徐 敏,邊紅楓,*,徐 麗,陳 智,何念鵬,3

1 東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130024 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100049

降水事件是陸地生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)的重要驅(qū)動(dòng)因素,會(huì)引起土壤水分的快速變化,常使生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)在短期內(nèi)呈現(xiàn)出非常規(guī)現(xiàn)象。其中,降水事件引起土壤在短期內(nèi)釋放大量CO2過程常被稱為降水脈沖效應(yīng)[1]；在干旱半干旱區(qū),降水頻率較低,一次降水事件就會(huì)引起土壤有機(jī)質(zhì)快速分解,加快物質(zhì)的循環(huán),因此這種快速的脈沖過程對(duì)于土壤養(yǎng)分循環(huán)和生物養(yǎng)分利用都具有重要意義[2- 3]。當(dāng)前,在全球變化日益加劇的背景下,已有的氣候變化模型預(yù)測(cè)未來降雨模式將會(huì)從強(qiáng)度和頻度兩方面發(fā)生改變,其中干旱半干旱地區(qū)可能會(huì)經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的干旱且降水頻率也更難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[4-5],而降雨模式的變化也會(huì)對(duì)降水脈沖效應(yīng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)。因此,探討降水頻率變化、干旱程度增加等對(duì)降水脈沖效應(yīng)的影響；以及分析降雨強(qiáng)度、降雨事件持續(xù)時(shí)間、土壤干旱歷史和水分狀況等因素的影響[6-7],對(duì)全球碳循環(huán)研究具有重要意義。

降水事件通過快速提升土壤水分含量,使土壤微生物呼吸顯著增強(qiáng)。自然界中,干旱程度、降水強(qiáng)度和降水頻度的差異使得微生物經(jīng)歷不同的土壤水分變化過程,形成了一套適合自身生存和發(fā)展的適應(yīng)機(jī)制[8- 10]。干旱時(shí),受土壤水分和基質(zhì)擴(kuò)散的限制,土壤微生物采取休眠或部分死亡策略應(yīng)對(duì)干旱脅迫,微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的利用減少；然而,降水事件發(fā)生后,土壤水分充足且可利用基質(zhì)豐富,土壤微生物充分利用這短暫的有利時(shí)機(jī),快速進(jìn)行生理代謝和生長(zhǎng)繁殖活動(dòng)[11]。土壤先前干旱程度(或長(zhǎng)期氣候特征)將影響土壤微生物種類組成、多樣性、生物量以及能量分配,因而不同干旱區(qū)域(或干旱程度不同的區(qū)域)的土壤微生物可能會(huì)對(duì)降水事件產(chǎn)生不同響應(yīng)[12],但是,目前人們對(duì)這種普遍存在的自然過程及其機(jī)制尚不清楚。此外,降水強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間也會(huì)影響土壤微生物的響應(yīng),有研究顯示當(dāng)降雨量適中時(shí)土壤CO2釋放速率將明顯增加,大型降雨可使土壤CO2釋放總量增加幾倍到幾百倍[13]。小降雨事件通常只能激發(fā)表層土壤微生物的分解過程,引起表層土壤CO2大量釋放[14-15],但表層水分蒸發(fā)較快,因此引起的土壤分解過程非常短暫；然而,在干旱與半干旱地區(qū),5 mm或小于5 mm小降水事件發(fā)生頻率非常高,對(duì)總降雨的累積貢獻(xiàn)超過70%；因此小降水事件的脈沖效應(yīng)引起CO2排放可能占土壤碳釋放總量的很大一部分,并具有重要的生態(tài)意義[16]。

在已有研究中,重濕后土壤微生物呼吸速率顯著增高[17- 19],甚至可達(dá)到降雨前的幾倍到幾十倍[20-21]；相對(duì)于持續(xù)濕潤(rùn)土壤,降水脈沖后土壤微生物的呼吸速率明顯高于降水前的土壤微生物呼吸速率[20]。土壤微生物呼吸速率與土壤CO2累積釋放量是研究脈沖效應(yīng)的重要指標(biāo)。微生物對(duì)降水的響應(yīng)是一個(gè)劇烈并且快速的過程,呼吸速率可以在數(shù)十分鐘內(nèi)達(dá)到最大值[20, 22]；然而,在傳統(tǒng)研究中,土壤微生物呼吸速率的測(cè)定方法多為堿液吸收法或氣相色譜法,測(cè)量時(shí)間間隔多為小時(shí)、天[23-25],難以捕捉到降水后短時(shí)間內(nèi)的微生物動(dòng)態(tài)變化過程。目前,有關(guān)降水變化對(duì)土壤釋放CO2的長(zhǎng)期影響已開展了大量的研究工作[8, 26-27],但對(duì)于快速釋放CO2過程的研究卻非常少、并且深入的機(jī)理性分析也十分匱乏。

降水事件后土壤釋放的CO2可能來源于干旱時(shí)期土壤中積累的非生物有機(jī)碳和微生物生物量碳；前人研究表明,重濕后土壤微生物呼吸的脈沖效應(yīng)主要是由其細(xì)胞質(zhì)溶質(zhì)釋放引起的[28-29]。然而,也有研究提出干濕循環(huán)過程中釋放CO2量大于土壤微生物生物量,表明土壤釋放CO2可能有其他來源。在降水事件發(fā)生后,土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)遭到破壞,使得原本受物理保護(hù)的非生物有機(jī)質(zhì)通過水分運(yùn)輸作用成為微生物可利用的底物[30-31]。目前,部分研究認(rèn)為短期土壤呼吸速率提高主要是因?yàn)榉巧锏孜锕?yīng)的增加[32],也有研究認(rèn)為土壤進(jìn)行連續(xù)的干燥-再濕循環(huán)后,土壤碳礦化主要來源于微生物生物量碳[33]；然而,這兩種來源對(duì)于土壤微生物呼吸脈沖的貢獻(xiàn)尚不清楚。如果非生物有機(jī)碳是CO2脈沖效應(yīng)的主要來源,那么長(zhǎng)期干燥再濕循環(huán)必定會(huì)減少土壤碳貯量；反之,如果生物量碳是脈沖效應(yīng)的主要貢獻(xiàn),那么脈沖效應(yīng)將會(huì)增加微生物的生理壓力,長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)將減少碳礦化,增加土壤碳固存[20]；因此,探究微生物呼吸脈沖的機(jī)制對(duì)于預(yù)測(cè)未來土壤碳循環(huán)非常重要。

鑒于干旱、半干旱地區(qū)降水脈沖效應(yīng)的重要性,本研究采用自主研發(fā)的能夠快速、連續(xù)高頻測(cè)定土壤呼吸速率的裝置,探討內(nèi)蒙古3種典型草地類型(草甸草原、典型草原和荒漠草原)在土壤復(fù)濕后土壤微生物CO2釋放的快速響應(yīng)過程。在此基礎(chǔ)上,我們提出實(shí)驗(yàn)假設(shè)：(1)草地土壤對(duì)突發(fā)降水會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈快速的響應(yīng),且不同草地類型土壤對(duì)相同強(qiáng)度降水響應(yīng)強(qiáng)度不同；(2)降水脈沖效應(yīng)與土壤長(zhǎng)期經(jīng)歷的干旱狀況有關(guān),越干旱地區(qū)土壤呼吸對(duì)降水脈沖的響應(yīng)越強(qiáng)烈。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古地處歐亞大陸內(nèi)部,地域遼闊,氣候類型從東北到西南依次為東北半濕潤(rùn)區(qū)、中部半干旱區(qū)和西部干旱氣候區(qū)。在不同氣候條件下,草地植被類型形成明顯的經(jīng)度地帶性,從東到西由草甸草原向典型草原、荒漠草原過渡。草甸草原位于草原向山地針葉林過渡區(qū),土壤類型以黑鈣土為主；多年生旱生、中旱生植物群落占優(yōu)勢(shì),主要建群種有狼針草(Stipabaicalensis)和羊草(Leymuschinensis)等。典型草原分布在內(nèi)蒙古高原中部,土壤主要有暗栗鈣土和典型栗鈣土；植被群落主要由旱生性多年生草本植物組成,主要建群種包括大針茅(Stipagrandis)和羊草(Leymuschinensis)等?；哪菰植荚趦?nèi)蒙古西部,土壤主要是沙礫質(zhì)荒漠土、灰漠土和灰鈣土；植被群落主要由旱生性更強(qiáng)的多年生矮小草本植物組成,其主要建群種為小針茅(Stipaklemenzii)和沙生針茅(Stipaglareosa)等。本研究沿內(nèi)蒙古草原的東北草地樣帶,由東向西以草甸草原、典型草原和荒漠草原為研究對(duì)象,樣地基本信息及采樣點(diǎn)分布詳見表1和圖1。

表1 樣地基本信息概況

MAP: 年平均降水量 Mean annual precipitation; MAT: 年平均溫度 Mean annual temperature; OPR: 氧化還原電位Oxidation-Reduction Potential; SOC: 土壤有機(jī)碳 Soil organic carbon; a數(shù)據(jù)以平均±標(biāo)準(zhǔn)差表示(n=5：括號(hào)內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)差)

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集

圖1 研究區(qū)采樣點(diǎn)分布Fig.1 Location of the study site

土壤樣品采集于2018年7月。對(duì)各個(gè)草地類型,我們選擇地勢(shì)平坦區(qū)域設(shè)置1條100 m調(diào)查帶,間隔20 m左右設(shè)置了4個(gè)1 m × 1 m植物群落調(diào)查樣方；在去除表層凋落物后,每個(gè)樣方用土鉆依次鉆取0—10 cm的表層土5 kg。所有土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,手工挑除可見根系,過2 mm篩[34],在陰涼通風(fēng)處風(fēng)干,用于理化性質(zhì)分析及土壤呼吸測(cè)定實(shí)驗(yàn)。

2.2 室內(nèi)測(cè)定及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤含水量及土壤飽和含水量使用烘干法測(cè)定[34-35],即每種土壤隨機(jī)設(shè)4個(gè)重復(fù),稱取10 g風(fēng)干土于濾網(wǎng)中,將樣品在蒸餾水中浸泡4 h左右,然后將樣品靜置,漏下多余水分使土壤飽和,稱重后將樣品放在105 ℃烘箱中烘12 h以上,直至重量不再發(fā)生變化,取出后稱重,根據(jù)浸泡和烘干前后的重量來計(jì)算土壤飽和含水量及土壤含水量。用pH計(jì)測(cè)量土壤pH,氧化還原電位(OPR),土壤和蒸餾水的混合比例為1∶2.5,然后在振蕩器上振蕩2 h后靜置,再取上清液測(cè)定。土壤粒徑采用激光粒度儀測(cè)定,在使用30%過氧化氫和30%鹽酸去除有機(jī)物和碳酸鹽后,然后上機(jī)測(cè)試。土壤有機(jī)碳采用容量分析法測(cè)定。

風(fēng)干后的土壤樣品用于測(cè)定土壤呼吸速率,調(diào)節(jié)溫度為20 ℃,以適宜微生物的生長(zhǎng),并選擇60%飽和含水量作為土壤初始含水量。每類土壤稱取30 g置于聚乙烯塑料瓶?jī)?nèi)(直徑5 cm,高10 cm),設(shè)置4個(gè)重復(fù),土壤復(fù)濕之前先測(cè)干土的呼吸速率,然后用稱重法給土壤加水至60%飽和含水量,測(cè)定加水后48 h內(nèi)土壤呼吸速率；此外,在再濕后的1、2、4、8、12、24、26、28、30、32、34、36 h和48 h采用稱重法分別測(cè)量土壤含水量,記錄土壤含水量變化。

由于土壤微生物對(duì)降水脈沖事件的響應(yīng)通常在幾分鐘內(nèi)發(fā)生,因此采用了可以快速、高頻率測(cè)定土壤微生物呼吸速率的裝置[35]。該裝置主要包括氣體進(jìn)樣裝置、CO2起始濃度調(diào)節(jié)裝置、自動(dòng)控制裝置和紅外CO2濃度分析儀器；主要儀器Licor- 7000紅外CO2濃度分析儀、PRI- 8800土壤培養(yǎng)前處理裝置、恒溫水浴鍋和數(shù)據(jù)采集器等[34-35]。我們可利用該裝置測(cè)定所有重復(fù)樣品在48 h內(nèi)每間隔10 min的土壤微生物呼吸速率(RSoil)；在具體操作過程中,單位土壤微生物呼吸速率通過CO2濃度變化的斜率進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下：

(1)

式中,RSoil為單位土壤微生物呼吸速率(μg C g-1soil h-1),C為測(cè)試時(shí)間內(nèi)CO2濃度變化斜率,V是培養(yǎng)瓶和管線的總體積,m是培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)土壤干重(g),α是CO2氣體質(zhì)量轉(zhuǎn)化系數(shù)(由CO2到C),β是時(shí)間轉(zhuǎn)化系數(shù)(從秒到小時(shí))。

此外,為了排除土壤有機(jī)質(zhì)含量差異引起的誤差,計(jì)算了單位有機(jī)質(zhì)微生物呼吸速率。

(2)

式中,RSOC是單位有機(jī)質(zhì)微生物呼吸速率(mg C g-1SOC h-1),c是土壤有機(jī)碳含量百分比(%)。

2.3 降水脈沖效應(yīng)的表征

圖2 降水脈沖效應(yīng)過程特征值及土壤含水量變化 Fig.2 Characteristic of precipitation pulse effect and change in water content

為了更加深刻的描述降水脈沖效應(yīng)的強(qiáng)度及變化過程,提出用3個(gè)參數(shù)來刻畫降水脈沖事件中微生物呼吸速率的變化(圖2)：RSOC-max：微生物最大呼吸速率(mg C g-1SOC h-1)；脈沖效應(yīng)持續(xù)時(shí)間：突發(fā)降雨情況下,微生物呼吸速率維持在 1/3 最大土壤微生物呼吸速率之內(nèi)的時(shí)間(h)；TRSOC-max：達(dá)到最大微生物呼吸速率所用時(shí)間(h)。另外，這個(gè)過程中土壤含水量逐漸下降(圖2)。

此外，還計(jì)算了48h內(nèi)土壤微生物呼吸碳累積釋放量,根據(jù)土壤質(zhì)量,首先計(jì)算單位土壤微生物呼吸累積釋放量ARSoil,具體公式如下：

(3)

ARSoil是單位土壤微生物呼吸累計(jì)釋放量(μg C g-1soil)；ti和ti+1是前后測(cè)定的時(shí)間(h)。

由于3種草原土壤有機(jī)碳含量存在顯著性差異,為了排除有機(jī)碳含量差異的影響,我們利用土壤有機(jī)碳含量將ARSoil標(biāo)準(zhǔn)化為ARSOC,從而準(zhǔn)確定量降水脈沖事件對(duì)單位有機(jī)質(zhì)土壤微生物呼吸的影響。計(jì)算公式如下：

(4)

ARSOC是單位有機(jī)質(zhì)微生物呼吸累積釋放量(mg C g-1SOC)；c是土壤有機(jī)碳含量百分比(%)。

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用IBM SPSS Statistics 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)土樣的理化性質(zhì)、微生物呼吸速率,微生物累積呼吸量以及脈沖效應(yīng)的特征值進(jìn)行單因素方差分析,所有檢驗(yàn)顯著性水平P=0.05。采用Sigmaplot 10.0軟件及EXCEL分析軟件對(duì)微生物呼吸速率和累積分解量在48 h內(nèi)的變化作圖。

3 結(jié)果分析

3.1 降水事件對(duì)草地土壤碳釋放的脈沖效應(yīng)

由土壤在20 min內(nèi)的單位有機(jī)質(zhì)呼吸速率變化可得(圖3)，土壤復(fù)濕后，RSOC顯著提高,在3 min內(nèi)微生物呼吸開始出現(xiàn)響應(yīng),并且這種響應(yīng)過程強(qiáng)烈且快速(為了直觀地描述加水前后速率的變化，以加水時(shí)間作為起始時(shí)間0 min，-10 min為加水前測(cè)量干土呼吸速率的時(shí)刻),在這個(gè)過程中單位有機(jī)質(zhì)微生物呼吸速率快速上升,在10 min內(nèi)達(dá)到了最大值，達(dá)到最大值時(shí)間不存在顯著性差異。在復(fù)濕之前3種土壤的呼吸速率均較低,降水后3種草原土壤的RSOC-max可達(dá)到干土呼吸速率的5—15倍。從圖3中48h內(nèi)微生物呼吸變化可知,單位有機(jī)質(zhì)微生物呼吸速率達(dá)到峰值后呈指數(shù)下降,在整個(gè)試驗(yàn)期間的后12h內(nèi)，土壤微生物呼吸速率保持穩(wěn)定波動(dòng)，在此過程中單位有機(jī)質(zhì)呼吸速率保持為荒漠草原最高，草甸草原次之，典型草原最低。48 h內(nèi),3種草地類型的土壤呼吸速率下降到背景值的1—2倍。由圖3中土壤含水量/土壤飽和含水量的變化可知土壤含水量/土壤飽和含水量呈線性下降,變化幅度荒漠草原 > 草甸草原 > 典型草原。

三種土壤的降水脈沖效應(yīng)特征不同，對(duì)脈沖效應(yīng)的特征值比較分析發(fā)現(xiàn)單位有機(jī)質(zhì)微生物最大呼吸速率及降水脈沖效應(yīng)持續(xù)時(shí)間在三種草地類型間均存在顯著性差異(圖4)，其中單位有機(jī)質(zhì)微生物最大呼吸速率表現(xiàn)為,荒漠草原最大((1.58 ± 0.04) mg C g-1SOC h-1),草甸草原次之((0.73 ± 0.05) mg C g-1SOC h-1),典型草原最小((0.50 ± 0.03) mg C g-1SOC h-1)；3種草原土壤的脈沖效應(yīng)持續(xù)時(shí)間則表現(xiàn)出相反的結(jié)果,典型草原(2.5 h)> 草甸草原(1.5 h)> 荒漠草原(0.67 h)。顯著性均為P<0.05。

圖3 脈沖降水后20 min和48 h內(nèi)單位有機(jī)質(zhì)土壤微生物呼吸速率的變化以及48 h內(nèi)土壤含水量/飽和含水量的變化Fig.3 Changes in soil microbial respiration rate per unit SOC within 20 min and 48 h after pulsed precipitation and changes in soil water content / saturated water content within 48 h

3.2 降水脈沖事件對(duì)土壤微生物呼吸碳累積釋放量的影響

土壤復(fù)濕48 h內(nèi),3種草地單位土壤與單位有機(jī)質(zhì)微生物呼吸碳累積量均存在差異，其中，單位土壤微生物呼吸碳累積量表現(xiàn)為典型草原最大(55.58 μg C g-1soil),荒漠草原最小(32.22 μg C g-1soil),草甸草原與典型草原不存在顯著差異,ARSoil與土壤pH有強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤氧化還原電位(OPR)呈正相關(guān)關(guān)系。有趣的是,將ARSoil用土壤有機(jī)碳含量標(biāo)準(zhǔn)化后,發(fā)現(xiàn)ARSOC大小關(guān)系為荒漠草原(9.72 mg C g-1SOC) > 草甸草原(6.54 mg C g-1SOC) > 典型草原(3.54 mg C g-1SOC)(圖5)；這與土壤有機(jī)碳含量呈反比,并且荒漠草原ARSOC遠(yuǎn)高于典型草原和草甸草原。ARSOC存在顯著性差異(P< 0.05)。根據(jù)2017—2018年降水事件統(tǒng)計(jì),草甸草原,典型草原和荒漠草原的降雨頻次分別為52、82、34次,降雨頻率與ARSoil成正相關(guān),而與ARSOC成負(fù)相關(guān)。

圖4 三種草地類型降雨脈沖過程特征值(單位有機(jī)質(zhì)微生物最大呼吸速率及降水脈沖效應(yīng)持續(xù)時(shí)間)比較Fig.4 Characteristic values of precipitation pulses of three grassland types (maximum microbial respiration rate per unit SOC and duration of precipitation pulse effect)不同字母表示存在顯著性差異(P< 0.05

圖5 脈沖降水后48h內(nèi)三種草地類型的單位有機(jī)質(zhì)微生物呼吸碳累積量變化Fig.5 Change in microbial respiration carbon accumulation per unit SOC of three grassland types within 48 h after pulsed precipitation

4 討論

4.1 微生物呼吸對(duì)降水事件的響應(yīng)強(qiáng)烈且快速

土壤復(fù)濕后,土壤CO2釋放速率顯著增加,在10 min內(nèi)觀察到了3種草地類型的微生物呼吸峰值,且降水脈沖后的微生物呼吸速率是降水前的5—15倍,這與先前部分研究報(bào)道結(jié)果相似[32, 36]。Fierer和Schimel[20]的研究表明：土壤再濕后其呼吸速率是干土測(cè)量值的4.7—5.75倍,有的研究發(fā)現(xiàn)森林土壤在模擬降水后的呼吸速率可達(dá)到干土10—100倍[32]。同時(shí),隨著時(shí)間的推移,可利用基質(zhì)不斷被消耗,水分也快速的蒸發(fā)散失,微生物呼吸速率呈指數(shù)下降,在12 h之后保持平穩(wěn)的波動(dòng),并在48 h內(nèi)恢復(fù)到了微生物呼吸的背景水平,與Sponseler[21]的發(fā)現(xiàn)相一致。土壤微生物呼吸對(duì)脈沖降水的這種快速響應(yīng)來源于干燥時(shí)期土壤中穩(wěn)定積累的有機(jī)質(zhì),水分限制使得溶質(zhì)擴(kuò)散率降低,微生物攝取的有機(jī)質(zhì)的減少,再加上持續(xù)的胞外酶活性,導(dǎo)致土壤中可溶性有機(jī)物的增加,因此干旱促進(jìn)了土壤中有機(jī)碳庫(kù)含量的增加。而當(dāng)長(zhǎng)期干旱的土壤經(jīng)歷降水刺激后,且土壤水分含量超過土壤微生物呼吸的干旱閾值,土壤中庫(kù)存底物的擴(kuò)散性也不斷增強(qiáng),并成為微生物可用的基質(zhì)同時(shí),由于微生物的脈沖效應(yīng)迅速且短暫,在數(shù)分鐘內(nèi)呼吸速率快速增長(zhǎng),測(cè)量的時(shí)間間隔可能影響觀測(cè)到的脈沖特征值,因此,傳統(tǒng)的以小時(shí)或天尺度進(jìn)行的類似觀測(cè)很難捕捉到該特征曲線。此外,降水強(qiáng)度、土壤的干旱情況、土壤的初始水分狀況與呼吸速率的測(cè)量時(shí)間都可能會(huì)對(duì)脈沖效應(yīng)產(chǎn)生影響,在未來研究中需要加以重視。

4.2 不同草地類型土壤的降水脈沖效應(yīng)差異顯著

降水脈沖效應(yīng)在不同草地類型間存在顯著性差異?；哪菰瓎挝挥袡C(jī)質(zhì)的脈沖效應(yīng)比草甸草原和典型草原更加顯著,具體表現(xiàn)為荒漠草原單位有機(jī)質(zhì)土壤最大呼吸速率以及48 h內(nèi)單位有機(jī)質(zhì)累積碳釋放量顯著高于草甸草原和典型草原,其中,土壤有機(jī)碳含量的差異可能是上述脈沖效應(yīng)差異的重要原因。降水后,微生物可用底物的增加,加快了其土壤呼吸速率,但受土壤有機(jī)碳含量影響,不同類型草原的降水脈沖效應(yīng)強(qiáng)度存在一定差異,其中有機(jī)碳含量最低的荒漠草原的降水脈沖效應(yīng)強(qiáng)度最小。Jones和Murphy[22]在探討底物的重要性時(shí)發(fā)現(xiàn),微生物可在60 s內(nèi)對(duì)加入的底物做出反應(yīng),此外,He和Yu[37]也發(fā)現(xiàn)在草地和森林土壤中,微生物呼吸速率與底物呈指數(shù)關(guān)系,這也進(jìn)一步說明不同草地類型土壤有機(jī)質(zhì)含量的差異是影響降水后脈沖效應(yīng)的重要因素。此外,底物的化學(xué)計(jì)量比(碳氮比)也可能會(huì)影響微生物對(duì)底物分解的有效性[22, 37]。然而,由于本研究缺乏微生物生物量碳氮比與可溶性有機(jī)碳氮比的測(cè)試數(shù)據(jù),因此不能從化學(xué)計(jì)量的角度去準(zhǔn)確解釋其對(duì)底物有效性的影響。未來研究中,可以通過測(cè)量降水脈沖過程中微生物生物量碳氮比與可溶性有機(jī)碳氮比,探究底物有效性對(duì)脈沖效應(yīng)的影響。在降水脈沖事件發(fā)生后,除可用性底物增加外,微生物生物量的快速增加也能一定程度解釋脈沖效應(yīng)中呼吸速率的增加；Lundquist等人[12]研究發(fā)現(xiàn)隨著微生物生物量的增加,呼吸正向增加。此外,有研究顯示微生物的生長(zhǎng)與最初的呼吸脈沖并不耦合[38],本研究也發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量較低的荒漠草原其在降水事件后,達(dá)到呼吸峰值所用時(shí)間也僅為幾分鐘,說明微生物呼吸作用的增強(qiáng)可能來源于微生物生物量的增加,本研究有關(guān)ARSOC的結(jié)果表明荒漠草原在48 h內(nèi)微生物呼吸累積量最高,因此可推測(cè)初始階段微生物生物量與其呼吸是正相關(guān)增加的,但仍需求未來實(shí)驗(yàn)大量測(cè)定微生物生物量變化數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

3種類型草地在土壤復(fù)濕后脈沖效應(yīng)持續(xù)時(shí)間差異顯著,其中典型草原持續(xù)時(shí)間顯著高于草甸草原和荒漠草原。原因在于脈沖效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間主要受土壤碳、氮含量以及土壤質(zhì)地等因素的影響。較多有機(jī)質(zhì)以及砂粒含量更少的土壤,脈沖效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間可能更長(zhǎng)。Wang等[32]發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量較高的天然林比次生林的脈沖持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。Kaiser等[39]的研究表明粘粒含量高的土壤比高沙粒含量的土壤失去水分的速度慢,微生物有更多的時(shí)間適應(yīng)或響應(yīng)土壤含水量的下降。本文中荒漠草原土壤具有較高的砂粒含量(表1),失去水分的速度更快,脈沖效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間較短,而典型草原相比草甸草原具有更高的土壤有機(jī)碳和全氮含量,脈沖效應(yīng)的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

4.3 有機(jī)質(zhì)含量、干旱程度共同影響了微生物呼吸對(duì)降水脈沖事件的響應(yīng)

土壤有機(jī)質(zhì)含量影響微生物呼吸對(duì)降水脈沖事件的響應(yīng)。降水后單位土壤微生物的最大呼吸速率以及單位土壤累積碳釋放量的結(jié)果顯示,典型草原土壤對(duì)于再濕的響應(yīng)最為強(qiáng)烈,草甸草原次之,而荒漠草原最低?？紤]到脈沖效應(yīng)與土壤中可用基質(zhì)密切相關(guān),我們測(cè)量了土壤本底有機(jī)碳含量,發(fā)現(xiàn)3種草地類型RSoil-max結(jié)果與有機(jī)碳含量一致,典型草原有機(jī)碳含量高于草甸草原,荒漠草原有機(jī)碳含量最低。現(xiàn)有研究表明微生物的呼吸速率與底物呈正相關(guān)關(guān)系[23, 31],部分研究結(jié)果顯示微生物呼吸速率與底物呈指數(shù)關(guān)系[37]。本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量較低的荒漠草原單位有機(jī)質(zhì)土壤呼吸累積釋放量ARSOC顯著高于有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高的草甸草原與典型草原,進(jìn)一步揭示了土壤有機(jī)質(zhì)含量是降水脈沖效應(yīng)的重要影響因素。

此外,降水前的土壤干旱狀況和降雨頻率也會(huì)影響土壤CO2釋放。干旱一段時(shí)間后的土壤會(huì)對(duì)降水產(chǎn)生快速?gòu)?qiáng)烈的響應(yīng),但是其響應(yīng)強(qiáng)度與干旱時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系并未得到驗(yàn)證。我們發(fā)現(xiàn)2017—2018年降水次數(shù)為典型草原(82)>草甸草原(52)>荒漠草原(34),降雨次數(shù)最少的荒漠草原ARSOC最高,而降雨頻率最高的典型草原ARSOC最低,據(jù)此可推測(cè)干旱時(shí)間越長(zhǎng)、降水頻率越低的地區(qū),土壤對(duì)突發(fā)降水的反應(yīng)越強(qiáng)烈。由于不同地區(qū)的微生物對(duì)資源的獲取策略不同,干旱時(shí)期由于缺少食物,微生物一般選擇休眠并積累胞內(nèi)滲透溶質(zhì)來應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境,而不同氣候區(qū)的微生物在經(jīng)歷不同的干-濕循環(huán)后,可能對(duì)水分形成了不同的機(jī)制。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生降水事件時(shí),干旱區(qū)微生物相對(duì)于濕潤(rùn)區(qū)微生物的響應(yīng)更為強(qiáng)烈,呼吸速率變化幅度更大,且在48h內(nèi)的碳累積釋放量也最大,因此,干旱區(qū)的微生物可能形成特殊的干旱-水分適應(yīng)機(jī)制(“聰明”的微生物),當(dāng)經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間干旱后,面對(duì)突發(fā)降水這一“來之不易”的水資源,能迅速適應(yīng)土壤水分的變化,充分利用短期內(nèi)快速增加的資源進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖； Ellen等的研究也表明微生物能夠在短時(shí)間尺度上適應(yīng)土壤水分的變化[25],這是微生物應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境所采取的生存策略。有關(guān)三類草原在達(dá)到峰值后呼吸速率下降的幅度顯示,荒漠草原微生物呼吸速率降低的幅度最大,且48 h內(nèi)荒漠草原的微生物對(duì)水分的利用最徹底,這可能是由于荒漠草原在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間干旱后微生物的再濕后生長(zhǎng)模式發(fā)生改變[25-26],即隨著干旱程度的增加,微生物對(duì)脈沖式降水的響應(yīng)增強(qiáng),碳累積釋放量也隨之增加。因此,未來研究應(yīng)重視土壤的干旱程度對(duì)降水脈沖效應(yīng)的影響[21, 38]。

4.4 降水脈沖效應(yīng)的研究展望

降水脈沖效應(yīng)作為影響土壤碳氮循環(huán)的關(guān)鍵過程,其內(nèi)在控制機(jī)制以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的貢獻(xiàn)等還遠(yuǎn)未弄清。微生物對(duì)降水脈沖事件響應(yīng)的強(qiáng)烈程度和持續(xù)時(shí)間與降雨的強(qiáng)度、土壤初始水分狀況和降雨前土壤干旱持續(xù)時(shí)間等密切相關(guān)。本文研究了不同草地類型土壤對(duì)降水脈沖的響應(yīng)過程,并定性分析了土壤有機(jī)質(zhì)含量和干旱程度對(duì)降水脈沖事件的影響。相對(duì)于其他研究,我們利用自主研發(fā)的微生物呼吸速率自動(dòng)測(cè)定裝置,實(shí)現(xiàn)了每個(gè)樣品快速高頻測(cè)定(第一次3 min,隨后每隔10 min測(cè)量一次)[35],從而揭示了微生物呼吸速率在降水后的短期動(dòng)態(tài)變化,既大大提高實(shí)驗(yàn)效率,也為未來探討類似科學(xué)問題提供了堅(jiān)實(shí)的方法學(xué)基礎(chǔ)。當(dāng)然,除了干旱程度外,土壤其他理化性質(zhì)、土壤碳氮比(C∶N比)、土壤微生物類群及微生物量等也會(huì)一定程度影響降水事件的脈沖效應(yīng)；然而,如何量化這些因素的影響,需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。自然界中土壤水分處于不斷變化的狀態(tài),目前有關(guān)不同降水強(qiáng)度對(duì)土壤脈沖效應(yīng)影響的研究相對(duì)較少,未來亟須加強(qiáng)這一方面的研究工作。此外,土壤干旱和再濕是一個(gè)反復(fù)的過程,降水不連續(xù)和不同強(qiáng)度導(dǎo)致了土壤干燥和再濕過程的復(fù)雜性,雖然學(xué)者們針對(duì)關(guān)于干燥-再濕循環(huán)的過程開展了大量的研究工作,并在一定程度上揭示了干旱程度以及降水強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)分解的影響,但這些研究大多采用堿液吸收法在日尺度或間隔幾個(gè)小時(shí)測(cè)定土壤呼吸速率,不能準(zhǔn)確地捕捉到短暫的脈沖效應(yīng)[40]。因此,未來有關(guān)干濕交替的研究應(yīng)注重實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn),同時(shí)開展多頻度脈沖效應(yīng)效應(yīng)的比對(duì)實(shí)驗(yàn)[8, 24]。在研究?jī)?nèi)容和研究對(duì)象方面,未來可從區(qū)域尺度的探討多個(gè)草地和森林樣點(diǎn)的降水脈沖變化規(guī)律,研究經(jīng)度地帶性規(guī)律或土壤有機(jī)質(zhì)梯度變化的影響等；同時(shí),也通過可以增加對(duì)脈沖過程中基質(zhì)有效碳氮的測(cè)量與微生物生物量的測(cè)定,進(jìn)一步解析微生物對(duì)脈沖效應(yīng)的響應(yīng)機(jī)理。

5 結(jié)論

降水事件對(duì)土壤CO2釋放的脈沖效應(yīng),對(duì)該地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤碳循環(huán)以及土壤碳平衡具有重要意義。本文利用自主研發(fā)的土壤微生物呼吸速率測(cè)定裝置,初步探究了內(nèi)蒙古3種不同類型草地土壤的降水脈沖效應(yīng),發(fā)現(xiàn)草甸草原,典型草原和荒漠草原降水脈沖效應(yīng)快速而強(qiáng)烈,其中土壤基質(zhì)含量和干旱程度(降水頻率)等是降水脈沖效應(yīng)的重要影響因素。其研究思路和研究技術(shù)方法可為未來從全國(guó)范圍開展相關(guān)研究提供方法和基礎(chǔ)理論的儲(chǔ)備。未來應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)研究,以深入揭示降水脈沖效應(yīng)的時(shí)空格局及其控制機(jī)制,并闡明降水脈沖效應(yīng)對(duì)干旱和半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的重要作用。