生物因素对土壤呼吸及温度敏感性影响的机理研究

土壤呼吸对温度变化的敏感性是个重要的参数，在很大程度上影响对当前陆地生态系统碳循环和碳蓄积的估算精度。但土壤呼吸温度敏感性在理论研究与实际运用中存在自相矛盾的地方：模型中普遍认为周转率快的碳库具有较高的温度敏感性，但普遍被接受的观点却是有机质越难分解温度敏感性越高。最近两年的研究表明土壤微生物的种群结构和土壤矿物颗粒对有机质的物理保护作用也会显著影响土壤呼吸的温度敏感性。从土壤团聚体结构和生物化学反应的机理出发，提出假说认为在有机质分解初期呼吸底物有效性是决定土壤呼吸温度敏感性的主要因素，在分解后期则是难分解有机质起主导作用。本项目拟以青藏高原典型生态系统为研究对象，结合野外试验和室内培育实验综合研究土壤微生物种群结构、分解酶活性、呼吸底物有效性和有机质质量等生物因素和土壤颗粒对有机质的物理保护作用对土壤有机质分解速率及其温度敏感性的影响及其机理。该项目将有助于理解控制全球碳循环的机制。

在生态系统碳、氮循环模型中土壤呼吸的温度敏感性（Q10）是个非常重要的参数，对Q10赋值的大小会极大地高估或者低估土壤呼吸速率和模型输出结果的可靠性，进而影响到陆地生态系统碳源汇状态的评估。但有关土壤呼吸温度敏感性的研究结果十分复杂，对结果的解释也千差万别. 本项目以青藏高原典型生态系统为研究对象，结合野外实验和室内培养的方法，通过测定土壤微生物种群结构、有机质质量、底物有效性和分解酶活性的动态变化，探讨各种生物因素影响有机质分解温度敏感性的生态学机理；整合生物因素和环境因素对有机质分解温度敏感性的影响，为全面、深入认识陆地生态系统碳循环提供理论基础。.通过系统采样和数据分析，我们发现青藏高原植被生产力和土壤有机质含量的限制性因素是土壤含水量，而不是先前所认为的土壤温度。土壤含水量可以解释46%的生物量变异，而年均温和年均降雨量仅能解释23%和15%的变异。此外结合年均降雨量和土壤含水量，水分可以解释高达86%的生物量变异。由于土壤温度与植被生物量之间是抛物线性关系，我们认为未来全球变暖会进一步降低土壤含水量，进而影响到植被的生产力。.受此影响，青藏高原的土壤呼吸速率在较大的空间尺度上也是由土壤含水量来决定的。我们发现土壤呼吸速率与土壤含水量之间呈正相关关系，但与土壤温度见却存在负相关关系。主成份分析结果表明，土壤水分可以解释68.9%的土壤呼吸变异，而土壤温度则只能解释20.3%的变异。虽然有多达10个因素会显著地影响土壤呼吸速率，但逐步回归结果显示，土壤呼吸主要受小环境的影响，比如生物量和土壤含水量。土壤温度虽然显著地影响土壤呼吸速率，但只能解释0.5%的变异。与此相反，土壤含水量却可以解释高达35%的土壤呼吸变异。因此我们认为青藏高原的土壤呼吸也是受土壤含水量限制的。