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        水分脅迫對(duì)土壤呼吸影響的研究進(jìn)展

        2019-07-05 18:43:32仝文慧高光宇常英杰
        智富時(shí)代 2019年5期
        關(guān)鍵詞:植物生長影響

        仝文慧 高光宇 常英杰

        【摘 要】在全球氣候變化的大背景下,旱澇災(zāi)害逐漸成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。無論是旱是澇,都會(huì)直接影響植物的生長環(huán)境,特別是植物根區(qū)的土壤環(huán)境。本文從水分脅迫對(duì)土壤呼吸的影響的角度出發(fā),綜述近年來相關(guān)研究的研究成果并總結(jié)分析,致力于為旱澇頻發(fā)地區(qū)以及在礦山生態(tài)修復(fù)中選擇最佳植物生長條件提供參考。

        【關(guān)鍵詞】水分脅迫;土壤呼吸

        1.引言

        在干旱、半干旱地區(qū),水分虧缺是造成植物生長受到抑制的主要原因,同時(shí),受全球氣候變化的影響,部分地區(qū)也時(shí)常面臨季節(jié)性的臨時(shí)缺水[1]。在我國,由于季風(fēng)氣候的特點(diǎn),各地年降水量很不均勻,某一地區(qū)歷年的雨量也相差懸殊,從而出現(xiàn)旱澇災(zāi)害[2]。旱澇的出現(xiàn)勢必會(huì)改變土壤透氣性、酶活性以及土壤中微生物的數(shù)量,也即對(duì)土壤呼吸造成嚴(yán)重影響,進(jìn)而使得植物生長受到影響。

        土壤呼吸指的是未受擾動(dòng)的土壤中產(chǎn)生CO2的所有代謝過程,主要通過土壤微生物呼吸、土壤動(dòng)物呼吸、植物根呼吸及土壤有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生。土壤呼吸表征著土壤的代謝特征,是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)重要組成部分?;诖?,本文從干旱脅迫、水澇脅迫和干濕交替三個(gè)方面進(jìn)行綜合論述,以期對(duì)旱澇頻發(fā)地區(qū)以及在礦山生態(tài)修復(fù)(例如,鉆孔植藤等特殊生長環(huán)境)中選擇最佳植物生長條件提供參考。

        2.水分脅迫對(duì)土壤呼吸的影響

        2.1干旱脅迫對(duì)土壤呼吸的影響

        微生物產(chǎn)生的胞外酶以及利用的有機(jī)物的擴(kuò)散都需要在液體中進(jìn)行, 因此,當(dāng)水分較低時(shí), 會(huì)降低胞外酶和呼吸底物的擴(kuò)散和微生物的移動(dòng), 從而降低微生物與呼吸底物的接觸機(jī)會(huì), 最終影響到土壤呼吸。廖海玲采用室內(nèi)盆栽控水處理法,通過研究干旱對(duì) 1 年生苗木吸收根屬性及生長的影響,分析表明,干旱脅迫對(duì)根際土壤微生物活性具有顯著的抑制作用;王新友等采用 LI-8100 土壤碳通量監(jiān)測系統(tǒng)研究了栽植約 40 年、30 年、10 年和 5 年的人工梭梭林生長季和非生長季的土壤呼吸日變化,分析表明,在干旱區(qū)自然條件下,淺層土壤水分是影響人工梭梭林土壤呼吸的關(guān)鍵因素;肖列以黃土高原森林草原區(qū)的地帶性植被草本植物群落白羊草為研究對(duì)象,探究了干旱脅迫對(duì)白羊草根際土壤呼吸的影響,分析表明,干旱脅迫導(dǎo)致白羊草生物量顯著降低;周航飛在盆栽條件下,對(duì)玉米進(jìn)行干旱脅迫和不同重金屬濃度處理,研究表明,土壤中3種微生物總數(shù)、土壤過氧化氫酶活性、土壤呼吸強(qiáng)度在玉米不同生育期均與土壤含水量成正相關(guān);王磊等選取亞熱帶濱海濕地松和尾巨桉人工林土壤為研究對(duì)象,分析發(fā)現(xiàn),持續(xù)干旱使得土壤水分處于虧缺狀態(tài),土壤呼吸各組分均受到了水分不足的制約;孟偉慶等以天津?yàn)I海鹽堿濕地為研究對(duì)象,采集鹽地堿蓬群落土壤作為實(shí)驗(yàn)樣品,設(shè)置過度干旱、干濕交替、過濕處理三組對(duì)照試驗(yàn),分析表明,水分的過度飽和及過度的干旱都會(huì)抑制土壤的呼吸,其中過度缺水對(duì)呼吸速率的抑制作用更強(qiáng)。值得注意的是,大量研究集中于土壤中微生物的異養(yǎng)呼吸,而忽略了植物根呼吸和有機(jī)物質(zhì)的分解對(duì)土壤呼吸的影響。

        2.2水澇脅迫對(duì)土壤呼吸的影響

        賈璐婷模擬了水澇條件探究水澇脅迫對(duì)根區(qū)呼吸的影響,研究表明,水澇脅迫影響了東北山櫻的根系功能,東北山櫻根系活力與根系總呼吸速率不斷下降;趙慢選取農(nóng)田休閑季土壤,通過在短時(shí)間尺度上模擬雨季不同降水形式、不同底物和土壤氮素殘留量探究不同底物條件下土壤微生物呼吸對(duì)極端降水的響應(yīng),分析表明,極端降水事件顯著影響土壤CO2通量變化,且土壤氮素和底物是影響該過程的重要因素;李新鴿等通過分析表明,濕度較高的土壤經(jīng)過短時(shí)間降雨迅速達(dá)到水分飽和或積水狀態(tài),降雨引發(fā)的干濕交替通過限制O2進(jìn)入土壤,形成厭氧環(huán)境,抑制微生物和根系呼吸;趙可夫分析表明,水澇造成的土壤缺氧使植物的正常有氧呼吸無法進(jìn)行,只能轉(zhuǎn)變成無氧呼吸。澇害減少了植物組織與土壤之間的氣體交換,導(dǎo)致根部區(qū)域形成缺氧或厭氧環(huán)境,從而引起生物代謝反應(yīng)發(fā)生紊亂,這是各種澇害發(fā)生的主要決定因子。由于土壤中的氧氣迅速虧缺,好氧微生物因缺氧而死亡,阻礙正常土壤呼吸的進(jìn)行,甚至引起土壤和厭氧微生物產(chǎn)生了許多對(duì)植物有害的物質(zhì),這些有害物質(zhì)將隨著淹水的不同程度影響著植物的正常生長和發(fā)育,甚至爛根死苗。

        2.3干濕交替對(duì)土壤呼吸的影響

        向元彬等通過野外原位試驗(yàn),研究降雨量改變對(duì)華西雨屏區(qū)常綠闊葉林干旱和濕潤季節(jié)土壤呼吸速率的影響,分析表明,與濕潤季節(jié)相比,干旱季節(jié)土壤水分對(duì)土壤呼吸速率的影響較大; 陳亮采用固定式遮雨頂棚和雨水輸送管道相結(jié)合的方法設(shè)置增減雨處理小區(qū),在干旱期進(jìn)行增雨處理后,土壤呼吸大幅上升;張素等通過開展干濕交替對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的研究表明,濕潤過程中土壤呼吸速率在最開始培養(yǎng)時(shí)最大,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長以及干濕交替次數(shù)的增加,土壤呼吸速率曲線呈指數(shù)下降;秦紀(jì)洪等通過監(jiān)測不同干濕交替模式下培養(yǎng)土壤的呼吸動(dòng)態(tài),評(píng)估干濕交替特征對(duì)干熱河谷土壤有機(jī)碳庫退化的影響,結(jié)果表明,風(fēng)干土壤再濕潤對(duì)土壤呼吸具有激發(fā)效應(yīng),隨著干濕交替次數(shù)的增加,激發(fā)效應(yīng)隨之衰減,經(jīng)過多次干濕交替后降至某一穩(wěn)定水平,干濕交替周期越長(周期長于12d),土壤再濕潤后導(dǎo)致的土壤呼吸激發(fā)效應(yīng)的衰減越不明顯;李春和等采用室內(nèi)培養(yǎng)法,研究氮肥添加下栗鈣土中土壤微生物呼吸及微生物量碳對(duì)恒濕處理和干濕交替的響應(yīng),結(jié)果顯示,相較恒濕處理,干濕交替處理下的環(huán)境更有利于土壤呼吸,且更有利于土壤微生物的存活;由上述研究成果可分析得出,在干濕交替的生長環(huán)境中,土壤微生物活性更強(qiáng),有利于微生物的生存和微生物量的增加。

        3.總結(jié)與展望

        3.1總結(jié)

        土壤呼吸代表了土壤碳素的周轉(zhuǎn)速率和土壤中微生物的總體活性,一定程度上反映出植物生長條件的優(yōu)劣。綜合上述研究結(jié)論,土壤水分過多或不足均會(huì)抑制土壤呼吸,只有在土壤水分含量適中時(shí)土壤呼吸速率最大,適當(dāng)?shù)母蓾窠惶嫜h(huán)有利于土壤中微生物的生存,比干旱和過濕狀態(tài)都更有利于土壤呼吸,但干濕交替循環(huán)次數(shù)達(dá)一定值后,對(duì)土壤呼吸的影響作用將變得不太明顯,甚至有可能抑制植物的正常的生長發(fā)育。因此,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況,合理控制干濕交替的程度和次數(shù),以達(dá)到最好的效果。

        3.2展望

        近年來,多數(shù)干濕交替對(duì)土壤呼吸的影響的研究集中于干濕交替對(duì)土壤生物量的影響,缺乏植物根系呼吸作用和土壤有機(jī)質(zhì)分解對(duì)土壤呼吸效果的考察。然而,陸地植物光合作用產(chǎn)物的50%以上是被根系呼吸消耗掉了,這一比例的大小取決于植物相對(duì)生長速率及其營養(yǎng)狀況,了解根系呼吸的數(shù)量資料對(duì)于全面掌握植物生長規(guī)律具有光合作用相當(dāng)?shù)闹匾饬x。因此,應(yīng)拓寬研究領(lǐng)域,全面的把握土壤呼吸對(duì)水分脅迫的響應(yīng)機(jī)制;加深對(duì)水分脅迫條件下,植物根區(qū)呼吸變化的研究;進(jìn)一步開展自然條件的控制實(shí)驗(yàn),室內(nèi)單一變量的控制實(shí)驗(yàn)和自然條件下環(huán)境變化對(duì)研究結(jié)果的影響仍然存在一定差距。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1] 蔣笑麗,陳文偉,章建紅,洪春桃,魏斌,沈登鋒.干旱區(qū)抗旱樹種選育及造林技術(shù)研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2018,46(35):17-18.

        [2] 王永泰.植物與旱、澇災(zāi)害[J].生物學(xué)教學(xué),1994(05):33-34.

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