Drought drives rapid shifts in tropical rainforest soil biogeochemistry and greenhouse gas emissions來(lái)自 Drought drives rapid shifts in tropical rainforest soil biogeochemistry and greenhouse gas emissions | Nature Communications 基本信息題目極端干旱引發(fā)熱帶雨林土壤生物地球化學(xué)過(guò)程與溫室氣體排放的快速轉(zhuǎn)變Drought drives rapid shifts in tropical rainforest soil biogeochemistry and greenhouse gas emissions期刊名稱Nature Communications發(fā)表時(shí)間2018年4月9日Volume 9, Article 1348作者信息Christine S. OConnell, Leilei Ruan, Whendee L. SilverDOI10.1038/s41467-018-03352-3核心觀點(diǎn)2015年加勒比海極端干旱導(dǎo)致波多黎各濕潤(rùn)熱帶雨林土壤水分與氧氣狀況發(fā)生急劇變化。干旱使坡地與谷地的二氧化碳CO2排放量分別增加了 60% 和 163%且干旱后長(zhǎng)期維持高排放干旱期間甲烷CH4吸收增強(qiáng)但干旱后的“復(fù)濕反彈”排放迅速抵消了干旱期積累的 CH4 碳匯。此外干旱通過(guò)鐵氧化作用使植物可利用的無(wú)機(jī)磷濃度下降達(dá) 60%同時(shí)使有機(jī)磷大幅累積。這表明熱帶雨林土壤生物地球化學(xué)循環(huán)對(duì)氣候變化的敏感性遠(yuǎn)超以往認(rèn)知。? 一、 引言部分簡(jiǎn)要總結(jié) (Introduction Summary)現(xiàn)實(shí)與科學(xué)背景濕潤(rùn)熱帶雨林地表高溫多濕具有全球最高的土壤 CO2 排放速率同時(shí)也是重要的 CH4 源和匯。熱帶雨林的碳與溫室氣體交換高度依賴于土壤氧化還原狀態(tài)以 O2 濃度表征的動(dòng)態(tài)波動(dòng)氧化還原電位的變化直接調(diào)控微生物呼吸、CH4 產(chǎn)生/氧化以及鐵結(jié)合磷P的生物有效性。氣候模型預(yù)測(cè)未來(lái)熱帶地區(qū)干旱頻次和烈度將顯著增加。前人研究局限與瓶頸既有關(guān)于干旱對(duì)熱帶雨林碳循環(huán)影響的認(rèn)知仍存在較大不確定性。野外模擬減降雨Throughfall removal實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論相互矛盾如 CO2 排放有增有減CH4 表現(xiàn)為源或匯的分化。此外極少有研究能夠捕獲自然發(fā)生的極端干旱事件且缺乏高時(shí)空分辨率的連續(xù)觀測(cè)來(lái)厘清復(fù)雜地形如山脊、斜坡、山谷下的生物地球化學(xué)響應(yīng)與恢復(fù)過(guò)程。核心科學(xué)問(wèn)題本研究利用高頻自動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)試圖解決以下核心問(wèn)題自然極端干旱如何調(diào)控?zé)釒в炅滞寥罍厥覛怏w排放CO2、CH4及相關(guān)驅(qū)動(dòng)因子土壤水分、氧氣、鐵氧化還原狀態(tài)及磷庫(kù)對(duì)干旱的響應(yīng)與恢復(fù)速率如何不同地形部位山脊、斜坡、山谷在干旱響應(yīng)與恢復(fù)中呈現(xiàn)何種空間異質(zhì)性 二、 研究方法詳細(xì)介紹與分析 (Methodology Framework)研究區(qū)概況與自然干旱事件研究位于美國(guó)波多黎各盧奎洛實(shí)驗(yàn)林Luquillo Experimental Forest埃爾弗德研究站El Verde Research Station。該區(qū)為成熟熱帶雨林土壤為富含鐵的網(wǎng)紋富鋁土Ultisols。2015年發(fā)生由厄爾尼諾事件誘發(fā)的歷史性干旱年降水量?jī)H為 2035 mm較前十年平均值4219 ± 772 mm下降了 48%。高頻自動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在 50 m × 50 m 的貓尾狀地形貓地形Catena上沿 5 條山脊-斜坡-山谷樣帶設(shè)立 35 個(gè)測(cè)點(diǎn)部署了 105 個(gè)自動(dòng)傳感器每小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè) 0–15 cm 深度的土壤水分、土壤溫度和土壤 O2 濃度。利用結(jié)構(gòu)變化模型R 語(yǔ)言 strucchange 包將干旱過(guò)程劃分為四個(gè)顯著不同的階段干旱前Pre-drought截至2015年4月下旬、急性干旱期Drought4月至8月、干旱恢復(fù)期Drought recovery8月至11月和干旱后恢復(fù)期Post-drought11月以后。溫室氣體通量高頻測(cè)定在樣帶的不同地形部位山脊、斜坡、山谷隨機(jī)部署 9 個(gè)自動(dòng)呼吸室連接至腔體 ring-down 光譜儀CRDS, Picarro進(jìn)行高頻連續(xù)監(jiān)測(cè)獲取了跨越 10 個(gè)月、超過(guò) 6300 組高精度的 CO2 和 CH4 通量數(shù)據(jù)。土壤化學(xué)與生物地球化學(xué)分析在干旱前2015年4月與干旱高峰期2015年7月采集 0–15 cm 土樣。測(cè)定土壤 pH、0.5 mol/L HCl 提取的二價(jià)鐵 Fe(II) 與三價(jià)鐵 Fe(III)以及 Hedley 連續(xù)分級(jí)提取的有效無(wú)機(jī)磷0.1 mol/L NaOH 提取和有機(jī)磷0.5 mol/L NaHCO3 提取。統(tǒng)計(jì)分析與生態(tài)系統(tǒng)尺度外推采用兩因素重復(fù)測(cè)量方差分析Repeated measures ANOVA及 Tukey HSD 事后檢驗(yàn)比較不同干旱階段與地形部位的通量差異。按地形面積比例山脊 17%、斜坡 65%、山谷 18%結(jié)合 100 年全球變暖潛勢(shì)GWPCH4 的 GWP 設(shè)為 34和蒙特卡洛模擬Monte Carlo, 5000 次定量外推全生態(tài)系統(tǒng)尺度的溫室氣體凈排放與碳匯抵消效應(yīng)。 三、 主要研究結(jié)果與充實(shí)數(shù)據(jù)分析 (Main Results Quantified Data)降水水文與土壤物理性質(zhì)變化 2015年全年有 291 天處于負(fù)降水距平狀態(tài)。土壤水分在干旱發(fā)生后快速劇烈下降山脊土壤水分從干旱前的 36% ± 8% 降至 13% ± 2%下降 63%山谷土壤水分從 51% ± 1% 降至 37% ± 7%。山谷土壤 O2 濃度在干旱發(fā)生 1 周內(nèi)翻倍從 5.6% ± 4.1% 升至 11.2% ± 3.4%1 個(gè)月內(nèi)增加了 36%。圖片名Figure 1圖例說(shuō)明Figure 1 | 波多黎各埃爾弗德研究站近十年2004–2013年均值與2014–2015年年總降水量對(duì)比。2015年發(fā)生嚴(yán)重干旱年降水量?jī)H為 2035 mm較歷史均值下降了 48%。圖片名Figure 2圖例說(shuō)明Figure 2 | 研究期間降水距平與土壤物理環(huán)境動(dòng)態(tài)時(shí)間序列。a 2015年每日降水距平對(duì)比2004–2013年均值b 不同地形位置山脊至山谷0–15 cm 土壤水分體積含量的每日均值c 土壤 O2 濃度的每日均值。虛線為結(jié)構(gòu)變化模型劃分的四個(gè)干旱階段。溫室氣體排放的響應(yīng)與“反彈”效應(yīng)CO2 排放干旱顯著增加了所有地形部位的 CO2 排放P 0.001。斜坡土壤呼吸從干旱前的 3.79 ± 2.92 μmol m?2 s?1 接近翻倍至干旱期的 6.06 ± 4.26 μmol m?2 s?1。山谷 CO2 排放量在干旱期上升了 163%。干旱結(jié)束后CO2 排放持續(xù)保持高位未能迅速恢復(fù)至干旱前水平。CH4 排放干旱使山谷 CH4 排放從干旱前的 17.43 ± 29.60 nmol m?2 s?1 陡降至 1.67 ± 4.09 nmol m?2 s?1。山脊 CH4 吸收能力增強(qiáng) 76%斜坡由微弱的 CH4 源轉(zhuǎn)變?yōu)榧兾諈R-1.93 ± 1.73 nmol m?2 s?1。然而在干旱后恢復(fù)期CH4 排放發(fā)生爆發(fā)性反彈斜坡與山脊均轉(zhuǎn)為強(qiáng) CH4 排放源斜坡15.16 ± 7.03 nmol m?2 s?1山脊10.12 ± 7.84 nmol m?2 s?1。生態(tài)系統(tǒng)尺度效應(yīng)在干旱及干旱恢復(fù)期系統(tǒng)因 CH4 吸收共累積了 70 kg CO2e ha?1 的碳匯但在干旱后恢復(fù)期的前 50 天內(nèi)爆發(fā)式 CH4 排放抵消了該 CH4 碳匯的 99%93%–102% CI。同時(shí)CO2 排放增加導(dǎo)致整個(gè)干旱及恢復(fù)期額外排放了 12.05 Mg CO2e ha?1 的溫室氣體。圖片名Figure 3圖例說(shuō)明Figure 3 | 不同地形部位山脊、斜坡、山谷在四個(gè)干旱階段的土壤溫室氣體排放速率。a CO2 通量均值b CH4 通量均值。柱狀圖代表各階段均值誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤重復(fù)測(cè)量方差分析*** P 0.001。土壤有效磷及鐵氧化還原化學(xué)轉(zhuǎn)變無(wú)機(jī)磷Inorganic P干旱導(dǎo)致全生態(tài)系統(tǒng)植物可利用無(wú)機(jī)磷濃度顯著下降P 0.001。山谷無(wú)機(jī)磷下降最為劇烈降幅達(dá) 60%從干旱前約 190 μg g?1 降至干旱期約 75 μg g?1。鐵氧化狀態(tài)與 pH無(wú)機(jī)磷的固定伴隨著鐵的劇烈氧化山谷還原態(tài)二價(jià)鐵 Fe(II) 濃度從 15.0 mg g?1 銳減至 3.0 mg g?1而氧化態(tài)三價(jià)鐵 Fe(III) 顯著增加山谷土壤 pH 從 6.1 顯著降至 5.0P 0.001證實(shí)土壤由還原性環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)氧化性環(huán)境。有機(jī)磷Organic P干旱使全生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)磷濃度顯著增加P 0.001。山谷有機(jī)磷暴漲 301%從約 45 μg g?1 升至 175 μg g?1山脊和斜坡分別增加了 126% 和 56%。圖片名Figure 4圖片位置留空?qǐng)D例說(shuō)明Figure 4 | 干旱前與干旱高峰期土壤生物地球化學(xué)指標(biāo)對(duì)比。a 無(wú)機(jī)磷濃度b 有機(jī)磷濃度c 二價(jià)鐵 Fe(II) 濃度d 三價(jià)鐵 Fe(III) 濃度e 土壤 pH。柱狀圖代表各地形均值誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤雙因素方差分析*** P 0.001。 四、 討論部分的不足與未來(lái)展望 (Discussion Limitations Perspectives)研究不足與不確定性來(lái)源自養(yǎng)與異養(yǎng)呼吸區(qū)分困難野外自然生態(tài)系統(tǒng)中難以將土壤 CO2 排放精細(xì)拆分為自養(yǎng)呼吸根系與異養(yǎng)呼吸微生物。雖然凋落物收集顯示干旱初期樹木落葉增加但缺少干旱期間地下細(xì)根動(dòng)態(tài)與地下碳分配的直接觀測(cè)。單地點(diǎn)自然干旱的局限研究基于波多黎各單一熱帶雨林研究站捕獲的自然干旱事件盡管擁有極高的時(shí)空采樣密度但對(duì)于其他基質(zhì)、土壤類型如非富鋁土的熱帶雨林泛化能力仍需驗(yàn)證。有機(jī)磷累積機(jī)制機(jī)制尚待精細(xì)化有機(jī)磷暴增可能源于干旱誘發(fā)的凋落物脈沖式輸入、胞外磷酸酶活性受抑制或是微生物對(duì)無(wú)機(jī)磷的急劇吸收同化具體主導(dǎo)路徑仍需進(jìn)一步的同位素或酶學(xué)實(shí)驗(yàn)解構(gòu)。未來(lái)研究展望跨尺度地形耦合建模必須將復(fù)雜地形貓尾狀地形引起的水分與氧化還原梯度納入全球氣候-碳循環(huán)模型中摒棄將熱帶雨林土壤視為均質(zhì)網(wǎng)格的傳統(tǒng)做法。長(zhǎng)期恢復(fù)動(dòng)態(tài)跟蹤鑒于土壤 O2 與水分在降水恢復(fù)后恢復(fù)緩慢延遲達(dá) 12 周以上且無(wú)機(jī)磷大幅下降可能對(duì)植物生產(chǎn)力產(chǎn)生長(zhǎng)期養(yǎng)分限制未來(lái)需開展長(zhǎng)期的后干旱跟蹤研究。深化養(yǎng)分-碳循環(huán)偶聯(lián)機(jī)制重點(diǎn)關(guān)注干旱引起的鐵-磷化學(xué)轉(zhuǎn)變與微生物碳利用效率之間的偶聯(lián)關(guān)系評(píng)估養(yǎng)分限制對(duì)熱帶雨林碳匯功能的長(zhǎng)期反饋。