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本科生毕业论文(外文翻译)

原文标题 Effect of temperature and moisture on rates of carbon

mineralization in a Mediterranean oak forest soil under

controlled and field conditions

译文标题 在培养和田间条件下温度和湿度对地中海橡树林土

壤碳矿化速率的影响

在培养和田间条件下温度和湿度对地中海橡树林土壤碳矿化速率的影响

A. REY,C. PETSIKOS,P. G. JARVIS amp; J. GRACE

摘要：我们研究了实验室培养条件下和田间条件下地中海森林土壤碳矿化（C _min）与水分及温度之间的关系。从以下几方面进行研究：

1、三个不同深度土壤有机碳矿化的温度敏感性：调节土壤样品的含水量为田间持水量（WHC）的60%，分别在4℃、10℃、20℃和30℃条件下进行培养。表层土壤的C _min速率比深层快12倍以上。我们发现0-5 cm、5-10 cm和10-20 cm土层土壤的温度敏感性因子（Q₁₀）分别为3.3、2.7和2.2；

2、表层土壤C _min与水分和温度之间的关系：C _min对水分波动的敏感性取决于温度条件。然而，Q₁₀受土壤水分的影响不显著。我们拟合了一个多元多项式模型，预期的C _min为温度和湿度的乘积函数（R² gt; 0.99）；

3、土壤C _min对土壤重新湿润1 h和24 h后的响应：在所有的情况下，土壤C _min的反应很快。在60％WHC或更低湿度下培养的土壤对水分的突然增加有积极响应，在20％WHC的处理时增幅最大。在考虑了再润湿效应后，该模型能够很好地预测该区域的C _min（R² gt; 0.81）。

这些结果表明，干旱夏季土壤水分的突然变化可能会导致土壤碳矿化的增加。在预测模型中有必要考虑这些反应，因为它们可以代表地中海生态系统总体碳平衡中碳的基本损失。

1. 引言

了解碳矿化对土壤温度和土壤水分的敏感性对未来气候情景下可持续森林碳动力学的预测至关重要。全球气候未来的变化可能包括温度的升高和降水模式的变化，这两者都会影响土壤的异养过程。尽管这种过程的重要性被强调过（Anderson，1992；Holland等，1995；Kirschbaum，1995），但一般的模拟模型通常只用一个简单的指数函数来描述土壤呼吸的温度敏感性（Cox等，2000）。将水分响应考虑进去可以大大的改善预测，特别是在全球干燥缺水、半干旱和干旱地区。目前已经有各种类型的函数对水分响应机制进行了描述，其中包括依赖于土壤类型、气候区域和植被类型的线性函数、二次函数、对数函数和抛物线函数（例如Howard amp; Howard，1993）。很明显，要提高当前模拟模型的准确性和可靠性需要对土壤碳矿化如何受温度和水分的影响做更多的研究和测定，以用来预测气候变化对森林生态系统的影响。

在田间条件下可以通过检测与环境变化相关的变量，如CO₂排出量的日变化或季节性变化来研究土壤呼吸对温度和湿度的响应（例如Rey等，2002）。虽然这种方法具有检测原生自然土壤与环境变量关系的明显优点，但分离土壤水分和土壤温度这两个变量对土壤的影响通常是困难的，因为这两个变量在田间条件下往往是共同变化的。另一方面，碳矿化速率的田间测定也是很困难的，因为它们涉及对土壤的一些操作和破坏。因此，研究碳、氮矿化的最常用方法是在实验室条件下培养土壤（Kirschbaum，2000）。很多研究已经对一系列的土壤进行了实验室培养（Nadelhoffer等,1991；Howard amp; Howard，1993；Lomander等，1998a；Reichstein等，2000；Dalias等，2001a）。然而，关于温度和水分对地中海森林地区土壤碳矿化速率的影响的具体数据较少。Howardamp; Howard （1993）通过研究不同土壤类型对土壤水分和土壤温度的响应，得出不同土壤类型对这些变量反应不同的结论。然而，为了预测碳矿化对气候变化的响应模型通常都假定所有地区的土壤类型、森林物种都具有相同的温度敏感性，但是需要研究不同的土壤来测试单一温度和水分依赖函数的假设。

地中海的气候特征是夏季干旱，这会特别影响土层的表层。在这些干旱期间，突然的强降雨是常见的，有几项研究表明，碳矿化通常会受到干燥和润湿环境的刺激（Birch，1958；Sorensen，1974；Scheu amp; Parkinson，1994；Magid等，1999），但也有其它的一些实验没有发现这种反应（Rovira amp; Vallejo，1997）。

作为欧洲森林土壤预测项目的一部分，我们结合实验室实验（短期和长期）和田间实验（Rey等，2002）来阐明土壤水分和温度对土壤异养呼吸的影响。在本文中，我们介绍了在田间条件下进行短期实验室实验的结果，并将用获得的实验数据进行预测并与田间测定的数据进行比较。这项研究的具体目标是：

1. 确定土壤深度碳矿化速率的变化；
2. 研究碳矿化温度敏感性是否随土壤深度的变化而变化，以及是否会受到土壤水分的影响；
3. 预测土壤碳矿化速率与土壤温度和土壤水分之间关系的函数模型；
4. 研究碳矿化速率对再润湿的响应；
5. 比较分析实验室培养条件下土壤异养呼吸的测定值与田间实地测定值之间的关系。

2、材料和方法

2.1 土壤取样地点

从位于Comcon di Monteromano的Roccarespampani森林（Lazio，province of Rome，Italy）（42°24′ N，11°55′ E）实验点收集土壤样品。该森林以栎木为主，占地约1250 ha，处于相对平坦的地区，海拔120至160 m，降雨情况的特点是干旱多发的夏季降雨不规律，年平均降水量为755 cm，年平均气温为14℃。森林的砍伐期为每15-20年一次。土壤类型为淋溶土，其深度约为1 m，树木的大部分根部位于土壤上部50 cm处，最高密度在20 cm以上。垫层的平均厚度约为5 cm。该研究场地大约在18年前被发现，并已成CARBOEUROPE项目集群中几个欧洲项目的重点。Rey等（2002）给出了更多关于研究场地的细节情况。

2.2 土壤采样和准备

我们于2001年4月18日从研究场地的三个随机位置收集了三个土芯（直径6.1 cm，深20 cm），核心分为三层：0-5 cm、5-10 cm和10 -20 cm（即A和AB视野），去除枯枝落叶后，样品储存在冷藏容器（4℃）中并在收集后的3天内运送到Edinburgh。在实验室中，我们去除根和石块，然后筛分土壤样品（6 cm筛），再用4 cm筛筛分土样。直到培养实验开始，筛选的土壤样品始终保存在4℃环境中，然后立即测定筛选土壤样品的重量含水率（在105℃烘箱中烘烤24小时）、pH值（在水中，pH计7065 Kent，Cambridge，UK）、总C和总N量（测定用Carlo Erba N/A 1500 分析仪，Milano）和有机质含量（在550℃测定烧失量LOI）。这些测定值用于计算所要培养子样品中干土有机质及土壤有效氮的含量。我们将30 g新鲜土壤放置在10 cm的漏斗中，并浸泡在水中以饱和土壤，并做八次重复来确定总持水量（WHC）。用塑料薄片覆盖土壤以最大限度地减少蒸发损失，然后静置4-8 h后排出水分再重新称重，重复该操作几次以确保达到恒定的质量。然后将土壤在105℃下烘干至恒重，WHC为土壤样品排水后所保持水分的百分比（相当于100％WHC）。土壤基本理化性质见表1。

表1 Roccarespampani森林三个土层土壤的主要理化性质，数值的标准误差（SE）为1，有关首字母缩写的解释见正文

2.3 样品培养

2.3.1 实验1：温度对不同深度土壤碳矿化速率的影响

将60 g（表层0–5 cm）和80 g（5–10和10–20 cm）筛土的干质量调节到60% WHC，这通常被认为是微生物呼吸的最佳水分含量（Howard amp; Howard,1993）。将样品（温度和土壤深度的每种处理做三次重复）放置在250 cm³的瓶中，用穿孔的封口膜覆盖，在四个温度下培养：30℃、20℃、10℃和4℃，温度范围的选择是根据多年研究经验所得（见Rey等，2002）。石蜡用于减少土壤蒸发，但本实验在石蜡上做了穿孔以让部分气体扩散。培养样品1周后开始测定，以便在处理土壤之后进行平衡，于5月14将烧瓶放置在恒温箱中，在每个恒温箱中放置一个盛有碱石灰的烧杯（以除去CO₂）和另一个盛有蒸馏水的烧杯（保持空气湿润）。经过1周的培养，每周都测定土壤中CO₂的浓度。我们保持恒定的土壤水分，通过每周测定一次样本，调整水含量直到达到目标含水量。这个实验也是长期培养试验的一部分，目的是研究欧洲森林土壤预测项目中土壤温度和土壤水分对不同深度土壤碳矿化速率的影响。

2.3.2 实验2：土壤水分和土壤温度对土壤碳矿化的影响

选择表层的土壤样品（0-5 cm）进行实验，将土壤水分调节至WHC的100％、80％、60％、40％和20％，将0-5 cm层的30g干土干质量的当量置于250 cm³烧瓶中，并做3次重复，加入或除去水（通过空气干燥）直到达到目标含水量。将烧瓶置于培养箱中，调节温度为30℃、20℃、10℃和4℃。样品在设置的温度下放置1周，以使处理后的土壤达到平衡。在整个实验期间，每天通过称重法使土壤含水量不变，并根据需要加水来调节质量，在这些处理条件下，土样培养1个月，在培养一周后开始测定CO₂释放量，每周测定一次，持续3周。

2.3.3 实验3：重新润湿对土壤碳矿化的影响

我们选择实验2中在4℃温度下和5个土壤水分含量条件下培养了数天的表层（0-5 cm）土样进行培养（25℃）。将相当于30g干土干质量的当量置于100 cm³烧瓶中，1周后，通过用精细的喷雾雾化器向所有样品加蒸馏水，以使土壤水分含量增加到20％，并确保水分分布均匀。在1 h和24 h后分别测定释放的CO₂量，并进行两次重复。

2.4 测定土壤碳矿化速率

我们用土壤CO₂释放速率作为微生物活性的指标，通过用气相色谱仪（GC）测定样品瓶表层空间中积累的CO₂，确定从土壤中释放的CO₂量。在测定之前用橡胶塞密封烧瓶并一次性将二十四个烧瓶置于与土壤培养相同温度的水浴中。将烧瓶依次连接到装配有热导检测器的自动化气相色谱系统（Perkin Elmer 8310，Perkin Elmer Life Sciences，MA，USA），并且每4小时隔一小时测定一次土壤CO₂流入表层空间的量。橡胶塞的两个端口：一个连接到GC的取样口，另一个在用注射器针头取出空气样品后，可以防止烧瓶内的压力变化。从每个烧瓶中取出1 cm³的空气样品。对于实验3的样品，用具有三通旋塞阀的1 cm³注射器手动地采集顶空的空气样品，并直接注入GC。在这种情况下，每1小时隔15分钟从每个烧瓶中取出空气样品。在考虑了测定条件（即土壤质量、土壤密度、空气体积、标准温度和压力、CO₂积聚时间）后，随着时间的推移，根据烧瓶中CO₂浓度的线性增加计算通量。测定了空气样品去除的微小稀释量，并对所有数据应用了一个小的校正因子。根据罗伯逊等人的计算，每个烧瓶中所产生的CO₂的质量是经过计算得出的，并以每单位时间的干土(或初始C)的g(初始C)表示。在每一次的测试中，用两个标准空气样本进行校准。

2.5 温湿度功能

下面的函数用于描述碳矿化的温度敏感性：

C _min=C₀ exp（beta; T） （1）

C _min是测定的碳矿化速率（micro;g C g^-1 soil days^-1），C₀是0℃的基础碳矿化速率，T是潜伏期温度（℃），与Q₁₀有关（温度每升高10℃ ，CO_{2 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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