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氣候?qū)﹃懙刈匀簧鷳B(tài)系統(tǒng)土壤磷循環(huán)和有效性的影響
作者:EnqingHou,etal.
期刊:GlobalChange Biology
影響因子/分區(qū):13.11/1區(qū)
發(fā)表時(shí)間:2018年
土壤磷有效性,氣候,磷循環(huán),土壤特性,全球模式。
(1)背景:過去21世紀(jì)以來,全球平均氣溫和降水量預(yù)計(jì)都將上升,空間變化幅度較大,持續(xù)的氣候變化會(huì)對(duì)陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和有效性產(chǎn)生很大的影響,而目前關(guān)于P循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)了解很少,提高氣候變化對(duì)土壤磷循環(huán)及其有效性影響的認(rèn)識(shí),有助于將磷循環(huán)納入地球系統(tǒng)模型。
(2)主題:本研究中,我們將假設(shè)導(dǎo)向的路徑模型分析應(yīng)用于一個(gè)全球數(shù)據(jù)庫,其中包括連續(xù)提取的土壤磷組分、氣候變量和關(guān)鍵土壤屬性。結(jié)合路徑模型分析和全球數(shù)據(jù)庫,我們可以在全球尺度上量化潛在的直接和間接路徑和土壤性質(zhì)在氣候?qū)ν寥懒子行缘挠绊懼械南鄬?duì)重要性。
科學(xué)問題:
A.氣候因素(溫度、降水、干旱程度)在全球尺度上如何影響土壤磷生物有效性?
B.土壤磷素形態(tài)和關(guān)鍵土壤性質(zhì)如何介導(dǎo)氣候影響土壤磷生物有效性?
(1)數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備:
使用了Hedley(1982)等人的順序分餾浸提法,編制一個(gè)土壤磷組分?jǐn)?shù)據(jù)庫。我們的調(diào)查僅限于未施肥、未開墾和(半自然)自然土壤的研究。之前數(shù)據(jù)庫包括2015年8月之前發(fā)表的85項(xiàng)研究共626個(gè)土壤樣品的HedleyP組分、土壤全磷、土壤類型、土壤深度、植被類型和站點(diǎn)地理位置(緯度和經(jīng)度)信息,本研究數(shù)據(jù)庫被更新,包括98項(xiàng)研究的802個(gè)土壤樣本。此外,本研究還增加了場地氣候條件(平均年溫度(MAT)、平均年降水量(MAP)和干旱程度)、土壤粒徑測(cè)量(沙子(0.05- 0.05)2.00 mm)、淤泥(0.002- 0.05 mm)和粘土(<0.002 mm)含量、3個(gè)關(guān)鍵土壤化學(xué)性質(zhì)(pH、全有機(jī)碳和全氮)以及母質(zhì)類型。
采用Hedley等(1982)和Tiessen&Moir改進(jìn)的方法提取土壤磷組分(1993),將其劃分為5個(gè)功能性磷庫:土壤速效磷、次生礦物磷、有機(jī)磷、原生礦物磷和閉蓄磷。對(duì)于760個(gè)土壤樣品,在參考研究沒有報(bào)告測(cè)量的緯度或經(jīng)度的情況下,大約的緯度和經(jīng)度(對(duì)于80個(gè)樣品)是通過谷歌Earth7.0(免費(fèi)版本)中的位置名稱進(jìn)行地理編碼得到的。在參考研究未報(bào)告MAT(351樣本)、MAP(299樣本)或海拔(427樣本)的情況下,其值來源于WorldClim。植被類型以森林為主(63.7%),其次為草地(18.4%)和灌木(6.4%),其他植被(例如稀樹草原)所占比例相對(duì)較小。
(2)數(shù)據(jù)分析:
在進(jìn)行海拔高度、土壤深度、土壤全有機(jī)碳、全氮、全磷和所有土壤磷素庫的相關(guān)性分析之前,進(jìn)行l(wèi)og10轉(zhuǎn)換以提高正態(tài)性。采用Pearson相關(guān)分析方法,利用spss19.0軟件分析氣候與土壤性狀的二元關(guān)系,采用SigmaPlot12.0繪圖技術(shù)和回歸方法。利用SPSS19.0進(jìn)行偏相關(guān)分析,以確定MAT對(duì)MAP和土壤磷庫相關(guān)性的影響程度,或反之,以探索MAT、MAP和土壤磷庫之間的相互關(guān)系。SEM結(jié)構(gòu)方程模型定量分析了氣候?qū)ν寥浪傩Я子绊懙臐撛谥苯雍烷g接途徑和土壤性質(zhì)的相對(duì)重要性。我們計(jì)算了氣候和土壤性質(zhì)對(duì)土壤磷素庫的標(biāo)準(zhǔn)化總影響,以顯示氣候和土壤性質(zhì)對(duì)土壤磷素形態(tài)和有效性的相對(duì)影響。
(1)二元相關(guān)關(guān)系:
土壤P庫除次生礦物P(即有效磷)外,其余均隨MAT的增加呈線性下降趨勢(shì),土壤次生礦物P與MAT無顯著相關(guān)關(guān)系。
土壤有效磷庫、原生礦物P庫與MAP呈線性下降,有機(jī)P庫、次生P庫和閉蓄P庫均與MAP呈上升關(guān)系。除原生礦物磷(有效磷、有機(jī)磷、次生礦物磷、封閉磷和總磷)外,土壤磷庫均隨砂含量的增加線性降低,隨土壤有機(jī)碳濃度的增加而線性增加。隨著土壤pH的降低,土壤原生礦物磷和總磷呈下降趨勢(shì),有機(jī)磷、次生礦物磷和閉蓄磷呈上升趨勢(shì)。
(2)氣候?qū)ν寥?/strong>P庫的總體影響:
用MAT和MAP對(duì)所有樣品進(jìn)行SEM分析,可以解釋44%、59%、61%和52%的土壤速效磷、原生礦質(zhì)磷、有機(jī)磷和次生礦質(zhì)磷的變異率。在土壤磷庫中,土壤有機(jī)磷和原生礦物磷對(duì)土壤有效磷的正向影響最大,其次是次生礦物P,土壤pH對(duì)土壤原生磷有正向影響,對(duì)次生磷有負(fù)向影響。MAT對(duì)土壤中所有磷庫和土壤有機(jī)碳均有負(fù)向影響,但對(duì)土壤砂粒含量有正向影響(圖3b)。MAT對(duì)土壤原生礦物磷有直接的負(fù)向作用,對(duì)土壤次生礦物磷有直接的正向作用。
與MAT相比,MAP通過降低土壤砂粒含量對(duì)所有土壤磷庫和土壤有機(jī)碳均有正向影響(圖3b)。MAP通過降低土壤pH直接或間接地影響土壤原生礦物P(圖3b)。MAP主要通過對(duì)土壤有機(jī)C的影響來正向影響土壤有機(jī)P,并通過土壤pH、有機(jī)C和砂粒含量這3種土壤特性(圖3b)來正向影響土壤次生礦物P(圖3b)。MAP通過降低土壤pH和原生礦磷直接或間接地影響土壤有效磷。
(3)氣候因子對(duì)土壤磷庫相對(duì)于其他生態(tài)系統(tǒng)特性的影響:
選擇氣候、植被、土壤和母質(zhì)因子作為預(yù)測(cè)因子的BRT分析解釋了82%-91%的土壤磷庫變化(表2)。一般來說,氣候因子占土壤磷庫總變化的比例(即MAT和MAP)與土壤類型、母質(zhì)所占比例相當(dāng)。
其中,土壤有機(jī)C占土壤有效磷總解釋變異的比例最大(22.5%),其次是MAT(16.5%)和MAP(16.1%)、母質(zhì)類型(14.6%)、土壤類型(13.3%)、pH(14.6%)和含沙量(3.9%)和植被類型(2.0%)。在預(yù)測(cè)因子中,土壤有機(jī)C對(duì)土壤有機(jī)P的影響最為顯著(53.3%);MAT、土壤類型和土壤pH對(duì)土壤原生礦物P的影響最大(分別為29.7%、25.8和23.8%);土壤pH對(duì)土壤次生礦物P的影響最大(22.6%);土壤類型、pH、有機(jī)碳濃度和砂粒含量對(duì)土壤閉蓄磷的影響最大(總和為69%;表2)
研究結(jié)果表明,MAT、MAP和干旱都影響全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤磷循環(huán)和有效性,其影響主要取決于土壤顆粒大小。土壤有機(jī)磷和原生礦物磷是土壤有效磷的主要來源,氣候?qū)ν寥浪傩Я椎挠绊懼饕ㄟ^對(duì)土壤有機(jī)磷和原生礦質(zhì)磷的影響。普遍認(rèn)為炎熱潮濕的熱帶地區(qū)土壤磷有效性低于寒冷的溫帶地區(qū),在全球尺度上,土壤有效磷含量隨MAT和MAP的升高而顯著降低,這與該假說一致。然而,由于MAT和MAP具有典型的空間自相關(guān)性,兩者對(duì)土壤磷素有效性的影響往往沒有很好地分離。以往的研究表明,MAT通過增加土壤風(fēng)化程度和植物對(duì)磷的吸收,對(duì)土壤磷素有效性產(chǎn)生負(fù)面影響。與這些研究一致的是,MAT通過降低土壤原生磷直接或間接地對(duì)土壤有效磷產(chǎn)生負(fù)面影響,但這種直接影響在統(tǒng)計(jì)上并不顯著。MAT通過降低土壤有機(jī)磷和有機(jī)碳含量,增加土壤沙粒含量,對(duì)土壤速效磷也有負(fù)向影響。土壤磷素礦化對(duì)溫度變化的敏感性高于植物磷產(chǎn)量。土壤有效磷通過增加土壤沙粒含量對(duì)土壤有效磷產(chǎn)生負(fù)面影響,這可能是由于土壤有效磷含量高增加了土壤富集細(xì)顆粒的風(fēng)致?lián)p失風(fēng)險(xiǎn)。
氣候?qū)ν寥懒仔螒B(tài)和有效性的影響模式在全球尺度上普遍適用于表土和底土,在干旱和非干旱環(huán)境中也適用,盡管氣候?qū)Ρ硗恋挠绊懼饕笥诘淄?,在干旱環(huán)境中也大于非干旱環(huán)境。預(yù)計(jì)氣候?qū)ν寥佬再|(zhì)的影響在干旱環(huán)境中通常比在非干旱環(huán)境中更大。這是因?yàn)橥寥浪止?yīng)在干旱環(huán)境中比在非干旱環(huán)境中起著更重要的決定生態(tài)系統(tǒng)性質(zhì)的作用,它可以被氣候變化所改變。氣候?qū)ν寥浪傩Я椎挠绊懺诘蜕澈透呱惩寥篱g存在差異。結(jié)果表明,氣候與土壤顆粒大小相互作用,影響土壤磷素有效性。與低沙土壤相比,在經(jīng)歷大量降水時(shí),高沙土壤更容易通過淋濾和徑流失去包括磷在內(nèi)的養(yǎng)分。因此,MAP對(duì)高沙土壤速效磷含量有顯著負(fù)向影響,而對(duì)低沙土壤速效磷含量無顯著影響。持續(xù)的全球降水變化對(duì)高沙土速效磷的負(fù)面影響可能比僅基于降水量的研究結(jié)果更強(qiáng)。與MAP一樣,MAT也與土壤顆粒大小相互作用,從而影響土壤速效磷。首先,溫度的升高可能會(huì)降低高沙質(zhì)土壤的含水量,但對(duì)低沙質(zhì)土壤的含水量影響相對(duì)較小。溫度升高引起的土壤含水量降低可能會(huì)抵消溫度對(duì)植物生長和磷吸收的積極影響。
氣候可能會(huì)影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中的若干磷循環(huán)。然而,與植物特征和其他環(huán)境條件(如植被、土壤和母質(zhì)類型)相比,氣候因素在決定土壤磷有效性方面的重要性尚不清楚。結(jié)果表明,在全球尺度上,氣候因子(MAT和MAP)解釋的土壤速效磷變化比例與土壤類型、pH、有機(jī)碳濃度和母質(zhì)類型解釋的土壤速效磷變化比例大致相當(dāng)。
綜上,MAT對(duì)土壤磷素有效性的影響主要表現(xiàn)為降低土壤原生磷和有機(jī)磷庫,增加土壤沙粒含量。MAP與土壤磷素有效性也呈負(fù)相關(guān),但這主要是由于MAP與MAT的空間自相關(guān)所致。MAP對(duì)土壤磷有效性的總體影響較小,主要是MAP對(duì)土壤有效磷的直接負(fù)向作用和對(duì)土壤原礦磷的負(fù)向作用與對(duì)土壤有機(jī)磷的正向作用以及對(duì)土壤粒徑的正向作用相互抵消。干旱程度主要由MAP決定,干旱對(duì)土壤速效磷總體影響較小。這些全球模式通常適用于土壤深度或場地干旱指數(shù),也適用于低沙土壤。但高砂土P有效性受MAT和干旱的正向影響,MAP的負(fù)向影響。這些結(jié)果表明,氣候?qū)ν寥懒姿赜行缘挠绊懼饕Q于生物磷素循環(huán)和土壤顆粒大小的響應(yīng)。全球變暖與降水量變化對(duì)土壤磷有效性的影響差異顯著。干旱對(duì)土壤磷素有效性的影響取決于干旱的驅(qū)動(dòng)因素(溫度變化,降水,或兩者兼而有之)。我們的研究結(jié)果對(duì)氣候智能型土壤保持和管理具有重要意義,有助于將土壤磷動(dòng)力學(xué)納入地球系統(tǒng)模型。
氨基糖、木質(zhì)素、PLFA
磷組分、有機(jī)酸、有機(jī)氮組分
微生物量碳氮磷、同位素等
其他土壤、植物、水體等常規(guī)檢測(cè)指標(biāo)均可測(cè)定,歡迎咨詢相關(guān)工作人員了解詳情
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