍凋落物处理下的土壤碳排放量显著高于对照和去除凋落物处理;然而,去除凋落物与对照之间无显著差异。此外,不同凋落物处理下土壤呼吸的脉冲持续时间存在显著差异;加倍凋落物显著提高降雨后土壤呼吸脉冲的持续时间,分别比对照和去除凋落物高出262%和158%。多元逐步回归分析表明,土壤总碳排放通量和土壤呼吸的脉冲持续时间与土壤理...     

施肥对油茶园土壤呼吸和异养呼吸及其温度敏感性的影响

油茶是中国南方重要的木本食用油料树种,研究施肥对油茶园土壤呼吸及其温度敏感性的影响,对于估算中国南方典型种植园林温室气体排放及其对气候变化的响应具有重要意义。设置对照(CK)、施肥(OF)、断根(CK-T)和断根施肥(OF-T)4个处理,采用静态箱-气相色谱法,通过多年观测,分析探讨施肥对油茶园土壤呼吸和异养呼吸及其温度敏感性的影响。结果表明:(1)施肥对油茶园土壤呼吸和异养呼吸无显著影响。研究期间,各处理(OF、CK、OF-T、CK-T)土壤CO_2通量依次为(77.91±2.59)、(73.71±0.97)、(66.82±1.02)mg C m~(-2)h~(-1)和(66.84±3.94)mg C m~(-2)h~(-1);(2)各处理土壤呼吸温度敏感性(Q_(10))表现为OF-T(1.96±0.01)CK-T(1.79±0.03)OF(1.77±0.01)CK(1.75±0.03),其中,OF-T处理下Q_(10)显著高于其他3个处理,即施肥显著增加了断根处理土壤呼吸Q_(10);(3)施肥显著增加了土壤表层NH_4~+-N和NO_3~--N含量,Q_(10)与土壤表层NH_4~+-N和NO_3~--N含量表现出显著的正相关关系。     

模拟氮沉降凋落物管理对樟树人工林土壤呼吸的影响

以湖南省植物园樟树人工林为对象,研究了模拟氮沉降下,不同凋落物处理对土壤呼吸的影响。设置4个施氮水平,分别为CK(0 kg N hm~(-2)a~(-1))、LN(50 kg N hm~(-2)a~(-1))、NM(150 kg N hm~(-2)a~(-1))以及HN(300 kg N hm~(-2)a~(-1));凋落物处理分别为去除凋落物、添加凋落物以及凋落物对照组。经过为期2年的观测研究,结果表明:(1)模拟氮沉降不同凋落物处理下,土壤温度呈现显著的季节性变化,但不存在显著差异;土壤湿度呈现显著的波动性变化,施氮及凋落物管理对土壤温度无影响。土壤湿度仅受凋落物管理的影响。在不同施氮水平下,去除凋落物的土壤湿度与加倍凋落物的土壤湿度均存在显著差异性。(2)模拟氮沉降不同凋落物处理下,土壤呼吸均呈现显著的季节性变化,最大值出现在6—8月;最小值出现在1月,且在生长季期间(4—8月),不同处理下土壤呼吸存在显著差异。(3)施氮对土壤呼吸表现为抑制作用,添加凋落物对土壤呼吸起促进作用,去除凋落物对土壤呼吸起抑制作用。(4)在凋落物对照组中,LN、MN、HN较CK相比,土壤呼吸速率年均值分别降低了35.4%、30.6%、36.8%,且各施氮水平与CK存在显著差异(P0.05);添加凋落物处理下,LN、MN、HN处理较CK相比,土壤呼吸速率年均值土壤呼吸分别降低了23.2%、15.8%、14.7%。去除凋落物处理下,LN、MN、HN较CK相比,土壤呼吸速率年均值分别降低了3.5%、0.5%、-11.6%。且添加或去除凋落物均能削弱施氮对土壤呼吸的抑制作用,且这种作用随着施氮水平的增加而增大。(5)土壤呼吸与5 cm处土壤温度存在显著相关性(P0.05),土壤温度可解释土壤呼吸变异的47.76%—72.61%;与土壤湿度呈现正相关,但未达到显著相关水平(P0.05)。     

增温和刈割对高寒草甸土壤呼吸及其组分的影响

评估土壤呼吸及其组分对增温等全球变化的响应对于预测陆地生态系统碳循环至关重要。利用红外线辐射加热器(Infrared heater)装置在青藏高原高寒草甸生态系统设置增温和刈割野外控制实验。通过测定2018年生长季(5—9月)土壤呼吸和异养呼吸,探究增温和刈割对土壤呼吸及其组分的影响。研究结果表明:(1)单独增温使土壤呼吸显著增加31.65%(P<0.05),异养呼吸显著增加27.12%(P<0.05),土壤自养呼吸没有显著改变(P>0.05);单独刈割对土壤呼吸和自养呼吸没有显著影响(P>0.05),单独刈割刺激异养呼吸增加32.54%(P<0.05);(2)增温和刈割之间的交互作用对土壤呼吸和异养呼吸没有显著影响(P>0.05),但是对自养呼吸的影响是显著的(P<0.05),土壤呼吸和异养呼吸的季节效应显著(P<0.05);(3)土壤呼吸及其组分与土壤温度均成显著指数关系,与土壤湿度呈显著的正相关关系(P<0.05),处理影响它们的响应敏感性。本研究表明青藏高原东缘高寒草甸土壤碳排放与气候变暖存在正反馈。     

三江平原草甸湿地土壤呼吸和枯落物分解的CO2释放

利用静态箱-碱液吸收法研究了三江平原草甸湿地土壤呼吸和枯落物分解的CO2释放速率,讨论了影响CO2释放的环境因素,估算了枯落物分解的CO2释放对于总释放的贡献.结果表明,生长季,小叶章沼泽化草甸和小叶章湿草甸各部分CO2释放均具有明显的时间变化特征,温度和水分是重要制约因素.两类草甸湿地的平均土壤呼吸速率分别为4.33g·m-2·d-1和6.15g·m-2·d-1,枯落物分解的CO2平均释放速率分别为1.76g·m-2·d-1和3.10g·m-2·d-1,枯落物分解的CO2释放占总释放量的31%和35%,说明在碳素由地上植物碳库转移到地下土壤碳库的过程中,湿地枯落物是一个不可忽略的碳损失源.     

三江平原草甸湿地土壤呼吸和枯落物分解的CO2释放

利用静态箱-碱液吸收法研究了三江平原草甸湿地土壤呼吸和枯落物分解的CO₂释放速率,讨论了影响CO₂释放的环境因素,估算了枯落物分解的CO₂释放对于总释放的贡献。结果表明,生长季,小叶章沼泽化草甸和小叶章湿草甸各部分CO₂释放均具有明显的时间变化特征,温度和水分是重要制约因素。两类草甸湿地的平均土壤呼吸速率分别为4.33g•m^-2•d^-1和6.15g•m^-2•d^-1,枯落物分解的CO₂平均释放速率分别为1.76g•m^-2•d^-1和3.10g•m^-2•d^-1,枯落物分解的CO₂释放占总释放量的31%和35%,说明在碳素由地上植物碳库转移到地下土壤碳库的过程中,湿地枯落物是一个不可忽略的碳损失源。     

增温对土壤有机碳矿化的影响研究综述

全球变暖的大背景下,土壤作为陆地生态系统中最大碳汇的载体,其微小变化都会引起大气CO2浓度显著的改变。土壤有机碳对气候变化的响应和适应对于预测未来气候变化具有十分重要的作用。然而,目前增温对土壤有机碳的影响及其影响机制仍存诸多未解决的问题。综述了目前土壤有机碳矿化的研究方式及增温对土壤有机碳矿化影响的国内外研究进展。结果发现增温往往会促进土壤有机碳排放,主要源于土壤微生物代谢活性或群落组成的改变。同时该排放强度因生态系统类型、增温方式和幅度以及增温季节和持续时间的不同而存在巨大差异,且长期增温反而使土壤微生物产生适应及驯化现象,从而降低或缓解陆地生态系统对全球变暖的正反馈效应。但这些结果大都基于温带实验,而原位增温实验对高生产力、多样性丰富的热带亚热带地区的影响是否与温带一致仍待进一步考证。室内模拟实验虽可深入研究温度对土壤有机碳矿化的影响机制,却无法真实反映野外自然环境。同时,野外增温方式及室内研究方式的多样均降低不同研究之间的可比性,进而难以预估由实验方法本身差异引起的结果变异。     

荒漠草原4种典型植物枯落物分解过程中土壤呼吸对短期氮、水变化的响应

土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的重要组成部分,对研究干旱半干旱区荒漠草原碳平衡具有重要意义。选取荒漠草原4种典型植物枯落物进行裂区实验,设置氮、水添加实验处理,探讨不同的枯落物地表,短期氮、水处理对荒漠草原土壤呼吸的影响。结果表明,土壤呼吸日动态呈单峰曲线,最大值出现在10:00—12:00。相同处理间不同枯落物地表和相同枯落物地表不同处理间土壤呼吸在白天和夜间均有差异(P<0.05)。枯落物对土壤呼吸贡献表明,短期不做任何处理的枯落物对土壤呼吸的贡献最大,贡献率高达68%—89%。多因素方差分析显示,氮及氮和水交互作用对土壤呼吸的影响显著。呼吸在降水处理间存在显著差异(P<0.05),表现为减雨(P3)>增雨(P2)>正常(P1);呼吸在氮素处理间存在极显著差异(P<0.001),表现为添氮(N1)>不添氮(N0)。土壤呼吸与土壤温度、土壤湿度拟合发现,短期的氮、水处理下土壤温度与土壤呼吸显著相关(P<0.05),可解释呼吸变化的50.3%—69.9%;土壤湿度对呼吸影响不显著(P>0.05),温度、湿度的交互作用对土壤呼吸的影响显著(...     

黄土旱塬区免耕玉米田土壤呼吸对降雨的响应

在多年定位试验的基础上,采用LI-8150-16多通道土壤碳通量测量系统对传统耕作和免耕处理下玉米田的土壤呼吸进行了连续观测,以探讨不同耕作措施处理下土壤呼吸对降雨的响应。结果表明:降雨发生瞬间,土壤呼吸受应激反应影响迅速降低,传统耕作和免耕处理下分别较降雨前降低62.9%—92.9%和35.8%—56.9%;降雨后,传统耕作和免耕处理土壤呼吸的降幅范围分别为31.5%—89.2%和15.7%—59.9%;土壤体积含水量接近于18%时,传统耕作下土壤呼吸比免耕下高51.8%,当土壤体积含水量高于30%时,传统耕作下土壤呼吸比免耕处理下低43.0%,表明传统耕作土壤呼吸更易受土壤水分的影响,波动幅度大;传统耕作处理下土壤呼吸随土壤温度的升高而增大,免耕处理下土壤呼吸随土壤温度的升高变化不明显;土壤体积含水量较小(20%)时,不同耕作处理下土壤呼吸均随土壤含水量增加而增加,含水量较高(30%)时则均随土壤含水量的升高而减小,两种情况下均为免耕处理的变化速率更大;双因子线性模型可较好地描述玉米田土壤呼吸对温度和水分变化的响应。     

Carbon losses due to soil warming: Do autotrophic and heterotrophic soil respiration respond equally?

Global warming has the potential to increase soil respiration (R_S), one of the major fluxes in the global carbon (C) cycle. R_S consists of an autotrophic (R_A) and a heterotrophic (R_H) component. We combined a soil warming experiment with a trenching experiment to assess how R_S, R_A, and R_H are affected. The experiment was conducted in a mature forest dominated by Norway spruce. The site is located in the Austrian Alps on dolomitic bedrock. We warmed the soil of undisturbed and trenched plots by means of heating cables 4 °C above ambient during the snow‐free seasons of 2005 and 2006. Soil warming increased the CO₂ efflux from control plots (R_S) by ∼45% during 2005 and ∼47% during 2006. The CO₂ efflux from trenched plots (R_H) increased by ∼39% during 2005 and ∼45% during 2006. Similar responses of R_S and R_H indicated that the autotrophic and heterotrophic components of R_S responded equally to the temperature increase. Thirty‐five to forty percent or 1 t C ha⁻¹ yr⁻¹ of the overall annual increase in R_S (2.8 t C ha⁻¹ yr⁻¹) was autotrophic. The remaining, heterotrophic part of soil respiration (1.8 t C ha⁻¹ yr⁻¹), represented the warming‐induced C loss from the soil. The autotrophic component showed a distinct seasonal pattern. Contribution of R_A to R_S was highest during summer. Seasonally derived Q₁₀ values reflected this pattern and were correspondingly high (5.3–9.3). The autotrophic CO₂ efflux increase due to the 4 °C warming implied a Q₁₀ of 2.9. Hence, seasonally derived Q₁₀ of R_A did not solely reflect the seasonal soil temperature development.     

亚热带退化红壤区森林恢复类型土壤有机碳矿化对温度的响应

土壤有机质分解是陆地生态系统碳循环的重要环节,它不仅受植被类型的影响,对环境温度也十分敏感。以江西省泰和县石溪退化红壤区马尾松(Pinus massoniana)、木荷(Schima superb)和枫香(Liquidambar formosana)3种森林类型为研究对象,将其土壤分别置于4种不同温度(5、15、25℃和35℃)条件下培养,采用碱液吸收法进行为期35 d的土壤碳矿化研究。在同一温度条件下,不同林型土壤CO_2累计碳排放量大小顺序为:枫香马尾松木荷。在4种不同温度条件下枫香林地土壤CO_2累计排放量最大,其次是马尾松林、木荷林,且不同森林类型土壤CO_2累计排放量随温度升高而增加(P0.05)。在15℃、25℃和35℃条件下,不同林地土壤潜在碳排放量间无显著性差异。在15℃和25℃条件下,土壤碳排放量随土壤全碳含量呈现先增后减的变化趋势(P0.05),全碳的极值点分别约为1.83%和1.89%。不同植被类型和培养温度对土壤碳矿化量有显著影响,说明植被类型和温度能够对土壤呼吸产生重要影响,且不同温度对土壤呼吸作用更显著(P0.000),但两因素间并无显著交互效应。在25℃时,不同林型土壤碳排放量随土壤含水量先增后减,表明土壤含水量并不是影响土壤碳排放量的调控因子。采用单库模式方程C_m=C_o(1-exp~(-kt))对土壤潜在碳排放进行模拟,得出不同温度不同林型土壤最大碳排放量随温度升高而增加。不同林型不同温度条件下土壤Q_(10)值范围为1.797—1.971,变化幅度较小,且不同林型土壤Q_(10)值并未表现出显著性差异,这一结论为研究林型和温度对土壤碳矿化的影响提供参考。