脈沖降水和凋落物對溫性草原土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)的影響

關(guān)鍵詞：脈沖效應(yīng);凋落物添加;土壤碳礦化;激發(fā)效應(yīng);青海湖

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，全球土壤中的碳儲量是植被中的2～3倍，土壤碳儲量的變化對全球碳收支和生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的穩(wěn)定性具有重要意義[1]。土壤呼吸是由陸生植物根系固定的CO2返回大氣的主要途徑，其釋放的CO2 占整個生態(tài)系統(tǒng)呼吸總量的60%～90%[2]。土壤呼吸中釋放的CO2 約一半以上來自異養(yǎng)微生物對土壤有機(jī)質(zhì)（Soilorganicmatter，SOM）的分解作用，在其分解作用下有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO2 的過程稱為土壤有機(jī)碳礦化（又稱土壤微生物呼吸）[3]。SOM 的分解速率由土壤溫度和水分條件、有機(jī)物組成、土壤化學(xué)和物理特性共同調(diào)控。增溫通過改變土壤微生物代謝活性或群落組成促進(jìn)土壤有機(jī)碳（Soilorganiccarbon，SOC）礦化，代景忠等[4]發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)前7d的土壤碳礦化速率隨溫度升高，最高可增加9倍以上。黃耀等[5]則研究發(fā)現(xiàn)，20℃及以下SOC分解速率受到限制，0℃時增溫將會促進(jìn)礦化，而25℃及以上則對SOC礦化產(chǎn)生不利影響。土壤水分直接影響SOC礦化，過高或過低的土壤含水量均會抑制土壤微生物活性從而降低礦化速率，適宜的土壤含水量則可以促進(jìn)SOC分解[6]。大量研究表明，不同生物質(zhì)炭添加對土壤原有有機(jī)碳礦化的影響均呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的規(guī)律[7]。土壤化學(xué)和物理特性對土壤有機(jī)碳礦化分解的影響主要源自于土壤顆粒組成及各土層孔隙度的變化[8]，黏粒含量高，則土壤孔隙度相對較小、通氣性差，可以減緩有機(jī)碳的礦化[9]。作為調(diào)控全球氣候變化的關(guān)鍵因子，土壤微生物呼吸的微小變化，都可能引起CO2 濃度變化，進(jìn)而影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和碳收支，導(dǎo)致全球氣溫和降水格局發(fā)生改變[10]。因此，量化土壤碳礦化及其激發(fā)效應(yīng)在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中的作用極為關(guān)鍵。

降水事件是碳循環(huán)的重要驅(qū)動因素，干旱會導(dǎo)致微生物活性和土壤呼吸降低，而隨后的復(fù)濕又會刺激微生物的生物量和活性，從土壤中釋放出大量的氣態(tài)C、N，如CO2、氧化亞氮和甲烷，這一過程稱為“Birch效應(yīng)”，即降水脈沖效應(yīng)[11]，可以用兩種驅(qū)動機(jī)制解釋：其物理機(jī)制是土壤微生物迅速消耗因土壤團(tuán)聚體破壞后所暴露的SOM[12];其生理機(jī)制是指微生物產(chǎn)生的相容溶質(zhì)在細(xì)胞中積累，以在干旱壓力下保持滲透壓平衡，防止細(xì)胞膜破裂[13]。脈沖式降水導(dǎo)致土壤復(fù)濕，為微生物進(jìn)入基質(zhì)提供了理想的水膜連通條件，從而激發(fā)大量的土壤CO2 脈沖排放[14]。全球氣候模型預(yù)測未來的降水模式將發(fā)生變化[15]，土壤將面臨更多的干燥/濕潤循環(huán)，從而影響C、N 循環(huán)及土壤—大氣間的溫室氣體交換。目前針對脈沖式降水對土壤碳礦化的影響已有較多研究，較為一致的觀點(diǎn)認(rèn)為降水事件后土壤碳礦化速率顯著增高[16]，且C的礦化率隨著降水脈沖循環(huán)次數(shù)的增加而下降[17]。Xiang等[18]研究發(fā)現(xiàn)重新濕潤干燥的土壤會產(chǎn)生大量脈沖，第一次復(fù)濕產(chǎn)生的脈沖最大，表層和次表層土壤降水脈沖分別為33.30和5.70μg·g-1，且降水脈沖的大小隨時間推移而下降。類似的，陳洋洋等[19]發(fā)現(xiàn)每次復(fù)水和排水后土壤有機(jī)碳礦化均出現(xiàn)顯著的脈沖效應(yīng)，SOC礦化速率和累積礦化量分別提高了72.09%和128.48%，這種脈沖效應(yīng)隨著干濕交替次數(shù)增多逐步減弱。也有研究表明，反復(fù)的干濕循環(huán)后出現(xiàn)了持續(xù)的呼吸高峰[20]，同時，脈沖式降水頻率可能會對有機(jī)物庫的流通產(chǎn)生抑制作用，從而使得SOC的礦化作用對干濕循環(huán)表現(xiàn)為中立甚至是消極響應(yīng)[21]。脈沖式降水主要通過影響土壤水分、可溶性養(yǎng)分、結(jié)構(gòu)、微生物群落組成等方面來改變SOC礦化[6，22]，微生物呼吸速率在數(shù)十分鐘內(nèi)即可達(dá)到峰值[23]，但當(dāng)前研究普遍采集頻率低、周期長，缺少對土壤C排放變化特征的快速、連續(xù)測量，且對土壤理化性質(zhì)等相關(guān)的機(jī)理性分析也較為匱乏。

近幾十年來，SOC的固存在減緩氣候變化的影響因素中變得尤為重要，有機(jī)質(zhì)輸入是調(diào)節(jié)有機(jī)碳庫的重要因子[24]。凋落物的輸入與SOM 的分解是全球C循環(huán)的重要組成部分，外源有機(jī)質(zhì)的輸入將在短時期內(nèi)改變土壤有機(jī)碳礦化過程，導(dǎo)致原土壤SOC的分解增加，產(chǎn)生土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng)（Primingeffects，PE）[25]。研究表明，土壤養(yǎng)分循環(huán)與C循環(huán)之間存在由微生物介導(dǎo)的密切聯(lián)系，但在不同植被或土壤類型的研究中，凋落物添加所引發(fā)的激發(fā)效應(yīng)方向與強(qiáng)度在存在顯著差異。張向茹等[26]發(fā)現(xiàn)添加凋落物后礦化速率在初期較髙且迅速減小，后期較低且保持穩(wěn)定。王曉峰等[27]報(bào)道，在培養(yǎng)前期添加杉木凋落物后表層和深層土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)效應(yīng)分別為49.60%和421.70%。Gao等[28]研究發(fā)現(xiàn)，凋落物的增加大大促進(jìn)了C 的礦化，但礦化強(qiáng)度受土壤濕度的調(diào)節(jié)。也有研究表明凋落物的輸入對土壤有機(jī)碳累積礦化量的影響不存在顯著差異[29]，有的甚至抑制原有SOM 的分解產(chǎn)生負(fù)激發(fā)效應(yīng)[30]。SOC礦化速率受C的不同來源（葉片和根系凋落物、木屑、土壤有機(jī)質(zhì)）及其特定環(huán)境條件（土壤含水量、溫度、基質(zhì)的理化性質(zhì)）的聯(lián)合控制[24]。Marianne 等[31] 通過對田間條件下13C和15N 標(biāo)記的凋落物分解的研究，發(fā)現(xiàn)在土壤干燥—再濕潤的循環(huán)中，凋落物產(chǎn)生的CO2 在潮濕期間明顯高于干燥期間。然而，在經(jīng)歷頻繁干濕循環(huán)的土壤條件下，來自凋落物分解的SOC礦化速率及激發(fā)效應(yīng)對脈沖式降水的響應(yīng)仍存在不確定性，且大多數(shù)關(guān)于全球變化對生態(tài)系統(tǒng)影響的研究主要集中在單一驅(qū)動因素[32]。為了提高模型預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)對全球環(huán)境變化響應(yīng)的能力，需要對這些因素之間的相互作用進(jìn)行更多的實(shí)證研究。因此，在未來極端氣候的影響下，研究脈沖式降水和凋落物輸入對土壤碳礦化及其激發(fā)效應(yīng)規(guī)律的耦合影響有助于深入認(rèn)識草原生態(tài)系統(tǒng)的C和養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制。

青藏高原東北部的青海湖流域具有獨(dú)特的地理位置和重要的生態(tài)屏障功能，是研究氣候變化背景下青藏高原草地土壤C循環(huán)的理想場所。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已對脈沖式降水和外源有機(jī)質(zhì)添加對于土壤C礦化速率的影響展開了深入研究，然而這些研究主要集中于N，P等不同養(yǎng)分添加對土壤碳激發(fā)效應(yīng)的方向和強(qiáng)度[33]、降水脈沖對溫室氣體排放的影響[34]以及土壤微生物響應(yīng)過程[35]等方面。而凋落物添加對降水脈沖下的土壤C 礦化及其激發(fā)效應(yīng)的影響，尤其是對青海湖流域溫性草原土壤的影響機(jī)制尚不明確。鑒于此，本研究以青海湖流域溫性草原為研究對象，通過室內(nèi)孵育試驗(yàn)，研究脈沖式降水、凋落物添加及兩者交互作用對土壤有機(jī)碳礦化、激發(fā)效應(yīng)的影響，并探討在不同降水脈沖和外源性有機(jī)質(zhì)輸入條件下土壤有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)與不同土壤環(huán)境因子的關(guān)系，從而為青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)碳源/匯轉(zhuǎn)化及調(diào)控提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

采樣點(diǎn)位于青海湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站———江西溝分站（36°55'70″N，100°54'96″E）。江西溝實(shí)驗(yàn)站位于青海省海南藏族自治州共和縣，海拔約3312m，氣候類型屬高原大陸性氣候，多年平均氣溫和降水量分別為0.5℃和394.5mm。全年日照3004.9h，絕對無霜期47d。研究區(qū)域草地類型屬于溫性草原，賴草（Leymussecalinus）、冰草（Agropyroncristatum ）為優(yōu)勢物種，伴生種為垂穗披堿草（Elymusnutans）、早熟禾（Poaannua）、披針葉黃華（Thermopsislanceolata）、阿爾泰狗娃花（Heteropappusaltaicus）、脹果棘豆（Oxytropisstracheyana）等，土壤類型為栗鈣土。

1.2 土壤和凋落物采集

2023年4月，在江西溝站實(shí)驗(yàn)樣地，隨機(jī)設(shè)置20個采集點(diǎn)，在每個小區(qū)內(nèi)采用“5點(diǎn)混合法”取樣（土鉆直徑4.2cm，取樣深度0～10cm），將每個小區(qū)采集的土壤樣品混合為1個樣品，4次重復(fù)。過2mm 土壤篩后分為兩份，其中一份用于土壤碳礦化及其激發(fā)效應(yīng)測定實(shí)驗(yàn);其余土壤樣品將用于理化性質(zhì)分析測定。

采集江西溝典型溫性草原未退化草地兩種優(yōu)勢物種枯落物：賴草和冰草，兩種植物根據(jù)重量等比例混勻，用剪刀剪短至2mm 長（以避免葉凋落物的物理大小對研究結(jié)果產(chǎn)生影響），并置于70℃的烘箱中烘干至恒重，用于凋落物添加試驗(yàn)。

1.3 室內(nèi)孵育試驗(yàn)設(shè)計(jì)

土壤培養(yǎng)前，先使用烘干法測定土壤含水量和田間最大持水量（Waterholdingcapacity，WHC）;由于土壤微生物在20℃左右具有較好的生存繁殖條件，同時較高或較低的水分均不利于微生物的生存，因此選擇20℃及65%飽和含水量作為微生物培養(yǎng)條件。共計(jì)4個處理：（1）對照（CK）;（2）脈沖式降水處理（P）;（3）凋落物添加處理（L）;（4）脈沖式降水和凋落物添加聯(lián)合處理（L+P），每個處理4次重復(fù)。

首先稱取35g風(fēng)干土（達(dá)到無微生物活性的風(fēng)干條件，即5%WHC）的鮮土放入具有開放頂部的培養(yǎng)瓶（材質(zhì)聚乙烯，直徑5cm，高10cm）內(nèi)，隨后在L和L+P處理的培養(yǎng)瓶中分別添加2g凋落物（凋落物添加量為土壤有機(jī)碳的10%），使之與土壤充分混勻，然后將所有處理中的風(fēng)干土壤重新潤濕至微生物活性的最佳含水量（即65%WHC）并置于20℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)10d以重新激活微生物，其間定期添加去離子水，使土壤含水率保持在田間最大持水量的65%。隨后開始孵育試驗(yàn)。整個實(shí)驗(yàn)所有樣品均放置在恒溫20℃的水槽中，共設(shè)2次脈沖式降水試驗(yàn)：分別在孵育的第1，8d在P和L+P處理的培養(yǎng)瓶中進(jìn)行降水試驗(yàn)。脈沖式降水試驗(yàn)采用稱重法給土壤加水至65%飽和含水量，具體操作為：在復(fù)濕過程中，使用自動移液槍以圓周運(yùn)動的方式滴加去離子水，在一分鐘內(nèi)將土壤濕潤到65%WHC，以確保濕潤均勻。另設(shè)對照處理（CK）不添加凋落物也不進(jìn)行脈沖式降水。

在孵育試驗(yàn)的第0，8和14d采集土壤樣品測定理化性質(zhì)。用pH 計(jì)測量土壤pH 值，土壤和蒸餾水的混合比例為1∶2.5，然后在振蕩器上振蕩2h后靜置，再取上層清液測定。采用電導(dǎo)率儀測定電導(dǎo)率，土壤和蒸餾水的混合比例為1∶5。微生物量碳（MBC）、微生物量氮（MBN）采用氯仿熏蒸法-K2SO4 浸提法。在連續(xù)流動注射分析儀上測定浸提液中的硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）含量。

由于土壤碳礦化速率和激發(fā)效應(yīng)對降水脈沖事件的響應(yīng)通常在幾分鐘內(nèi)發(fā)生，因此采用了連續(xù)測定裝置———土壤呼吸全自動變溫模擬與測定系統(tǒng)（圖1）。該裝置主要包括氣體進(jìn)樣裝置、氣體起始濃度調(diào)節(jié)裝置、自動控制裝置和CO2 濃度/同位素分析儀器;主要儀器包括二氧化碳同位素氣體分析儀（CCIA-36d-EP，美國）、土壤培養(yǎng)前處理裝置（PRI-8800，北京普瑞億科科技有限公司）、恒溫水浴鍋和數(shù)據(jù)采集器等[36]，數(shù)據(jù)采集頻率為1Hz。土壤微生物呼吸速率通過CO2 濃度變化的斜率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：RSoil為單位土壤微生物呼吸速率（μg·g-1），C 為測試時間內(nèi)CO2濃度變化斜率，V 是培養(yǎng)瓶和管線的總體積，m 是培養(yǎng)瓶內(nèi)土壤干重（g），α 是CO2氣體質(zhì)量轉(zhuǎn)化系數(shù)，β是時間轉(zhuǎn)化系數(shù)。

土壤有機(jī)碳累積礦化量（mg·g-1）為從培養(yǎng)開始到某個時間點(diǎn)釋放的CO2-C之和;兩個時間段之間的累積礦化量為兩個時間段的平均釋放速率與兩個時間段間隔天數(shù)的乘積。

添加凋落物后的激發(fā)效應(yīng)的計(jì)算：

式中：PE 為土壤有機(jī)碳礦化的激發(fā)效應(yīng);CO2-Ct 為添加枯落物后土壤有機(jī)碳累積礦化量（mg·kg-1）;CO2-Ccontrol為未添加枯落物的土壤有機(jī)碳累積礦化量（mg·kg-1）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用雙因素方差分析（Two-wayANOVA）檢驗(yàn)脈沖式降水和凋落物添加兩個因子及其交互作用對土壤碳礦化速率、累計(jì)碳礦化量、PE以及土壤理化性質(zhì)的影響。利用重復(fù)測量方差分析（RepeatedmeasuresANOVA）檢驗(yàn)脈沖式降水和凋落物添加處理、培養(yǎng)時間及其交互作用對土壤碳礦化、土壤理化性質(zhì)的影響。土壤碳礦化速率、PE與其主要影響因素的相關(guān)性運(yùn)用Person相關(guān)分析方法進(jìn)行分析。顯著性檢驗(yàn)采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行多重比較，差異顯著水平為Plt;0.05。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS25軟件，顯著性水平α=0.05，置信區(qū)間為95%。繪圖在Origin9.0和Excel軟件中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 脈沖式降水和凋落物添加對土壤有機(jī)碳礦化的影響

由土壤在脈沖式降水48h內(nèi)的單位有機(jī)碳礦化速率變化可得（圖2），在復(fù)濕后，土壤碳礦化出現(xiàn)明顯激發(fā)效應(yīng)，在脈沖式降水（P）處理中，土壤于10h到達(dá)碳礦化峰值，在脈沖式降水和凋落物聯(lián)合處理（L+P）中，土壤達(dá)到碳礦化峰值的時間則縮短了50%。兩種處理下單位有機(jī)碳礦化速率達(dá)到峰值后均迅速下降，P處理下土壤碳礦化速率于脈沖后15h穩(wěn)定波動，并恢復(fù)到脈沖前碳礦化水平;而L+P處理使得脈沖式降水后碳礦化速率提高了10.91%，波動明顯。

脈沖式降水和添加凋落物處理及其交互作用均影響了溫性草原土壤有機(jī)碳礦化速率（圖3）。在非添加處理時（CK），單位土壤有機(jī)碳礦化速率隨培養(yǎng)時間的延長逐漸降低。在添加凋落物處理時（L），土壤碳礦化速率呈先升后降的趨勢，在第7d達(dá)到峰值后波動下降。P處理總體上呈先迅速上升后緩慢下降趨勢，但碳礦化速率對第1次脈沖式降水反應(yīng)程度顯著大于第2次降水。L+P處理表現(xiàn)出顯著上升趨勢，但第1次脈沖式降水后其碳礦化速率顯著上升，第2次降水后先緩慢上升，達(dá)到峰值后波動下降。由圖4可知，CK，P，L 和L+P聯(lián)合處理下，溫性草原土壤碳礦化速率均值分別為3.12，3.81，3.62 和4.72μg·g-1，且差異顯著（P lt;0.05），L+Pgt;Pgt;Lgt;CK。與對照相比，P，L以及L+P聯(lián)合處理分別使得土壤有機(jī)碳礦化速率提高了22.25%，16.16%以及51.47%，L+P處理對土壤碳礦化的正激發(fā)效應(yīng)顯著高于P及L處理。

2.2 脈沖式降水和凋落物添加對土壤有機(jī)碳礦化累積量與激發(fā)效應(yīng)的影響

如圖5所示，在培育期間，除L處理外，其余處理均對土壤有機(jī)碳礦化累積量產(chǎn)生極顯著影響（Plt;0.01）。具體表現(xiàn)為L+P處理最大67.88mg·g-1，CK處理最小43.23mg·g-1，L，P處理不存在顯著性差異50.74mg·g-1，53.74mg·g-1，且L+P處理使得土壤C多釋放了24.65mg·g-1。4種處理均持續(xù)升高，且第1次脈沖式降水后，不同處理間的差異較小，第2次脈沖式降水后，L+P聯(lián)合處理下的土壤有機(jī)碳礦化累積量迅速上升，顯著高于其他處理。與對照相比，P，L和L+P聯(lián)合處理分別使得土壤有機(jī)碳礦化累積量提高了24.32%，17.38% 以及57.02%，與單位土壤有機(jī)碳礦化速率變化趨勢一致。

重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明，L處理和L+P處理均對PE產(chǎn)生極顯著影響，且存在顯著性差異（Plt;0.01）。如圖6所示，L處理下的PE介于0.11～0.72mg·kg-1，L+P處理下介于0.99～2.01mg·kg-1，且均隨培養(yǎng)天數(shù)推移呈波動上升趨勢。L+P處理下的激發(fā)效應(yīng)顯著高于L處理，波動幅度也更為明顯。與L處理相比，第1次降水脈沖和第2次降水脈沖分別使得PE提高了230.72%和209.38%。脈沖式降水后的PE最高值均出現(xiàn)在第5d，隨后開始下降，且最低值均為起始培育背景值。

2.3 脈沖式降水和凋落物添加對土壤理化性質(zhì)的影響

重復(fù)測量方差分析顯示（表1），不同處理對所有土壤環(huán)境因子均產(chǎn)生極顯著影響（Plt;0.01），培養(yǎng)時間對除pH 值、電導(dǎo)率和銨態(tài)氮以外的其他土壤理化性質(zhì)均產(chǎn)生極顯著影響（Plt;0.01），處理和時間的交互作用對除pH 值以外的其他土壤理化性質(zhì)均產(chǎn)生極顯著影響（Plt;0.01）。與CK相比，P和L處理及其二者交互作用分別使溫性草原土壤pH 值，電導(dǎo)率，MBC，MBN，NH4+-N，NO3--N含量產(chǎn)生不同程度的變化（表2）。L，P處理均提高了土壤pH 值，但P處理未達(dá)到顯著性水平，二者交互作用則顯著降低了pH值（Plt;0.05）。3種處理均降低了土壤電導(dǎo)率，但L處理的影響不顯著。不同處理下MBC含量均顯著提高（Plt;0.05），L，P及L+P處理分別使MBC含量提高了192.06%，12.43%和480.18%。與CK相比，凋落物添加處理（L處理和L+P處理）提高了MBN、NO3--N含量，L處理使 MBN、NO3--N 分別提高了146.32%和14.74%，而L+P處理使 MBN，NO3--N分別提高了482.13%和28.61%，同時顯著降低了NH4+-N含量;而 P處理則顯著提高了44.74%的NH4+-N（Plt;0.05）（表2）。

2.4 土壤碳礦化速率及激發(fā)效應(yīng)與環(huán)境因子的相關(guān)性

由表3可知，在培育期間，CK處理下溫性草原土壤有機(jī)碳礦化速率與pH值，電導(dǎo)率和 NH4+-N均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，與 MBC，MBN，NO3--N均呈正相關(guān)關(guān)系，其中與NH4+-N達(dá)到顯著性相關(guān)水平（Plt;0.05），其余不顯著。凋落物添加處理下土壤碳礦化速率與土壤pH值、NO3--N存在顯著正相關(guān)（Plt;0.05）;與MBC、MBN存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但L處理不顯著。L處理土壤碳礦化速率與電導(dǎo)率和 NH4+-N存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，L+P處理則表現(xiàn)出相反趨勢，其礦化速率與電導(dǎo)率顯著正相關(guān)（Plt;0.05），相關(guān)系數(shù)為0.998，與NH4+-N也存在正相關(guān)關(guān)系，但不顯著。P處理下土壤碳礦化速率與 MBC，NO3--N存在顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.05），相關(guān)系數(shù)為-0.998，與電導(dǎo)率、MBN 呈負(fù)相關(guān)，與pH值、NH4+-N呈正相關(guān)，但均不顯著。環(huán)境因子與PE的相關(guān)性和碳礦化速率較為一致，L處理下PE 與MBC、MBN 顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.998和-1.000，與pH 值顯著正相關(guān)（Plt;0.05），相關(guān)系數(shù)為0.997;L+P處理下PE與MBC顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.997，與電導(dǎo)率和 NH4+-N顯著正相關(guān)（Plt;0.05），相關(guān)系數(shù)為0.999和0.998。

3 討論

3.1 脈沖式降水和凋落物對土壤碳礦化作用及激發(fā)效應(yīng)的影響

水分含量和養(yǎng)分供應(yīng)是解釋微生物資源限制的關(guān)鍵因素[37]。脈沖式降水和凋落物添加均能通過影響SOM 底物利用效率對有機(jī)碳礦化速率產(chǎn)生顯著影響，從而進(jìn)一步影響有機(jī)碳激發(fā)效應(yīng)。本研究中，L，P和L+P聯(lián)合處理分別使得溫性草原土壤原有有機(jī)碳礦化速率增加了22.25%，16.16% 和51.47%。由“Birch效應(yīng)”引起的土壤水分可利用性的變化將對微生物活性和土壤C 的利用和分解產(chǎn)生重要影響。本研究顯示，脈沖式降水引起的干燥—再濕潤循環(huán)增強(qiáng)了土壤碳礦化，可能是由于死亡的微生物在脈沖式降水中由于水壓的變化、土壤團(tuán)聚體的破裂以及干濕循環(huán)期間細(xì)胞呼吸的酶活性的解耦而釋放胞內(nèi)滲透液[38]，使得基質(zhì)可用于微生物呼吸，從而促進(jìn)了礦化作用。這與高雅曉玲等[39]研究發(fā)現(xiàn)的土壤在經(jīng)歷干燥期復(fù)水后碳礦化速率明顯增大的結(jié)果基本一致。外源性有機(jī)質(zhì)的添加可以為微生物提供礦質(zhì)營養(yǎng)，誘發(fā)土壤原有有機(jī)碳的分解，引發(fā)激發(fā)效應(yīng)[27]。這與本研究中L處理下土壤有機(jī)碳礦化速率及其累計(jì)礦化量均顯著提高且存在顯著正激發(fā)效應(yīng)的結(jié)果一致。類似的，陳甜等[40]研究發(fā)現(xiàn)，添加葉凋落物能夠顯著提高土壤總CO2 釋放量，正激發(fā)效應(yīng)值為68%～128%。目前關(guān)于凋落物激發(fā)效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制主要為“共同代謝”和“N挖掘”理論：一是凋落物向微生物提供了更多營養(yǎng)物質(zhì)，從而促進(jìn)微生物分解外源性有機(jī)質(zhì)和土壤原有有機(jī)碳;二是凋落物提高了微生物數(shù)量和活性，為了滿足自身生長，微生物會不斷尋求更多的營養(yǎng)物質(zhì)，從而提高了碳礦化[41]。添加外源性有機(jī)質(zhì)使得脈沖式降水后微生物迅速激活并生長，微生物可獲取更豐富的底物資源，從而更快的釋放CO2，碳礦化速率在短時間內(nèi)迅速達(dá)到峰值[42]。這與本文觀察到的L+P聯(lián)合處理下土壤碳礦化速率顯著高于L、P單一處理，且更快達(dá)到峰值的現(xiàn)象一致。

本團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)顯示，第1次降水脈沖和第2次降水脈沖分別使得土壤有機(jī)碳礦化激發(fā)速率提高了230.72%和209.38%，與Zhang等[43]的研究中表層土壤CO2 通量在試驗(yàn)期間隨復(fù)濕頻率的增加而減小的結(jié)論一致。Mikha等[44]也研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)第一周期呼吸率大于其他周期。這是由于干濕循環(huán)破壞了土壤結(jié)構(gòu)，增加了底物有利用性，在最初的降水脈沖后，隨著底物的消耗，呼吸速率將會逐漸下降，最終回到土壤起始背景水平。在沒有經(jīng)歷過這種機(jī)械破壞的土壤中，第1次濕潤更易破壞團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，因此有機(jī)碳礦化會對第1次降水脈沖產(chǎn)生更強(qiáng)烈的反饋。除了物理破壞外，SOM 的使用還受限于C向微生物的緩慢遷移。土壤中的化學(xué)“粘性”環(huán)境使得這種遷移無法維持微生物的養(yǎng)分供應(yīng)，土壤中潛在可利用C庫受限[45];當(dāng)土壤復(fù)濕后，SOM隨著水分的流動重新分配，使微生物再次獲得可利用的SOM，當(dāng)土壤干燥后，這種供應(yīng)再次停止，碳礦化速率降至較低水平;然而每次降水脈沖都會平衡土壤中的可溶性C，使得其中一部分C被使用，因此隨著降水頻率的增加，脈沖的大小將持續(xù)且緩慢的下降，與Wu等[46]得出的結(jié)果相同。

有研究表明，降水脈沖對碳礦化速率的激發(fā)效應(yīng)呈指數(shù)型趨勢下降，于10min后達(dá)到最大值，僅在2d內(nèi)便恢復(fù)到其背景水平[47]。但在我們的研究中，經(jīng)歷降水脈沖后的土壤，其升高的有機(jī)碳礦化速率持續(xù)了7d。這可能是由于更活躍的微生物群落、底物、胞外酶和微生物庫連同其對干旱的抵抗性增強(qiáng)的共同作用限制了呼吸，使其持續(xù)時間更長[48]。

3.2 土壤碳礦化及激發(fā)效應(yīng)與環(huán)境因子的關(guān)系

脈沖式降水和外源性有機(jī)質(zhì)添加誘導(dǎo)的土壤有機(jī)碳礦化及激發(fā)效應(yīng)的方向和強(qiáng)度與pH 值、微生物生物量和無機(jī)氮含量有關(guān)。在本試驗(yàn)中，L處理下的土壤pH 值顯著提高，且土壤碳礦化和PE 均與pH 值呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。王越等[49]研究也發(fā)現(xiàn)土壤pH 值在毛竹和闊葉林凋落物添加處理下顯著提高。這是由于植物凋落物積累的有機(jī)陰離子增加了土壤堿度，這些有機(jī)陰離子可通過羧基的脫羧作用及與H+ 的結(jié)合[50]，增加土壤pH 值。而土壤微生物對pH 值的變化非常敏感，α-變形菌綱，β-變形菌綱和腐生螺旋菌綱的相對豐度均與土壤pH值呈正相關(guān)[51]，L處理通過影響土壤pH 值提高了β-變形菌綱的豐度，增加了易降解C，從而促進(jìn)了C礦化和激發(fā)效應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn)，微生物生物量與C礦化和激發(fā)效應(yīng)均呈顯著負(fù)相關(guān)，與梅孔燦[52]研究發(fā)現(xiàn)的培養(yǎng)35d時馬尾松林土壤碳礦化激發(fā)效應(yīng)與土壤MBN 含量呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)果基本一致。一個可能的原因是隨著培養(yǎng)時間的增加，由于底物被利用耗盡或受N 素限制，以細(xì)菌為主的微生物逐漸死亡，為其余細(xì)菌、放線菌的生長提供了大量富N 的生物殘?bào)w，從而促進(jìn)外源性有機(jī)質(zhì)的周轉(zhuǎn)和釋放[53]。N 元素是限制植物生長的重要因子之一，N 在土壤中的利用有效性的高低往往決定著土壤肥力。本試驗(yàn)中，P 處理下的碳礦化速率與NO3--N含量顯著負(fù)相關(guān)，而 L+P 處理下則與NO3--N含量顯著正相關(guān)，可能是由于土壤養(yǎng)分有效性限制了土壤C礦化，凋落物添加緩解了土壤N養(yǎng)分限制，促使微生物通過“N 挖掘”提高對SOM的利用效率，從而增強(qiáng)對SOM 的礦化。

4 結(jié)論

本研究通過室內(nèi)孵育試驗(yàn)，研究脈沖式降水（0～2次）、凋落物添加處理（添加或不添加凋落物）及兩者交互作用對青海湖流域溫性草原土壤有機(jī)碳礦化、激發(fā)效應(yīng)的影響，并探討在不同降水脈沖和外源性有機(jī)質(zhì)輸入條件下土壤有機(jī)碳礦化速率及激發(fā)效應(yīng)與不同土壤環(huán)境因子的關(guān)系。結(jié)果表明，溫性草原土壤有機(jī)碳礦化速率對脈沖式降水和凋落物聯(lián)合添加處理比單一降水或凋落物添加處理的響應(yīng)更為迅速強(qiáng)烈，且隨著降水脈沖頻次增加，土壤碳礦化速率及激發(fā)效應(yīng)均趨于穩(wěn)定。同時，更頻繁的降水事件導(dǎo)致了更小的碳礦化脈沖，這表明微生物對這些干濕循環(huán)條件下的耐受性隨脈沖降水事件頻率的增加而提升，導(dǎo)致脈沖更加難以被捕捉。

不同處理對所有土壤環(huán)境因子均產(chǎn)生極顯著影響，脈沖式降水和凋落物添加可能是通過影響土壤pH值，電導(dǎo)率，NH4+-N，NO3--N含量，并提升微生物生物量，從而顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳礦化速率和激發(fā)效應(yīng)。水分變化和養(yǎng)分添加及其交互作用引起的青海湖流域溫性草原土壤C 釋放正激發(fā)作用會增強(qiáng)其C 源強(qiáng)度。未來應(yīng)加強(qiáng)脈沖式降水頻率、強(qiáng)度、凋落物質(zhì)量、性質(zhì)等耦合研究，以深入揭示水分變化和養(yǎng)分添加的變化閾值及其控制機(jī)制，并闡明脈沖式降水和凋落物激發(fā)效應(yīng)對寒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)C循環(huán)過程的關(guān)鍵作用。