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文献解读|气候对陆地自然生态系统土壤磷循环和有效性的影响

日期: 2022-09-16
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文献解读|气候对陆地自然生态系统土壤磷循环和有效性的影响
文献解读

译名

气候对陆地自然生态系统土壤磷循环和有效性的影响


作者:EnqingHou,etal.


期刊:GlobalChange Biology


影响因子/分区:13.11/1区


发表时间:2018年


文献解读|气候对陆地自然生态系统土壤磷循环和有效性的影响
1.关键词
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土壤磷有效性,气候,磷循环,土壤特性,全球模式。

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2.研究主题和背景
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(1)背景:过去21世纪以来,全球平均气温和降水量预计都将上升,空间变化幅度较大,持续的气候变化会对陆地自然生态系统的养分循环和有效性产生很大的影响,而目前关于P循环对气候变化的响应了解很少,提高气候变化对土壤磷循环及其有效性影响的认识,有助于将磷循环纳入地球系统模型。

(2)主题:本研究中,我们将假设导向的路径模型分析应用于一个全球数据库,其中包括连续提取的土壤磷组分、气候变量和关键土壤属性。结合路径模型分析和全球数据库,我们可以在全球尺度上量化潜在的直接和间接路径和土壤性质在气候对土壤磷有效性的影响中的相对重要性。

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3.科学问题或科学假说
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科学问题:

A.气候因素(温度、降水、干旱程度)在全球尺度上如何影响土壤磷生物有效性?

B.土壤磷素形态和关键土壤性质如何介导气候影响土壤磷生物有效性?

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4.材料与方法
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1)数据源及数据准备:

使用了Hedley(1982)等人的顺序分馏浸提法,编制一个土壤磷组分数据库。我们的调查仅限于未施肥、未开垦和(半自然)自然土壤的研究。之前数据库包括2015年8月之前发表的85项研究共626个土壤样品的HedleyP组分、土壤全磷、土壤类型、土壤深度、植被类型和站点地理位置(纬度和经度)信息,本研究数据库被更新,包括98项研究的802个土壤样本。此外,本研究还增加了场地气候条件(平均年温度(MAT)、平均年降水量(MAP)和干旱程度)、土壤粒径测量(沙子(0.05- 0.05)2.00 mm)、淤泥(0.002- 0.05 mm)和粘土(<0.002 mm)含量、3个关键土壤化学性质(pH、全有机碳和全氮)以及母质类型。

采用Hedley等(1982)和Tiessen&Moir改进的方法提取土壤磷组分(1993),将其划分为5个功能性磷库:土壤速效磷、次生矿物磷、有机磷、原生矿物磷和闭蓄磷。文献解读|气候对陆地自然生态系统土壤磷循环和有效性的影响对于760个土壤样品,在参考研究没有报告测量的纬度或经度的情况下,大约的纬度和经度(对于80个样品)是通过谷歌Earth7.0(免费版本)中的位置名称进行地理编码得到的。在参考研究未报告MAT(351样本)、MAP(299样本)或海拔(427样本)的情况下,其值来源于WorldClim。植被类型以森林为主(63.7%),其次为草地(18.4%)和灌木(6.4%),其他植被(例如稀树草原)所占比例相对较小。

(2)数据分析:

在进行海拔高度、土壤深度、土壤全有机碳、全氮、全磷和所有土壤磷素库的相关性分析之前,进行log10转换以提高正态性。采用Pearson相关分析方法,利用spss19.0软件分析气候与土壤性状的二元关系,采用SigmaPlot12.0绘图技术和回归方法。利用SPSS19.0进行偏相关分析,以确定MAT对MAP和土壤磷库相关性的影响程度,或反之,以探索MAT、MAP和土壤磷库之间的相互关系。SEM结构方程模型定量分析了气候对土壤速效磷影响的潜在直接和间接途径和土壤性质的相对重要性。我们计算了气候和土壤性质对土壤磷素库的标准化总影响,以显示气候和土壤性质对土壤磷素形态和有效性的相对影响。

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5.结果
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(1)二元相关关系:

文献解读|气候对陆地自然生态系统土壤磷循环和有效性的影响壤P库除次生矿物P(即有效磷)外,其余均随MAT的增加呈线性下降趋势,土壤次生矿物P与MAT无显著相关关系。

土壤有效磷库、原生矿物P库与MAP呈线性下降,有机P库、次生P库和闭蓄P库均与MAP呈上升关系。除原生矿物磷(有效磷、有机磷、次生矿物磷、封闭磷和总磷)外,土壤磷库均随砂含量的增加线性降低,随土壤有机碳浓度的增加而线性增加。随着土壤pH的降低,土壤原生矿物磷和总磷呈下降趋势,有机磷、次生矿物磷和闭蓄磷呈上升趋势。

(2)气候对土壤P库的总体影响:

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用MAT和MAP对所有样品进行SEM分析,可以解释44%、59%、61%和52%的土壤速效磷、原生矿质磷、有机磷和次生矿质磷的变异率。文献解读|气候对陆地自然生态系统土壤磷循环和有效性的影响在土壤磷库中,土壤有机磷和原生矿物磷对土壤有效磷的正向影响最大,其次是次生矿物P,土壤pH对土壤原生磷有正向影响,对次生磷有负向影响。MAT对土壤中所有磷库和土壤有机碳均有负向影响,但对土壤砂粒含量有正向影响(图3b)。MAT对土壤原生矿物磷有直接的负向作用,对土壤次生矿物磷有直接的正向作用。

与MAT相比,MAP通过降低土壤砂粒含量对所有土壤磷库和土壤有机碳均有正向影响(图3b)。MAP通过降低土壤pH直接或间接地影响土壤原生矿物P(图3b)。MAP主要通过对土壤有机C的影响来正向影响土壤有机P,并通过土壤pH、有机C和砂粒含量这3种土壤特性(图3b)来正向影响土壤次生矿物P(图3b)。MAP通过降低土壤pH和原生矿磷直接或间接地影响土壤有效磷。

(3)气候因子对土壤磷库相对于其他生态系统特性的影响:

文献解读|气候对陆地自然生态系统土壤磷循环和有效性的影响择气候、植被、土壤和母质因子作为预测因子的BRT分析解释了82%-91%的土壤磷库变化(表2)。一般来说,气候因子占土壤磷库总变化的比例(即MAT和MAP)与土壤类型、母质所占比例相当。

其中,土壤有机C占土壤有效磷总解释变异的比例最大(22.5%),其次是MAT(16.5%)和MAP(16.1%)、母质类型(14.6%)、土壤类型(13.3%)、pH(14.6%)和含沙量(3.9%)和植被类型(2.0%)。在预测因子中,土壤有机C对土壤有机P的影响最为显著(53.3%);MAT、土壤类型和土壤pH对土壤原生矿物P的影响最大(分别为29.7%、25.8和23.8%);土壤pH对土壤次生矿物P的影响最大(22.6%);土壤类型、pH、有机碳浓度和砂粒含量对土壤闭蓄磷的影响最大(总和为69%;表2)

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6.讨论
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研究结果表明,MAT、MAP和干旱都影响全球陆地生态系统的土壤磷循环和有效性,其影响主要取决于土壤颗粒大小。土壤有机磷和原生矿物磷是土壤有效磷的主要来源,气候对土壤速效磷的影响主要通过对土壤有机磷和原生矿质磷的影响。普遍认为炎热潮湿的热带地区土壤磷有效性低于寒冷的温带地区,在全球尺度上,土壤有效磷含量随MAT和MAP的升高而显著降低,这与该假说一致。然而,由于MAT和MAP具有典型的空间自相关性,两者对土壤磷素有效性的影响往往没有很好地分离。以往的研究表明,MAT通过增加土壤风化程度和植物对磷的吸收,对土壤磷素有效性产生负面影响。与这些研究一致的是,MAT通过降低土壤原生磷直接或间接地对土壤有效磷产生负面影响,但这种直接影响在统计上并不显著。MAT通过降低土壤有机磷和有机碳含量,增加土壤沙粒含量,对土壤速效磷也有负向影响。土壤磷素矿化对温度变化的敏感性高于植物磷产量。土壤有效磷通过增加土壤沙粒含量对土壤有效磷产生负面影响,这可能是由于土壤有效磷含量高增加了土壤富集细颗粒的风致损失风险。

气候对土壤磷形态和有效性的影响模式在全球尺度上普遍适用于表土和底土,在干旱和非干旱环境中也适用,尽管气候对表土的影响主要大于底土,在干旱环境中也大于非干旱环境。预计气候对土壤性质的影响在干旱环境中通常比在非干旱环境中更大。这是因为土壤水分供应在干旱环境中比在非干旱环境中起着更重要的决定生态系统性质的作用,它可以被气候变化所改变。气候对土壤速效磷的影响在低沙和高沙土壤间存在差异。结果表明,气候与土壤颗粒大小相互作用,影响土壤磷素有效性。与低沙土壤相比,在经历大量降水时,高沙土壤更容易通过淋滤和径流失去包括磷在内的养分。因此,MAP对高沙土壤速效磷含量有显著负向影响,而对低沙土壤速效磷含量无显著影响。持续的全球降水变化对高沙土速效磷的负面影响可能比仅基于降水量的研究结果更强。与MAP一样,MAT也与土壤颗粒大小相互作用,从而影响土壤速效磷。首先,温度的升高可能会降低高沙质土壤的含水量,但对低沙质土壤的含水量影响相对较小。温度升高引起的土壤含水量降低可能会抵消温度对植物生长和磷吸收的积极影响。

气候可能会影响陆地生态系统中的若干磷循环。然而,与植物特征和其他环境条件(如植被、土壤和母质类型)相比,气候因素在决定土壤磷有效性方面的重要性尚不清楚。结果表明,在全球尺度上,气候因子(MAT和MAP)解释的土壤速效磷变化比例与土壤类型、pH、有机碳浓度和母质类型解释的土壤速效磷变化比例大致相当。

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7.结论
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综上,MAT对土壤磷素有效性的影响主要表现为降低土壤原生磷和有机磷库,增加土壤沙粒含量。MAP与土壤磷素有效性也呈负相关,但这主要是由于MAP与MAT的空间自相关所致。MAP对土壤磷有效性的总体影响较小,主要是MAP对土壤有效磷的直接负向作用和对土壤原矿磷的负向作用与对土壤有机磷的正向作用以及对土壤粒径的正向作用相互抵消。干旱程度主要由MAP决定,干旱对土壤速效磷总体影响较小。这些全球模式通常适用于土壤深度或场地干旱指数,也适用于低沙土壤。但高砂土P有效性受MAT和干旱的正向影响,MAP的负向影响。这些结果表明,气候对土壤磷素有效性的影响主要取决于生物磷素循环和土壤颗粒大小的响应。全球变暖与降水量变化对土壤磷有效性的影响差异显著。干旱对土壤磷素有效性的影响取决于干旱的驱动因素(温度变化,降水,或两者兼而有之)。我们的研究结果对气候智能型土壤保持和管理具有重要意义,有助于将土壤磷动力学纳入地球系统模型。

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END

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