我国典型气候带农田土壤微生物呼吸的热适应性特征研究

作     者：古晓悦 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：和文祥

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：热适应性 土壤微生物呼吸 增温 农田生态系统 土壤酶 

摘      要：陆地生态系统碳循环对全球变暖的响应是目前国内外学者研究的热点问题。有学者提出随着温度不断升高,土壤微生物呼吸会产生热适应性以减缓其呼吸量的升高。土壤酶作为土壤呼吸的限速步骤,其活性的变化是土壤微生物呼吸热适应的机理之一。基于此,本论文选取我国不同气候带五种农田生态系统土壤,研究其对环境温度的响应;并进行实验室模拟增温试验,研究不同培养温度(10℃、30℃)对土壤微生物呼吸的影响,观察其热适应性;选择五种与碳氮磷循环相关酶,观察其活性对增温的响应,借助动力学手段探讨其变化机制。获得如下结果:(1)我国农田生态系统土壤微生物呼吸在年平均气温(MAT)梯度上未产生热适应,可能是样本量小、土壤性质的差异等原因。在MAT梯度上,土壤β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、纤维二糖水解酶活性随MAT升高而降低,且与MAT呈显著负相关,表明这些参与纤维素和半纤维素降解的关键酶对土壤微生物呼吸的热适应性有重要贡献。各气候带农田土壤酶的Q均大于1,且较低温(10-20℃)区间Q大于较高温(20-30℃)区间。纤维二糖水解酶的Q最高,表明其对温度变化的响应最强烈。β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶Q与气候因子MAT、MAP呈显著负相关,表现出热适应性。(2)微生物生物量碳(MBC)含量因土壤性质、培养温度和培养时间而异,不同土样间MBC含量不同,大小顺序为:塿土黑土红壤赤红壤棕壤,在同一培养阶段,高温下培养的土壤的微生物生物量碳高于低温培养的土壤。棕壤、塿土分别在第84天及第63天发生热适应,均为第一类适应,黑土、红壤、赤红壤在84天的培养期间未发现热适应现象,说明土壤微生物呼吸的热适应与土壤性质、培养时间等有关。(3)土壤酶活性随测定温度升高而增加,随培养时间延长而降低。在同一测定温度下,低温培养的土壤的酶活性高于高温培养的土壤酶活性,随培养时间增长差异幅度逐渐增大,表明土壤酶对增温产生了适应性响应。(4)不同气候带土壤酶V均随测定温度升高而增加,K随测定温度升高呈现不同规律,对温度的响应较为复杂,V/K随测定温度升高而增加。土壤微生物呼吸产生热适应的棕壤木聚糖酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶的V有适应性响应,塿土仅纤维二糖水解酶的V观察到适应性响应,说明微生物呼吸热适应的产生可能是由于土壤中某些特定酶的适应性变化。β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、纤维二糖水解酶的催化效率V/K与MAT呈极显著负相关(p0.01),表现出纬度水平的热适应性。综上所述,通过研究不同温度带农田土壤对环境温度及模拟增温的响应,观察酶活性及动力学参数在增温过程中的变化,为深入探究农田土壤微生物呼吸的热适应性及其机理提供了理论依据。