Picarro G2201-i（降水與施肥對熱帶干旱森林樹木的影響）

在整個熱帶生態(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?？偟膩碚f，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。

本文介紹了一項由英美多個大學(xué)參與的大規(guī)模受控實驗，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)。實驗對象為哥斯達(dá)黎加熱帶干旱林中多年未管理混合種植園中六種樹木，實驗設(shè)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(dá)60%的降雨進(jìn)入土壤的實驗，旨在模擬降水減少的情況。

實驗在哥斯達(dá)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(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(jié)構(gòu)圖片

在實驗之前，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(shù)據(jù)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(zhì)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(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)量平衡法計算葡萄糖和土壤有機(jī)物衍生的CO₂–C。微生物CUE計算為基質(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)溶液與接受水的實驗對象中土壤有機(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）和實驗室復(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(dāng)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(xiàn)出負(fù)面反應(yīng)（上圖右）。CUE和ln（RR）的實驗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)。在實驗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表現(xiàn)。

實驗的結(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，實驗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)提供了寶貴的實踐經(jīng)驗，這也為推動可持續(xù)發(fā)展提供了有益參考。

原文鏈接：https://doi.org/10.5194/bg-2022-203 

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