盐分对黄河口湿地土壤有机碳厌氧矿化温度敏感性的影响

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全球气候变化日益加剧逐渐成为当今地学、生态学和环境学关注的热点问题,生态系统的碳收支变化在其中扮演重要角色。河口湿地位于河流与海洋生态系统交汇处,其独特的地理环境特征和丰富的有机碳储量使其成为陆地生态系统的重要碳库。气候变化背景下,受气候变暖和海水入侵的影响,河口湿地土壤盐度与热量条件将发生显著变化。厌氧矿化作为河口湿地碳过程的重要组成部分,探究其对盐度和热量条件的响应是理解河口湿地碳-气候变化反馈机制的关键。然而,盐分对河口湿地土壤有机碳厌氧矿化响应温度的机制尚不明晰。本研究以黄河口湿地为研究对象,采用野外定点取样和室内模拟相结合的方法,研究了黄河口湿地典型群落类型(芦苇群落、盐地碱蓬群落、柽柳群落、互花米草群落)土壤有机碳厌氧矿化特征,明确了盐分对黄河口湿地土壤有机碳厌氧矿化温度敏感性的影响,揭示了黄河口湿地土壤有机碳矿化温度敏感性受盐分影响的生物化学机制,主要结论如下:(1)厌氧条件下,48 d培养期间,黄河口不同群落类型土壤CO2累积产生量的变化范围为136.5~404.2μg C·g-1(10℃)、407.3~887.9μg C·g-1(20℃)、859.6~1541.7μg C·g-1(30℃),互花米草群落>芦苇群落>盐地碱蓬群落>柽柳群落,CH4的累积产生量的变化范围为0.198~51.2μg C·g-1(10℃)、10.4~649.6μg C·g-1(20℃)、502.6~1454.3μg C·g-1(30℃),芦苇群落>互花米草群落>盐地碱蓬群落>柽柳群落。在土壤深度上表现为表层土壤(0~10 cm)的厌氧矿化速率高于下层土壤(10~20 cm)。温度升高促进了河口湿地土壤有机碳厌氧矿化,从10℃升高到20℃时,四种群落类型土壤CO2和CH4的增加幅度范围为1.13~2.16倍和7.88~290.3倍,从20℃升高到30℃,其相应值为0.648~1.22倍和1.07~69.9倍,低温升温下的增幅高于高温升温下的增幅。温度敏感性Q10-CO2和Q10-CH4变化范围分别为1.89~3.17和19.8~252,均表现为柽柳群落>盐地碱蓬群落>芦苇群落>互花米草群落,下层土壤Q10(Q10-CO2,1.60~3.17;Q10-CH4,2.53~252.9)高于表层土壤Q10(Q10-CO2,1.43~2.89;Q10-CH4,1.46~102.6)。相关分析表明有机碳厌氧矿化速率与TOC、TN含量与呈显著正相关关系,与EC和p H值呈负相关关系;Q10-CO2和Q10-CH4值与p H值呈显著正相关关系。(2)盐分处理下黄河口湿地土壤厌氧矿化量随盐度增加而降低,5‰、10‰、20‰和30‰盐度处理中,10℃、20℃和30℃下,CO2产生量下降了11.2%、14.3%、30.6%、41.4%,9.59%、20.1%、36.6%、40.0%和5.31%、16.7%、25.3%、30.5%,CH4产生量下降了23.1%、31.3%、45.9%、63.8%,24.3%、44.0%、75.5%、92.1%和5.08%、19.6%、33.4%、42.9%。盐度和温度的交互作用对厌氧矿化的影响显著,其中在低温升温下,低盐处理(0‰~5‰)中有机碳厌氧矿化随升温的增加幅度较大(CO2,1.45~1.79倍;CH4,96.0~163.0倍),而在高温升温下,高盐处理(10‰~30‰)中有机碳厌氧矿化的增加幅度更大(CO2,0.828~1.48倍;CH4,2.75~30.4倍)。盐分的输入增强了土壤有机碳厌氧矿化对增温响应的敏感性,Q10-CO2和Q10-CH4值均表现为低盐处理处理中较低(1.52~3.09和2.64~51.6),高盐处理中较高(1.78~3.15和1.69~133.7),且下层土壤Q10值(Q10-CO2,1.52~3.16;Q10-CH4,21.8~133.7)显著高于表层土壤Q10值(Q10-CO2,1.71~2.49;Q10-CH4,1.69~51.6)。(3)温度和盐度升高改变了河口湿地土壤中微生物群落结构组成和酶活性。中低盐条件下微生物丰度和多样性随温度升高呈现出增大的趋势,而在高盐条件下微生物丰度和多样性随温度升高则呈现出减小的趋势;盐度升高会限制微生物物种丰度和多样性。纲水平上,拟杆菌纲(Bacteroidota)、放线菌纲(Actinobacteriota)和脱硫球菌纲(Desulfobulbia)的丰度与培养温度呈显著负相关,脱卤球菌纲(Dehalococcoidia)、藻纲(Phycisphaerae)、螺旋体纲(Spirochaetia)、Kryptonia、互营菌纲(Syntrophia)、Amiinicenantia、互营菌纲(Syntrophorhabdia)、unclassified Bacteria与培养温度呈显著正相关,而微生物群类-温度间的上述相关性与微生物群类-CO2及-CH4产生速率的相关性呈现出高度一致性。绳厌氧菌(Anaerolineae)和γ-变形菌(Gammaproteobacteria)在高盐处理下的丰度显著减少,梭菌(Clostridia)、芽孢杆菌(Bacilli)、拟杆菌(Bacteroidota)和脱硫单胞菌(Desulfuromonadia)随着盐度增加丰度显著增大。低盐条件下微生物群落结构与CO2和CH4的产生速率呈一定的正相关,而高盐条件下,细菌群落与CO2和CH4的产生速率呈一定的负相关。河口湿地土壤α-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素二糖水解酶和木糖酶活性以及DOC与盐度呈正相关与温度呈负相关,而与土壤有机碳厌氧矿化呈负相关。(4)电子受体添加抑制了黄河口湿地土壤有机碳厌氧矿化,SO42-、NO3-和Fe(Ⅲ)添加处理中,10℃、20℃和30℃下,CO2产生量下降了22.4~28.7%、21.3~38.9%、24.2~34.4%,4.81~7.82%、4.34~9.35%、9.07~13.2%和7.25~9.28%、0.028~15.0%、5.14~11.1%,CH4产生量下降了36.8~76.2%、50.6~92.3%、13.7~84.2%,16.3~23.9%、12.5~17.3%、13.7~38.6%和3.79~12.5%、17.1~19.4%、19.7~28.8%。电子受体添加对CH4产生的抑制作用更强烈。不同电子受体添加下,河口湿地土壤有机碳厌氧矿化对不同增温区间的响应不同。对CO2而言,培养温度从10℃升高到20℃时,不同处理间CO2产生量的增加幅度依次为NO3->Fe(Ⅲ)>SO42-,高浓度SO42-和Fe(Ⅲ)添加处理下CO2的增加幅度较大。培养温度从20℃升高到30℃时,CO2的增加幅度依次为Fe(Ⅲ)>SO42->NO3-,低浓度电子受体添加处理下CO2的增加幅度更大。对CH4而言,培养温度从10℃升高到20℃时,不同处理间CH4产生量的增加幅度依次为NO3->SO42->Fe(Ⅲ)。培养温度从20℃升高到30℃时,CH4的增加幅度依次为SO42->Fe(Ⅲ)>NO3-。低温下添加SO42-、NO3-和Fe(Ⅲ)对CH4的抑制作用更强烈。不同电子受体添加处理下Q10-CO2值变化范围在1.38~3.94之间,Q10-CH4值变化范围在1.93~131.9之间。不同电子受体处理间,Q10-CO2和Q10-CH4的大小顺序均表现为NO3->SO42->Fe(Ⅲ)>CK。综上,黄河口湿地土壤有机碳厌氧矿化的温度敏感性因群落类型而异,温度升高促进了厌氧矿化,而盐度升高抑制了厌氧矿化,提高了厌氧矿化的温度敏感性。温度和盐度升高显著改变了河口湿地土壤微生物群落结构和酶活性,而与厌氧矿化及其温度敏感性密切相关。电子受体添加抑制了河口湿地有机碳厌氧矿化,提高了厌氧矿化的温度敏感性。研究表明,增温区间、盐度、微生物群落结构、酶活性和电子受体类型及数量均对河口湿地土壤有机碳厌氧矿化响应温度产生了重要影响。
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