應(yīng)用案例
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[1]研究背景
在整個(gè)熱帶生態(tài)系統(tǒng)中,全球環(huán)境變化導(dǎo)致氣候更加干燥,養(yǎng)分沉積增加。由于干旱和養(yǎng)分有效性之間的相互作用,在控制生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)方面,這些變化代表了巨大的不確定性。
全球環(huán)境變化正在使熱帶地區(qū)正在變得越來越干燥,從而影響熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)力。對潮濕和熱帶干旱森林(TDF)的觀測研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),干旱可能會(huì)增加樹木死亡率,降低地上生物量生產(chǎn)力,減少種子和花朵的產(chǎn)量,并增加高木材密度和落葉樹種的豐度。總的來說,生態(tài)系統(tǒng)正在隨著持續(xù)的氣候變化而變化。然而,熱帶森林如何應(yīng)對干旱取決于其他環(huán)境因素,如土壤肥力、火災(zāi)發(fā)生等。計(jì)算這些環(huán)境變量如何調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)對干旱的反應(yīng),將提高我們對碳循環(huán)影響全球環(huán)境變化的認(rèn)識(shí)。
本文介紹了一項(xiàng)由英美多個(gè)大學(xué)參與的大規(guī)模受控實(shí)驗(yàn),研究森林生產(chǎn)力對土壤肥力的敏感反應(yīng),以及TDF樹種對土壤水分減少的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)對象為哥斯達(dá)黎加熱帶干旱林中多年未管理混合種植園中六種樹木,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,使用了四個(gè)受控因子,即對照(CN)、施肥(F)、干旱(D)和干旱+施肥(D+F)。
【注】降水排除實(shí)驗(yàn)是指使用安裝塑料板防止高達(dá)60%的降雨進(jìn)入土壤的實(shí)驗(yàn),旨在模擬降水減少的情況。
[2]實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)在哥斯達(dá)黎加西北部(10.711°n,85.578°W)的Estación實(shí)驗(yàn)森林地平線(以下簡稱地平線)進(jìn)行了四年(2016-2020年)(圖1),年總降雨量平均約為1547毫米,分別為1439毫米(2016年)、2201毫米(2017年)、992毫米(2018年)、919毫米(2019年)和2186毫米(2020年)。
圖1
左:哥斯達(dá)黎加西北部通過施肥/降水排除試驗(yàn)的地理位置和布局;右:30歲的大葉Swietenia macrophylla King的降水排除實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖片
在實(shí)驗(yàn)之前,種植園已經(jīng)有25年沒有接受任何管理(施肥、修剪藤本植物、砍伐等),林下植被為多樣化群落。從種植中選擇了6個(gè)樹種,采取了以樹木為中心的方法來定位地塊,每個(gè)樹種至少有六個(gè)個(gè)體,每個(gè)地塊至少有12棵樹。在每個(gè)樣地中,配備四個(gè)EM50土壤濕度探頭數(shù)據(jù)記錄器在實(shí)驗(yàn)期間以30分鐘的頻率記錄土壤濕度。
為了分析土壤微生物碳素利用效率(CUE),在2019年8月的雨季從每個(gè)樣地收集了10個(gè)土壤樣本(直徑5cm,深度15cm),并將其均質(zhì)化為每個(gè)樣地一個(gè)土壤樣本。研究人員使用13C-葡萄糖示蹤法分析樣品:用葡萄糖溶液將每次田間處理的額外土壤樣品進(jìn)行定量潤濕;不添加葡萄糖培養(yǎng)的土壤樣品作為額外的對照組:添加相同量去離子的土壤樣品作為未修正的對照組。使土壤樣品與水或基質(zhì)溶液充分混合,并在室溫下孵育一周。在此期間,從樣品瓶頂部空間通過隔膜提取氣體樣品并將其插入12ml的小樣品瓶中,每隔一天測定13CO2和總CO2的產(chǎn)生。采集氣體樣本后,打開罐子約20分鐘,以便進(jìn)行氣體交換。之后使用Picarro G2201-i碳同位素分析儀對CO2氣體濃度和13C同位素進(jìn)行測試。通過質(zhì)量平衡法計(jì)算葡萄糖和土壤有機(jī)物衍生的CO2–C。微生物CUE計(jì)算為基質(zhì)衍生的生物碳除以消耗的總碳(即基質(zhì)衍生的碳與生物炭之和),激發(fā)效應(yīng)為接受基質(zhì)溶液與接受水的實(shí)驗(yàn)對象中土壤有機(jī)質(zhì)CO2-C之差。
圖2
2019年雨季中,對照(Control)、施肥(F)、干旱(D)和干旱加施肥(D+F)中的微生物碳利用效率(CUE)和實(shí)驗(yàn)室復(fù)濕和非復(fù)濕樣本之間的對數(shù)響應(yīng)比ln(RR)。
圖a)顯示了具有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)誤差(n=4)的平均響應(yīng)的條形圖,圖b)顯示了實(shí)驗(yàn)處理之間的相互作用圖。
與對照地塊相比,干旱和施肥地塊土壤中的CUE高出約38%(上圖左)。當(dāng)土壤在實(shí)驗(yàn)室中重新濕潤時(shí),CUE在干旱和施肥處理下均表現(xiàn)出負(fù)面反應(yīng)(上圖右)。CUE和ln(RR)的實(shí)驗(yàn)處理之間存在相互作用效應(yīng),表明對干旱的不同反應(yīng)取決于養(yǎng)分的可用性以及干旱地塊的復(fù)濕對CUE的負(fù)面影響。土壤激發(fā)效應(yīng)同樣受到重新濕潤的影響,在所有處理中,保持在田間土壤濕度的土壤都表現(xiàn)出負(fù)激發(fā)。在實(shí)驗(yàn)室中重新濕潤土壤導(dǎo)致干旱地塊中的土壤碳激發(fā)效應(yīng)更明顯,但在施肥地塊中沒有這個(gè)表現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,受控降水排除導(dǎo)致的干旱對樹木造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。相比之下,對類似的干旱條件下的樹木做施肥處理,生長和生存狀況都更好了。同時(shí),實(shí)驗(yàn)還表明不同的樹種對于干旱和營養(yǎng)變化的響應(yīng)是不同的,有些樹種表現(xiàn)得很耐受,而有些樹種則更容易受到影響??傊?,這項(xiàng)研究明確揭示出干旱和營養(yǎng)變化對熱帶干林樹種的影響,為今后的生態(tài)保護(hù)提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),這也為推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展提供了有益參考。
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原文鏈接:https://doi.org/10.5194/bg-2022-203
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