摘要
以微生物分解有机质为特征的土壤有机碳矿化过程是全球碳循环的关键环节，这是一个受气候因子（温度、水分）、土壤因子（底物有效性、理化性质）及土壤微生物和胞外酶活性等多因子交互作用的复杂过程。过往研究多关注了单因子、单地点或者小样线尺度的影响与变化，导致关于土壤有机碳矿化的空间变异机理研究的结论仍存在较大的不确定性。为了回答土壤有机碳矿化的空间差异状况及影响机制、土壤有机碳库性质（年龄和数量）的影响两个科学问题，本研究采用改进的动态碱液吸收技术（CO2高效捕获），分别通过室内测定中国北方温带干旱半干旱草地土壤和野外原位观测两个地点（沈阳、海伦）撂荒草地和裸地土壤的有机碳矿化速率，旨在量化中国北方草地土壤有机碳矿化沿气候梯度的空间变化，解析干旱指数(AI)与土壤有机碳矿化速率和微生物代谢参数的相关关系，阐明土壤有机碳库矿化速率随地点和时间的变化机理，研究结果将为深入理解未来气候变化背景下土壤碳库的动态变化、全球碳循环过程的准确模拟和预测提供新数据和新思路。主要结果如下: 1.中国北方草地土壤有机碳矿化速率在不同草原和土壤类型间呈现显著的空间差异。在东西跨度3200km的温带干旱半干旱草原样线尺度上，自西向东沿荒漠、荒漠草原、典型草原不同生境类型，分别对应沙土、灰漠土及栗钙土等三种土壤类型和不同的年均降水阈值(＜150mm、150～270mm、＞270mm)，土壤有机碳矿化速率呈逐渐上升的趋势。土壤有机碳矿化速率在荒漠生境中的变幅为0.46～0.81μg CO2-C g-1Soil h-1(CV=12.5％)，在荒漠草原生境中的变幅为0.85～0.98μg CO2-C g-1Soil h-1(CV=13.3％)，在典型草原生境中的变幅为0.78～2.09μg CO2-C g-1Soil h-1(CV=30％)。年均降水量的变化对不同生境中土壤有机碳矿化速率变异的解释作用最大;此外，土壤有机碳含量和地上净初级生产力也对其变异有重要贡献。 2.沿上述草原样线，干旱指数(AI)与土壤有机碳矿化速率和微生物代谢指标关系差异明显。土壤基础呼吸速率与干旱指数呈非线性相关关系，其阈值为干旱指数AI=0.13;当AI＞0.13时，两者呈显著负相关关系（P≤0.05），而当AI＜0.13时，两者相关关系不显著。其他土壤微生物代谢指标，包括诱导呼吸速率(SIR)、土壤微生物呼吸熵(qCO2)以及土壤中微生物熵(MBC∶SOC)分别以AI=0.10，0.17，0.17为阈值，与AI呈非线性相关关系。在此样线尺度上，土壤微生物受底物碳限制的程度与底物数量之间存在显著负相关关系。 3.不同土壤碳库的矿化速率在地点和时间上具有显著差异，但其矿化速率与土壤有机碳库年龄无相关关系。两地土壤有机碳矿化呈明显的季节动态，随季节变化均呈现先增加后降低的趋势，在夏季8月份最大，秋季10月份最低。另外，纬度不同的两地点间，土壤有机碳矿化速率存在显著差异，低纬度地点（沈阳）略高于高纬度地点（海伦）。相同地点，撂荒草地与裸地土壤有机碳矿化速率变化幅度基本一致，撂荒草地仅比裸地高7％，差异不显著，这说明不能仅依靠土壤有机碳库年龄就对其矿化速率进行推断;另对各地点，撂荒草地和裸地中的土壤化学指标（可溶性有机碳、土壤有机碳活性碳组分与惰性碳组分的比值）、土壤物理指标（土壤团聚体结构）及土壤微生物指标（微生物生物量、微生物呼吸熵及碳限制因子）进行分析发现，撂荒草地与裸地间均存在差异，但均不能对撂荒草地与裸地两者有机碳矿化速率基本一致的现象进行解释。这说明土壤有机碳库的数量（撂荒地土壤有机碳含量、微生物生物量、可溶性有机碳均高于裸地）及年龄（撂荒草地14C为870年，裸地为1380年）并不是土壤有机碳矿化的主控因素，土壤有机碳矿化是由土壤微生物主导的，受土壤质地等多因素协同作用的影响。 上述研究结果表明，我国北方草地土壤有机碳矿化速率沿气候梯度呈西低东高趋势，这种空间差异模式可由基于微生物代谢假说提出的碳限制因子、呼吸熵和微生物熵与干旱指数关系来解释。土壤有机碳库年龄不是其矿化速率的主控因子，撂荒草地和裸地土壤有机碳矿化速率的微小差异主要是由土壤微生物主导的，并受土壤质地等多因素的协同影响。上述研究结果的取得，进一步加深了对土壤有机碳矿化的认识和理解，为确定全球气候变化与土壤碳循环间的反馈关系提供了新的思路。
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