水分胁迫对土壤呼吸影响的研究进展

作者:未知

  【摘 要】在全球气候变化的大背景下,旱涝灾害逐渐成为人们日益关注的焦点。无论是旱是涝,都会直接影响植物的生长环境,特别是植物根区的土壤环境。本文从水分胁迫对土壤呼吸的影响的角度出发,综述近年来相关研究的研究成果并总结分析,致力于为旱涝频发地区以及在矿山生态修复中选择最佳植物生长条件提供参考。
  【关键词】水分胁迫;土壤呼吸
  1.引言
  在干旱、半干旱地区,水分亏缺是造成植物生长受到抑制的主要原因,同时,受全球气候变化的影响,部分地区也时常面临季节性的临时缺水[1]。在我国,由于季风气候的特点,各地年降水量很不均匀,某一地区历年的雨量也相差悬殊,从而出现旱涝灾害[2]。旱涝的出现势必会改变土壤透气性、酶活性以及土壤中微生物的数量,也即对土壤呼吸造成严重影响,进而使得植物生长受到影响。
  土壤呼吸指的是未受扰动的土壤中产生CO2的所有代谢过程,主要通过土壤微生物呼吸、土壤动物呼吸、植物根呼吸及土壤有机质分解产生。土壤呼吸表征着土壤的代谢特征,是全球陆地生态系统碳循环重要组成部分。基于此,本文从干旱胁迫、水涝胁迫和干湿交替三个方面进行综合论述,以期对旱涝频发地区以及在矿山生态修复(例如,钻孔植藤等特殊生长环境)中选择最佳植物生长条件提供参考。
  2.水分胁迫对土壤呼吸的影响
  2.1干旱胁迫对土壤呼吸的影响
  微生物产生的胞外酶以及利用的有机物的扩散都需要在液体中进行, 因此,当水分较低时, 会降低胞外酶和呼吸底物的扩散和微生物的移动, 从而降低微生物与呼吸底物的接触机会, 最终影响到土壤呼吸。廖海玲采用室内盆栽控水处理法,通过研究干旱对 1 年生苗木吸收根属性及生长的影响,分析表明,干旱胁迫对根际土壤微生物活性具有显著的抑制作用;王新友等采用 LI-8100 土壤碳通量监测系统研究了栽植约 40 年、30 年、10 年和 5 年的人工梭梭林生长季和非生长季的土壤呼吸日变化,分析表明,在干旱区自然条件下,浅层土壤水分是影响人工梭梭林土壤呼吸的关键因素;肖列以黄土高原森林草原区的地带性植被草本植物群落白羊草为研究对象,探究了干旱胁迫对白羊草根际土壤呼吸的影响,分析表明,干旱胁迫导致白羊草生物量显著降低;周航飞在盆栽条件下,对玉米进行干旱胁迫和不同重金属浓度处理,研究表明,土壤中3种微生物总数、土壤过氧化氢酶活性、土壤呼吸强度在玉米不同生育期均与土壤含水量成正相关;王磊等选取亚热带滨海湿地松和尾巨桉人工林土壤为研究对象,分析发现,持续干旱使得土壤水分处于亏缺状态,土壤呼吸各组分均受到了水分不足的制约;孟伟庆等以天津滨海盐碱湿地为研究对象,采集盐地碱蓬群落土壤作为实验样品,设置过度干旱、干湿交替、过湿处理三组对照试验,分析表明,水分的过度饱和及过度的干旱都会抑制土壤的呼吸,其中过度缺水对呼吸速率的抑制作用更强。值得注意的是,大量研究集中于土壤中微生物的异养呼吸,而忽略了植物根呼吸和有机物质的分解对土壤呼吸的影响。
  2.2水涝胁迫对土壤呼吸的影响
  贾璐婷模拟了水涝条件探究水涝胁迫对根区呼吸的影响,研究表明,水涝胁迫影响了东北山樱的根系功能,东北山樱根系活力与根系总呼吸速率不断下降;赵慢选取农田休闲季土壤,通过在短时间尺度上模拟雨季不同降水形式、不同底物和土壤氮素残留量探究不同底物条件下土壤微生物呼吸对极端降水的响应,分析表明,极端降水事件显著影响土壤CO2通量变化,且土壤氮素和底物是影响该过程的重要因素;李新鸽等通过分析表明,湿度较高的土壤经过短时间降雨迅速达到水分饱和或积水状态,降雨引发的干湿交替通过限制O2进入土壤,形成厌氧环境,抑制微生物和根系呼吸;赵可夫分析表明,水涝造成的土壤缺氧使植物的正常有氧呼吸无法进行,只能转变成无氧呼吸。涝害减少了植物组织与土壤之间的气体交换,导致根部区域形成缺氧或厌氧环境,从而引起生物代谢反应发生紊乱,这是各种涝害发生的主要决定因子。由于土壤中的氧气迅速亏缺,好氧微生物因缺氧而死亡,阻碍正常土壤呼吸的进行,甚至引起土壤和厌氧微生物产生了许多对植物有害的物质,这些有害物质将随着淹水的不同程度影响着植物的正常生长和发育,甚至烂根死苗。
  2.3干湿交替对土壤呼吸的影响
  向元彬等通过野外原位试验,研究降雨量改变对华西雨屏区常绿阔叶林干旱和湿润季节土壤呼吸速率的影响,分析表明,与湿润季节相比,干旱季节土壤水分对土壤呼吸速率的影响较大; 陈亮采用固定式遮雨顶棚和雨水输送管道相结合的方法设置增减雨处理小区,在干旱期进行增雨处理后,土壤呼吸大幅上升;张素等通过开展干湿交替对土壤理化性质影响的研究表明,湿润过程中土壤呼吸速率在最开始培养时最大,随着培养时间的延长以及干湿交替次数的增加,土壤呼吸速率曲线呈指数下降;秦纪洪等通过监测不同干湿交替模式下培养土壤的呼吸动态,评估干濕交替特征对干热河谷土壤有机碳库退化的影响,结果表明,风干土壤再湿润对土壤呼吸具有激发效应,随着干湿交替次数的增加,激发效应随之衰减,经过多次干湿交替后降至某一稳定水平,干湿交替周期越长(周期长于12d),土壤再湿润后导致的土壤呼吸激发效应的衰减越不明显;李春和等采用室内培养法,研究氮肥添加下栗钙土中土壤微生物呼吸及微生物量碳对恒湿处理和干湿交替的响应,结果显示,相较恒湿处理,干湿交替处理下的环境更有利于土壤呼吸,且更有利于土壤微生物的存活;由上述研究成果可分析得出,在干湿交替的生长环境中,土壤微生物活性更强,有利于微生物的生存和微生物量的增加。
  3.总结与展望
  3.1总结
  土壤呼吸代表了土壤碳素的周转速率和土壤中微生物的总体活性,一定程度上反映出植物生长条件的优劣。综合上述研究结论,土壤水分过多或不足均会抑制土壤呼吸,只有在土壤水分含量适中时土壤呼吸速率最大,适当的干湿交替循环有利于土壤中微生物的生存,比干旱和过湿状态都更有利于土壤呼吸,但干湿交替循环次数达一定值后,对土壤呼吸的影响作用将变得不太明显,甚至有可能抑制植物的正常的生长发育。因此,在实际应用中应当根据实际情况,合理控制干湿交替的程度和次数,以达到最好的效果。
  3.2展望
  近年来,多数干湿交替对土壤呼吸的影响的研究集中于干湿交替对土壤生物量的影响,缺乏植物根系呼吸作用和土壤有机质分解对土壤呼吸效果的考察。然而,陆地植物光合作用产物的50%以上是被根系呼吸消耗掉了,这一比例的大小取决于植物相对生长速率及其营养状况,了解根系呼吸的数量资料对于全面掌握植物生长规律具有光合作用相当的重要意义。因此,应拓宽研究领域,全面的把握土壤呼吸对水分胁迫的响应机制;加深对水分胁迫条件下,植物根区呼吸变化的研究;进一步开展自然条件的控制实验,室内单一变量的控制实验和自然条件下环境变化对研究结果的影响仍然存在一定差距。
  【参考文献】
  [1] 蒋笑丽,陈文伟,章建红,洪春桃,魏斌,沈登锋.干旱区抗旱树种选育及造林技术研究进展[J].安徽农业科学,2018,46(35):17-18.
  [2] 王永泰.植物与旱、涝灾害[J].生物学教学,1994(05):33-34.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14897650.htm

服务推荐