论文总字数：15990字

目 录

摘要 1

Abstract 2

引言 3

1.材料与方法 4

1.1 取样地点概况 4

1.2 实验设计 4

1.3 土壤微生物呼吸测定 4

1.4 土壤酶活性测定 5

1.5 数据分析 5

2.结果与分析 5

2.1土壤微生物呼吸的时间变异性 5

2.2 土壤微生物呼吸与模拟酸雨pH及温度的关系 6

2.3 土壤微生物呼吸与土壤酶活性的关系 8

3.讨论 10

3.1 温度对森林土壤微生物呼吸的影响 10

3.2 模拟酸雨对森林土壤微生物呼吸的影响 10

3.3 土壤微生物呼吸与土壤酶活性 11

4.结论 12

参考文献 12

致谢 15

模拟酸雨及温度对森林土壤微生物呼吸的影响

石椿珺

, China

Abstract： In order to investigate the effects of different temperature and acid rain conditions on forest soil microbial respiration, we performed an indoor incubation experiment with the soil samples taken from the Longwangshan. The experiment set up four simulated acid rain treatments, which are the CK(pH=6.3)、A1(pH=4.0)、A2(pH=3.0)、A3(pH=2.0). Each simulated acid rain treatment was set with five temperature treatment, and each treatment was set with 3 replicates. We used a portable soil CO₂ fluxes system to measure soil respiration in the due time, measuring soil microbial respiration under different simulated acid rain and temperature treatments and enzymatic activity. How soil microbial respiration link with soil enzymatic activity was also measured at the end of the indoor incubation experiment. Results showed that the difference of the accumulative soil microbial respiration under different temperature conditions could be highly significant(P＜0.001). The accumulative soil microbial respiration increased with the increase of the temperature on the same simulated acid rain treatment, and a highly significant(P＜0.001) difference of the accumulative soil microbial respiration at different time could be observed. The temperature sensitivity of soil microbial respiration on the first day after incubation was close to the last day after incubation. The relationship between soil microbial respiration and invertase activity, and between soil microbial respiration and catalase activity could be explained by a highly significant linear regression function, but there was no significant relevance between soil microbial respiration and soil urease activities.

Key words: acid rain; temperature; soil microbial respiration; enzymatic activity

引言

受到大量化石燃料燃烧等人类活动的影响，二氧化碳、甲烷、氟利昂等温室气体被排入大气。这些温室气体在大气中吸收来自地面的长波辐射，使地表的热量散发受到阻碍，从而导致全球变暖。全球变暖能引起气候异常、冰川融化等现象，可能对生态系统造成破坏，影响人类生存，因此日益成为人们研究的热点。CO₂是排放到大气的温室气体中占比最大的气体，在温室气体中起主要作用，引起气候变暖。CO₂浓度的升高不仅影响植物的光合作用和生理生长，还与陆地生态系统的土壤碳循环过程有密切联系^[1]。酸雨是另一个引起人们关注并着手研究的严重的环境污染问题，酸雨能够破坏和影响生态系统和各类建筑物，对人体健康也会造成伤害。人类活动排放更多的二氧化硫气体和氮氧化物进入大气，造成包含我国在内的东南亚地区逐渐变为全球第三大酸雨区^[2]。

森林在生态系统中起重要作用，是陆地生态系统的重要组成部分，其土壤呼吸对生态系统碳循环有重要的调节作用。土壤呼吸是地球化学循环重要的碳通量过程^[3]，是表征土壤质量和土壤肥力的重要指标，可影响土壤碳释放及大气中碳平衡，也可反映生态系统受到环境变化的影响。温度和酸雨均可对森林生态系统产生影响，温度变化会影响酶活性，从而影响森林土壤微生物的呼吸作用。有研究表明，温度是土壤微生物呼吸的主要影响因子^[4]，土壤微生物呼吸在排除其他的限制因子影响的情况下，随着温度逐渐升高，其温度敏感性会出现逐渐下降的趋势^[5]。酸雨对森林生态系统的影响有直接影响和间接影响：直接影响是指酸雨可以破坏叶面蜡质,使叶片枯萎死亡，并破坏其呼吸代谢、光合作用等生理功能^[6,7]；间接影响是酸雨落地渗入土壤后，改变了土壤的化学性质和营养结构，如土壤盐基淋失、森林病虫害、铝的活性增加、过量氮沉降等^[8-10]，从而影响土壤微生物呼吸和有机物分解^[2,11]。

国内外学者设计了不同的增温实验以研究了解全球变暖对生态系统中物质循环和能量流动的影响，张卫建等^[12]研究了土壤微生物对温度变化的响应规律，发现温度升高一定程度上促进了土壤微生物的活性。Wan等^[13]研究了温度升高对土壤碳循环的影响，发现增温使植物的碳水化合物的消耗加快，促进了植物的光合作用。另外，关于酸雨成因、危害及其防治的研究已开展近半个世纪，张萍华等^[14]研究发现，模拟酸雨对白术根际的土壤酶活性有明显的抑制作用。酸雨还会影响森林凋落物的分解和化感物质的释放^[15]，从而间接对土壤酶活性产生影响。目前关于森林土壤呼吸的研究仍较薄弱，探索并研究森林土壤碳循环，了解其调控机理，对于森林的养护、经营等方面具有十分积极而重要的意义, 同时有利于帮助理解在目前全球气候变化的背景下森林土壤在碳循环中起到碳源还是碳汇作用的问题^[16]。本研究通过模拟酸雨及各种温度条件下森林土壤微生物的呼吸作用，了解不同环境下土壤呼吸的变化规律，认识人类活动对森林环境可能造成的影响程度，对维护森林生态和地球环境具有一定意义。

1.材料与方法

1.1 取样地点概况

室内培养试验开始于2015年11月，2016年3月完成室内培养试验并进行土壤酶活性测量。2016年4月总结试验数据，分析试验结果。实验样地是位于江苏省南京市北郊的龙王山森林，坐标为118°51′E、32°03′N。该地区气候类型属于北亚热带季风气候，四季分明，雨量充沛。该样地多年平均气温为15.55℃，多年平均降水量为1100 mm。样地植被为亚热带落叶阔叶林，植被郁闭度为0.9。林冠层树种有白栎(Quercus fabri)、化香( Platycarya strobilacea)、构树( Broussonetia papyrifera )等植物，草本层有苔草( Carex spp. )、天门冬( Asparagus cochinchinensis )、繁缕( Stellaria media) 等植物。土壤pH为6.62，土壤有机碳含量为32.4 g·kg^-1。

1.2 实验设计

在样地采集用于实验的土壤，经过晾干、磨碎、过筛等处理之后，开始室内培养实验。多次秤60 g干土置于多个广口培养瓶中，培养瓶的规格为820 ml的容量、79 mm的口径。注入20 ml蒸馏水，使土壤保持25%的含水量，以保证土壤微生物的呼吸量处于最优值^[17]。准备25℃恒温恒湿培养箱中，将培养瓶放置其中培养9 d，培养期间土壤的含水量需要按称重法保持在25%。培养9 d之后采用5个模拟酸雨梯度进行培养实验，分别为CK（pH=6.3）、A1（pH=4.0）、A2（pH=3.0）、A3（pH=2.0），其中CK作为对照组。向土壤中添加模拟酸雨时使用滴管轻轻滴加，以尽量减小实验误差。模拟酸雨溶液的配制按硫酸与硝酸的物质的量比为4.5:1的方法配成不同规格的酸雨溶液。需要使用pH计测定每次配制完成后的模拟酸雨溶液，以确保准确性。每个模拟酸雨处理下设置4个温度梯度，分别为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃，每个处理设置3个重复。

1.3 土壤微生物呼吸测定

培养实验期间，采用便携式土壤CO₂排放量测量系统（SoilBox-FMS，Miller公司，美国）对经过不同处理的土壤定期进行呼吸速率的检测。记录土壤CO₂排放速率的测定时间定为培养的第1、2、3、5、7、10、14、20、27、31 d，过程中待测玻璃瓶用一根导管和CO₂排放量测量系统相连接，仪器每隔3 min的时间段记录一轮瓶内CO₂气体浓度，通过对玻璃瓶内不同时间土壤CO₂浓度的测定，计算出CO₂排放速率。

1.4 土壤酶活性测定

培养实验结束后需要测定土壤转化酶、过氧化氢酶和脲酶的酶活性。土壤转化酶是参与土壤有机碳循环的关键酶^[18]，采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定；脲酶是参与土壤氮转化的关键酶^[18]，采用苯酚-次氯酸钠比色法测定。

1.5 数据分析

采用加权累积法来计算31d的土壤微生物呼吸总量。采用EXCEL2003软件制作不同模拟酸雨处理条件下的土壤呼吸、酶活性的动态变化图。采用EXCEL2003软件得到并分析变量之间的回归关系图。采用SPSS16.0中的方差分析模块研究土壤微生物呼吸在5个不同温度梯度下表现的差异性。

2.结果与分析

2.1土壤微生物呼吸的时间变异性

实验培养期间，土壤微生物不同模拟酸雨强度处理下、不同培养温度处理下呼吸总量是逐渐增大的，累计土壤微生物量在实验培养的前期和后期的增加速率有较明显的差异（图1）。相同的模拟酸雨强度处理下，培养温度越高，测得的累积土壤微生物呼吸量越大，不同培养温度处理下测得的累积土壤微生物呼吸量存在极显著的差异（P＜0.001），不同观测时间土壤微生物呼吸量存在极显著差异（P＜0.001）。而在相同的培养温度处理下，模拟酸雨强度越强，测得的累积土壤微生物呼吸量越小，其差异达到极显著水平（P＜0.001）。其中CK（pH=6.3）处理测得的累积土壤微生物呼吸量值最大，而A3（pH=2.0）处理得到的累积土壤微生物呼吸量的值最小。CK（pH=6.3）处理pH值与实验地点pH值相近，较适于实验地点土壤微生物的存活，A3（pH=2.0）处理模拟的酸雨强度较大，对土壤微生物的存活具有较大影响。

图1 不同模拟酸雨强度及不同温度下土壤微生物呼吸的动态变化

2.2 土壤微生物呼吸与模拟酸雨pH及温度的关系

此次实验通过模拟不同的酸雨强度及温度条件，了解其对土壤微生物呼吸的影响。将实验培养第一天及培养最后一天的土壤微生物呼吸和温度进行回归分析，对照CK（pH=6.3）处理培养第一天及培养最后一天的土壤微生物呼吸的温度敏感性没有明显差异（图2）；模拟酸雨处理（pH4.0、pH3.0及pH2.0）培养后第一天及培养最后一天的土壤微生物呼吸的温度敏感性也没有明显差异（图3），并且模拟酸雨未造成土壤微生物呼吸温度敏感性的差异。

对照CK（pH=6.3）处理在实验培养的最后一天5℃、10℃、15℃、20℃、25℃条件下测得的累积土壤微生物呼吸量分别为2.854 mg·g^-1、2.931 mg·g^-1、3.049 mg·g^-1、3.420 mg·g^-1、3.974mg·g^-1，整体上看，培养温度越高，相同的模拟酸雨强度处理下的累积土壤微生物呼吸量越大。相同温度条件下，对照CK（pH=6.3）处理在实验培养相同测量时间测得的累积土壤微生物呼吸量总是高于模拟酸雨处理的累积土壤微生物呼吸量。在实验培养期间随时间的增加，各不同模拟酸雨pH值处理的土壤测得其累积微生物呼吸量均是增大的（图1），即实验过程中土壤是不断释放CO₂的。但不同模拟酸雨强度下测得的土壤微生物呼吸是有差异的，培养的前期不同的模拟酸雨强度所测得的微生物呼吸量的差异较小，到了后期差异开始变大，A3（pH=2.0）处理的微生物呼吸量测得值最低，而对照CK（pH=6.3）处理的测得值明显比A3（pH=2.0）处理高，说明A3（pH=2.0）处理的酸雨强度条件对土壤微生物的影响较大。

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