植物光合供应对土壤呼吸组分及其温度敏感性的影响

The regulation of photosynthesis on soil respiration components and their responses to temperature is still not well understood, which may be largely responsible for the observed variability in the soil respiration at different temporal and spatial scales. In this study, a natural abundance δ13C approach will be used to assess the effects of photosynthetic carbon on rhizosphere respiration and soil organic matter (SOM) decomposition. We will also evaluate whether plant photosynthesis will affect temperature sensitivity of rhizosphere respiration directly through its impacts on photoassimilated C allocation to roots and SOM decomposition indirectly in relation to rhizoshpere priming effect. The mechanistic understanding of photosynthesis controls on temperature sensitivity of rhizosphere respiration and organic matter decomposition will improve our ability to predict soil respiration accurately for its application in soil carbon modeling under future climate change.

土壤呼吸(Rs)由自养呼吸(也称为根围呼吸, Ra)和异养呼吸(Rh)组成。这两种不同生物来源的CO2所利用的碳源和生态学过程均不相同, 从而导致Rs及其组分的变异性较大。植物光合是Rs的重要影响因子, 但植物光合供应对Ra 和Rh呼吸速率及其温度敏感性的影响还尚不明确。本项目采用13C自然丰度示踪法, 将我国北方温带森林代表性树种–C3植物蒙古栎和五角槭种植于曾连续23年种植玉米的C4土壤中, 通过遮光改变植物的光合供应状况, 旨在探明植物光合供应对土壤呼吸组成的动态变化及其温度敏感性的影响, 为更为准确的估算和调控全球变化背景下的土壤呼吸及其在区域和全球碳循环模型中的应用提供理论依据。

土壤呼吸（Rs）两大组分自养呼吸（Ra）和异养呼吸（Rh）呼吸速率和温度敏感性的差异性及其对植物光合供应的响应尚不明确，限制了区域和全球尺度上土壤呼吸的精确评估和模型模拟。本项目采用13C自然丰度示踪法，将我国北方温带森林代表性树种–C3植物蒙古栎和五角槭种植于曾连续23年种植玉米的C4土壤中，通过遮光改变植物的光合供应状况，以此区分Ra和Rh，并探讨1）Ra和Rh呼吸速率和温度敏感性的差异性；2）根际激发效应（RPE）对Rh呼吸速率和温度敏感性的影响；3）植物光合供应对Ra和Rh呼吸速率和温度敏感性的影响。研究结果表明：Rs的两大组分Ra和Rh呼吸速率和温度敏感性（Q10值）均不相同。色木槭和蒙古栎的植物根系对Rh主要表现出负激发效应，其生长季RPE的变化范围为–80%~+26%，导致Rh的呼吸速率和Q10值均低于Rhf。遮光后植物光合供应的变化改变了Ra的呼吸速率和Q10值，并通过影响RPE改变了Rh的Q10值，但对Rhf的呼吸速率和Q10值没有影响。Ra和Rh变化的影响因素也不相同。在生长季内，Rs和Rh与土壤含水量呈现单峰曲线关系，Ra则随着土壤温度的增加而增加。逐步回归分析的结果表明，Rs中81%的空间尺度上的¬¬变化可以由土壤含水量和纤维素二糖水解酶（CBH）来解释，而94%的Ra变化由CBH、土壤含水量和土壤矿质氮含量的变化所引起。因此，未来研究在区分Rs两大组分Ra和Rh时，应该考虑植物光合供应对Ra和Rh以及根际激发效应对Rh呼吸速率和温度敏感性的影响，这对于精确评估和模型模拟气候变化背景下Rs的变化和响应具有重要意义。