應用案例

Picarro G2201-i（降水與施肥對熱帶干旱森林樹木的影響）

發(fā)表時間：2024-04-17

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[1]研究背景

在整個熱帶生態(tài)系統中，全球環(huán)境變化導致氣候更加干燥，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)系統凈初級生產力（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)系統的初級生產力。對潮濕和熱帶干旱森林（TDF）的觀測研究結果發(fā)現，干旱可能會增加樹木死亡率，降低地上生物量生產力，減少種子和花朵的產量，并增加高木材密度和落葉樹種的豐度?？偟膩碚f，生態(tài)系統正在隨著持續(xù)的氣候變化而變化。然而，熱帶森林如何應對干旱取決于其他環(huán)境因素，如土壤肥力、火災發(fā)生等。計算這些環(huán)境變量如何調節(jié)生態(tài)系統對干旱的反應，將提高我們對碳循環(huán)影響全球環(huán)境變化的認識。

本文介紹了一項由英美多個大學參與的大規(guī)模受控實驗，研究森林生產力對土壤肥力的敏感反應，以及TDF樹種對土壤水分減少的反應。實驗對象為哥斯達黎加熱帶干旱林中多年未管理混合種植園中六種樹木，實驗設計中，使用了四個受控因子，即對照（CN）、施肥（F）、干旱（D）和干旱+施肥（D+F）。

【注】降水排除實驗是指使用安裝塑料板防止高達60%的降雨進入土壤的實驗，旨在模擬降水減少的情況。

[2]實驗方法

實驗在哥斯達黎加西北部（10.711°n，85.578°W）的Estación實驗森林地平線（以下簡稱地平線）進行了四年（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：哥斯達黎加西北部通過施肥/降水排除試驗的地理位置和布局；右：30歲的大葉Swietenia macrophylla King的降水排除實驗結構圖片

在實驗之前，種植園已經有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個樹種，采取了以樹木為中心的方法來定位地塊，每個樹種至少有六個個體，每個地塊至少有12棵樹。在每個樣地中，配備四個EM50土壤濕度探頭數據記錄器在實驗期間以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月的雨季從每個樣地收集了10個土壤樣本（直徑5cm，深度15cm），并將其均質化為每個樣地一個土壤樣本。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的產生。采集氣體樣本后，打開罐子約20分鐘，以便進行氣體交換。之后使用Picarro G2201-i碳同位素分析儀對CO₂氣體濃度和¹³C同位素進行測試。通過質量平衡法計算葡萄糖和土壤有機物衍生的CO₂–C。微生物CUE計算為基質衍生的生物碳除以消耗的總碳（即基質衍生的碳與生物炭之和），激發(fā)效應為接受基質溶液與接受水的實驗對象中土壤有機質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）和實驗室復濕和非復濕樣本之間的對數響應比ln（RR）。

圖a）顯示了具有相關標準誤差（n=4）的平均響應的條形圖，圖b）顯示了實驗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）。當土壤在實驗室中重新濕潤時，CUE在干旱和施肥處理下均表現出負面反應（上圖右）。CUE和ln（RR）的實驗處理之間存在相互作用效應，表明對干旱的不同反應取決于養(yǎng)分的可用性以及干旱地塊的復濕對CUE的負面影響。土壤激發(fā)效應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出負激發(fā)。在實驗室中重新濕潤土壤導致干旱地塊中的土壤碳激發(fā)效應更明顯，但在施肥地塊中沒有這個表現。

實驗的結果表明，受控降水排除導致的干旱對樹木造成了嚴重的負面影響。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，實驗還表明不同的樹種對于干旱和營養(yǎng)變化的響應是不同的，有些樹種表現得很耐受，而有些樹種則更容易受到影響?？傊?，這項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)保護提供了寶貴的實踐經驗，這也為推動可持續(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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