中科院 | SBB:干旱和净初级生产力(NPP)限制青藏高原草地微生物死亡残体对土壤有机碳的贡献度

2021
05/25

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微生态
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本研究首次在青藏高原这一敏感气候区,通过实际测量与文献结合的方式,明确微生物死亡残体碳对土壤有机碳积累的贡献度,并对其机理进行深刻解析,对于研究该区域尺度上微生物对土壤有机碳积累具有重要意义,为深入研究全球变化大背景下碳氮循环提供理论支持。



导读  

微生物死亡残体碳(MNC)是土壤有机碳(SOC)储存的关键,然而大尺度上MNC积累的调控机制尚不清楚。本文提供了第一批基于氨基糖的青藏高原高寒草地这一区域尺度上MNC数据,研究发现青藏高原草地具有与蒙古草原和其他草原相似的微生物生物量碳(MBC),但土壤有机碳中MNC浓度却低于后者,其主要原因是青藏高原草地干旱程度高以及净初级生产力低,该研究结果表明气候与植物对MNC区域尺度上的累积具有显著影响。


 

论文ID


 

名:Aridity and NPP constrain contribution of microbial necromass to soil organic carbon in the Qinghai-Tibet alpine grasslands

干旱和净初级生产力(NPP)限制青藏高原草地微生物死亡残体对土壤有机碳的贡献度

期刊Soil Biology and Biochemistry

IF:5.795

发表时间:2021.03.11

通讯作者:冯晓娟

通讯作者单位:中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室


实验设计


该实验选取28个青藏高原草原实验点包括高寒草甸草原(Kobresia pygmaeaKobresia humilisKobresia tibetica为优势种)、高寒草原(Stipa purpureaCarex IanceolataStipa subsessiliflora为优势种)和高寒荒漠草原(Oxytropis ochrocephala为优势种),海拔3066-5418 m,年均温为-4.0℃到7.8℃之间,年平均降水量147-446 mm。所有实验点进行表层土壤(0-10 cm)取样,取样后进行土壤有机碳(SOC)、氨基糖含量、微生物生物量碳含量(MBC)、净初级生产力(NPP)、pH、土壤粘粒含量、SOC/N值、水溶性有机碳含量(WEOC)和无机氮含量(IN)的测定。通过查阅文献,文中提供了公开发表的另外4个青藏高原草原、60个蒙古草原和72个其他草原实验点土壤和气候资料与实际测量的28个青藏高原草原实验点数据进行比较分析。各参数数据量分布如下表所示:



结果与讨论


青藏高原草地具有更高或相似的土壤有机碳含量,但氨基糖的SOC标准化浓度较低,与蒙古草原(503.9±17.0mg g-1 SOC)和其他草原(607.9±15.5mg g-1 SOC)的MNC浓度相比,青藏高原草地MNC浓度仅为343.4±34.1mg g-1 SOCp<0.05;图1a-c),说明高寒草原MNC对土壤有机碳贡献度低。青藏高原草地土壤微生物生物量碳的SOC标准化浓度与其他草原的相近(图1d),所以MNCMBC比值按照青藏高原草地、蒙古草原和其他草原依次显著增加(p<0.05;图1e)。以上结果说明青藏高原高寒草地土壤的MNC累积系数最低,这可能与微生物周转率慢和/或微生物残体保留量低有关。
 

图1 不同草原表层土壤有机碳含量(SOC,a)、氨基糖含量(b)、微生物死亡残体浓度(MNC,c)、微生物生物量碳含量(MBC,d)和MNC与MBC比值(e)。
 
通过对MNC/MBC值和环境变量进行皮尔逊相关分析,可以确定青藏高原草地和蒙古草原MNC/MBC值较低的原因(图2),在所有草原中,MNC/MBC值与干旱指数(年平均降雨量与潜在蒸腾量的比值)、NPP和土壤粘粒含量呈正相关(p<0.05;图2a-c),表明通过提供水和能量(比如NPP)和/或提高粘性土壤微生物残体的保留量来提高微生物周转率可以增加MNC累积量。另外,土壤pH较低也可能更有利于真菌生长,导致真菌死亡残体累积量更稳定地增加和较高的MNC/MBC值(p<0.05;图2d)。值得注意的是,为了进行回归分析对数据进行自然对数或平方根转换,所以MNC/MBC值与干旱指数、NPP和土壤粘粒含量不存在线性关系。
 

图2 不同草原土壤MNC/MBC值与干旱指数(a)、净初级生产力(NPP,b)、土壤粘粒含量(c)、pH(d)、土壤有机碳与总氮比值(SOC/N,e)、水溶性有机碳与无机氮比值(WEOC/IN,f)和年均温(g)之间的关系。
 
偏相关分析表明,在控制其他变量的情况下,所有草地MNC/MBC值仍与干旱指数呈正相关(表1),但在控制干旱指数情况下,所有变量对MNC/MBC值均无显著影响,表明干旱对各草原MNC积累系数具有主导性作用。这一结果解释了相对干旱的青藏高原草地和蒙古草原(干旱系数为0.39±0.01)的MNC/MBC值比其他地区草原(干旱系数为0.64±0.03)更低的原因(图2a)。
除干旱指数外,青藏高原草地和蒙古草原MNC/MBC值与NPP也存在显著正相关关系(p<0.05;图2a,b)。由于NPP与干旱指数存在相关性(p<0.05;图S3),所以在控制NPP时进行偏相关分析的结果显示干旱指数不再与MNC/MBC值相关(表1),这表明在青藏高原草地和蒙古草原NPPMNC/MBC值的主导作用强于干旱指数(表1),且这一结果已经通过不同干旱草地土壤MNC/MBC值与NPP进行比较相关分析结果得到证实(详见SI讨论和图S5)。此外,低温会抑制微生物活性和氮矿化,潜在刺激微生物在氮限制时对富氮微生物死亡残体再利用,所以温度抑制微生物周转率和/或氮限制抑制MNC保留量可能同样是青藏高原草地和蒙古草原MNC水平偏低的原因。然而,青藏高原草地和蒙古草原MNC/MBC值与包括SOC/NWEOC/IN和年均温(MAT)在内的氮限制相关参数均没有相关关系(p>0.05;图2e-g)。这就说明氮限制和温度抑制微生物周转并不是青藏高原草地和蒙古草原MNC水平偏低的原因。
 
表1 环境变量与草原土壤MNC/MBC值之间偏相关分析的r值(p<0.05)


为了验证上述对草原土壤中环境因素对MNC/MBC值的调控作用,采用结构方程模型(SEM)定量分析MNC/MBC值与环境变量之间的相互作用关系,该模型由一个MNC/MBC值和其他驱动因子(图S3)之间已知影响关系的先验模型(图S4)发展而来。SEM结果卡方检验不显著(p>0.05)、比较拟合指数(CFI>0.95)较高以及均方根近似误差(RMSEA<0.1)较低等都显示该模型对数据具有良好拟合度。SEM显示干旱指数和NPP分别是影响所有草原(图3a)和青藏高原草地与蒙古草原(图3bMNC/MBC值的直接和主导因素。年均温通过影响青藏高原草地和蒙古草原NPP间接影响MNC/MBC值。这些结果表明,NPP而非年均温是青藏高原草原MNC累积系数的限制因素,导致MNC对土壤有机碳的贡献度比温带草原小。另外,本应由初级生产力推动的土壤“微生物碳泵”在高寒草地缺乏有机质和植物能量供应的条件下效率较低。
 

图3 所有草原(a)和青藏高原草地与蒙古草原(b)MNC/MBC值与环境变量之间的级联关系。

结论


综上所述,与其他草原相比,青藏高原高寒草地由于受到低NPP直接影响和低年均温与高气候性干旱度的间接影响,导致MNC对土壤有机碳贡献度较低。全球变暖情况下土壤干旱程度普遍加深,这将会抑制土壤“微生物碳泵”过程,同时在气候变化下,青藏高原草地出现绿化现象(NPP增加)。未来我们将深入研究在青藏高原这一气候敏感地区,MNC累积如何对干旱和植物生长增加做出反应。


评论


本研究首次在青藏高原这一敏感气候区,通过实际测量与文献结合的方式,明确微生物死亡残体碳对土壤有机碳积累的贡献度,并对其机理进行深刻解析,对于研究该区域尺度上微生物对土壤有机碳积累具有重要意义,为深入研究全球变化大背景下碳氮循环提供理论支持。


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关键词:
贡献度,中科院,生产力,微生物,土壤

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