Ảnh hưởng của Bức xạ UV và Vị trí Lớp Litter đối với Quá trình Phân hủy trong một Đồng cỏ California

Springer Science and Business Media LLC - Tập 17 - Trang 158-168 - 2013
Yang Lin1, Jennifer Y. King2
1Department of Geography,, University of California,, Santa Barbara,, USA
2Department of Geography, University of California, Santa Barbara, USA

Tóm tắt

Tầm quan trọng của quá trình phân hủy quang học trong sự phân hủy của lớp litter bề mặt gần đây đã được công nhận trong các hệ sinh thái đất khô và bán khô, tuy nhiên, vai trò của nó trong việc phân hủy lớp litter dày và các cơ chế mà nó tác động vẫn chưa rõ ràng. Chúng tôi đã nghiên cứu cách mà sự tiếp xúc với bức xạ cực tím (UV) và vị trí của lớp litter ảnh hưởng đến các quá trình phân hủy trong một đồng cỏ hàng năm ở California. Trong một thiết kế phân bổ ngẫu nhiên, chúng tôi đã cho lớp litter của Bromus diandrus tiếp xúc với hai mức độ bức xạ UV (cho phép UV và chặn UV) ở hai vị trí trên mặt đất (vị trí trên cùng, treo trên lớp litter, và vị trí dưới cùng của lớp litter) trong vòng 1 năm. Chúng tôi đã phát hiện rằng bức xạ UV đã tăng hằng số phân hủy của lớp litter lên 23% tại vị trí trên cùng trong 1 năm, nhất quán với sự xảy ra của quá trình phân hủy quang học. Ngạc nhiên thay, bức xạ UV cũng đã làm gia tăng hằng số phân hủy của lớp litter lên 30% tại vị trí dưới cùng trong 1 năm. Chúng tôi phỏng đoán rằng quá trình phân hủy quang học đã gián tiếp làm tăng sự phân hủy vi sinh vật thông qua hiệu ứng khởi động. Tổng thể, lớp litter tại vị trí trên cùng có hằng số phân hủy cao hơn 29% so với lớp litter tại vị trí dưới cùng. Về mặt hóa học của lớp litter, sự tiếp xúc với bức xạ UV đã làm tăng mất mát hemicellulose lên 26%, nhưng không làm mất lignin. Lớp litter ở vị trí dưới cùng cho thấy mất mát lớn hơn của phân đoạn hòa tan trong tế bào và sự cố định nitơ lớn hơn, nhưng mất mát hemicellulose lại thấp hơn so với lớp litter ở vị trí trên cùng. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng vị trí của lớp litter có vai trò quan trọng trong việc điều tiết sự đóng góp của quá trình phân hủy quang học đến quá trình phân hủy tổng thể, cả thông qua các hiệu ứng trực tiếp (vị trí trên cùng) và gián tiếp (vị trí dưới cùng). Do đó, việc định lượng tốt hơn cả hai hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp của quá trình phân hủy quang học có thể cải thiện hiểu biết về chu trình hóa sinh học trong các đồng cỏ.

Từ khóa

#photodegradation #decomposing litter #ultraviolet radiation #terrestrial ecosystems #decomposition processes

Tài liệu tham khảo

Adair EC, Parton WJ, Del Grosso SJ, Silver WL, Harmon ME, Hall SA, Burke IC, Hart SC. 2008. Simple three-pool model accurately describes patterns of long-term litter decomposition in diverse climates. Glob Chang Biol 14:1–25. Aerts R. 1997. Climate, leaf litter chemistry and leaf litter decomposition in terrestrial ecosystems: a triangular relationship. Oikos 79:439–49. Anderson JM. 1973. The breakdown and decomposition of sweet chestnut (Castanea sativa Mill.) and beech (Fagus sylvatica L.) leaf litter in two deciduous woodland soils. Oecologia 12:251–74. Austin AT. 2011. Has water limited our imagination for aridland biogeochemistry? Trends Ecol Evol 26:229–35. Austin AT, Ballaré CL. 2010. Dual role of lignin in plant litter decomposition in terrestrial ecosystems. Proc Natl Acad Sci 107:2–6. Austin AT, Vivanco L. 2006. Plant litter decomposition in a semi-arid ecosystem controlled by photodegradation. Nature 442:555–8. Berg B, McClaugherty C. 2008. Plant litter: decomposition, humus formation, carbon sequestration. Berlin: Springer. Brandt LA, King JY, Milchunas DG. 2007. Effects of ultraviolet radiation on litter decomposition depend on precipitation and litter chemistry in a shortgrass steppe ecosystem. Glob Chang Biol 13:2193–205. Brandt LA, Bohnet C, King JY. 2009. Photochemically induced carbon dioxide production as a mechanism for carbon loss from plant litter in arid ecosystems. J Geophys Res 114:G02004. Brandt LA, King JY, Hobbie SE, Milchunas DG, Sinsabaugh RL. 2010. The role of photodegradation in surface litter decomposition across a grassland ecosystem precipitation gradient. Ecosystems 13:765–81. Burnham KP, Anderson DR. 2002. Model selection and multimodel inference: a practical information-theoretic approach. New York: Springer. Christensen BT. 1986. Barley straw decomposition under field conditions: effect of placement and initial nitrogen content on weight loss and nitrogen dynamics. Soil Biol Biochem 18:523–9. Coŭteaux M-M, Bottner P, Berg B. 1995. Litter decomposition, climate and litter quality. Trends Ecol Evol 10:63–6. Day TA, Zhang ET, Ruhland CT. 2007. Exposure to solar UV-B radiation accelerates mass and lignin loss of Larrea tridentata litter in the Sonoran Desert. Plant Ecol 193:185–94. Deshmukh I. 1985. Decomposition of grasses in Nairobi National Park, Kenya. Oecologia 67:147–9. Dukes JS, Field CB. 2000. Diverse mechanisms for CO2 effects on grassland litter decomposition. Glob Chang Biol 6:145–54. Feng X, Hills KM, Simpson AJ, Whalen JK, Simpson MJ. 2011. The role of biodegradation and photo-oxidation in the transformation of terrigenous organic matter. Org Geochem 42:262–74. Gallo ME, Sinsabaugh RL, Cabaniss S. 2006. The role of ultraviolet radiation in litter decomposition in arid ecosystems. Appl Soil Ecol 34:82–91. Gehrke C, Johanson U, Callaghan TV, Chadwick D, Robinson CH. 1995. The impact of enhanced ultraviolet-B radiation on litter quality and decomposition processes in Vaccinium leaves from the Subarctic. Oikos 72:213–22. George B, Suttie E, Merlin A, Deglise X. 2005. Photodegradation and photostabilisation of wood—the state of the art. Polym Degrad Stab 88:268–74. Gessler PE, Chadwick OA, Chamran F, Althouse L, Holmes K. 2000. Modeling soil—landscape and ecosystem properties using terrain attributes. Soil Sci Soc Am J 64:2046–56. Hatfield R, Fukushima RS. 2005. Can lignin be accurately measured? Crop Sci 45:832–9. Hatfield RD, Jung HG, Ralph J, Buxtond DR, Weimeraq PJ. 1994. A comparison of the insoluble residues produced by the Klason lignin and acid detergent lignin procedures. Phytochemistry 65:51–8. Henry HAL, Brizgys K, Field CB. 2008. Litter decomposition in a California annual grassland: interactions between photodegradation and litter layer thickness. Ecosystems 11:545–54. Hewins D, Archer S, Okin G, McCulley R, Throop H. 2013. Soil–litter mixing accelerates decomposition in a Chihuahuan desert grassland. Ecosystems 16:183–95. Hobbie SE. 2000. Interactions between litter lignin and soil nitrogen availability during leaf litter decomposition in a Hawaiian montane forest. Ecosystems 3:484–94. Holland EA, Coleman DC. 1987. Litter placement effects on microbial and organic matter dynamics in an agroecosystem. Ecology 68:425–33. Hughes KA, Lawley B, Newsham KK. 2003. Solar UV-B radiation inhibits the growth of Antarctic terrestrial fungi. Appl Environ Microbiol 69:1488–91. Johnson D. 2003. Response of terrestrial microorganisms to ultraviolet-B radiation in ecosystems. Res Microbiol 154:315–20. Jung HG, Varel VH, Weimer PJ, Ralph J. 1999. Accuracy of Klason lignin and acid detergent lignin methods as assessed by bomb calorimetry. J Agric Food Chem 47:2005–8. King JY, Brandt LA, Adair EC. 2012. Shedding light on plant litter decomposition: advances, implications and new directions in understanding the role of photodegradation. Biogeochemistry 111:57–81. Kuzyakov Y, Friedel JK, Stahr K. 2000. Review of mechanisms and quantification of priming effects. Soil Biol Biochem 32:1485–98. Lee H, Rahn T, Throop H. 2012. An accounting of C-based trace gas release during abiotic plant litter degradation. Glob Chang Biol 18:1185–95. McLauchlan KK, Hobbie SE, Post WM. 2006. Conversion from agriculture to grassland builds soil organic matter on decadal timescales. Ecol Appl 16:143–53. Meentemeyer V. 1978. Macroclimate and lignin control of litter decomposition rates. Ecology 59:465–72. Melillo JM, Aber JD, Muratore JF. 1982. Nitrogen and lignin control of hardwood leaf litter decomposition dynamics. Ecology 63:621–6. Moorhead DL, Currie WS, Rastetter EB, Parton WJ, Harmon ME. 1999. Climate and litter quality controls on decomposition—an analysis of modeling approaches. Glob Biogeochem Cycl 13:575–89. Nagy LA, Macauley BJ. 1982. Eucalyptus leaf-litter decomposition: effects of relative humidity and substrate moisture content. Soil Biol Biochem 14:233–6. Pancotto V, Sala O, Cabello M, López NI, Robson TM, Ballaré CL, Caldwell MM, Scopel AL. 2003. Solar UV-B decreases decomposition in herbaceous plant litter in Tierra del Fuego, Argentina: potential role of an altered decomposer community. Glob Chang Biol 9:1465–74. Quideau S, Graham R, Oh S, Hendrix P, Wasylishen R. 2005. Leaf litter decomposition in a chaparral ecosystem, Southern California. Soil Biol Biochem 37:1988–98. Rozema J, Tosserams M, Nelissen HJM, Van Heerwaarden L, Broekman RA, Flierman N. 1997. Stratospheric ozone reduction and ecosystem processes: enhanced UV-B radiation affects chemical quality and decomposition of leaves of the dune grassland species Calamagrostis epigeios. Plant Ecol 128:285–94. Rutledge S, Campbell DI, Baldocchi D, Schipper LA. 2010. Photodegradation leads to increased carbon dioxide losses from terrestrial organic matter. Glob Chang Biol 16:3065–74. Smith WK, Gao W, Steltzer H, Wallenstein MD, Tree R. 2010. Moisture availability influences the effect of ultraviolet-B radiation on leaf litter decomposition. Glob Chang Biol 16:484–95. Throop HL, Archer SR. 2007. Interrelationships among shrub encroachment, land management, and litter decomposition in a semidesert grassland. Ecol Appl 17:1809–23. Thurow TL. 1989. Decomposition of grasses and forbs in coastal savanna of southern Somalia. Afr J Ecol 27:201–6. Van Soest PJ. 1963. Use of detergents in the analyses of fibrous feeds. A rapid method for the determination of fiber and lignin. J Assoc Off Anal Chem 46:829–35. Van Soest PJ. 1965. Symposium on factors influencing the voluntary intake of herbage by ruminants: voluntary intake in relation to chemical composition and digestibility. J Anim Sci 24:834–43. Von Lützow M, Kögel-Knabner I, Ekschmitt K, Flessa H, Guggenberger G, Matzner E, Marschner B. 2007. SOM fractionation methods: relevance to functional pools and to stabilization mechanisms. Soil Biol Biochem 39:2183–207. Yanni SF, Whalen JK, Simpson MJ, Janzen HH. 2011. Plant lignin and nitrogen contents control carbon dioxide production and nitrogen mineralization in soils incubated with Bt and non-Bt corn residues. Soil Biol Biochem 43:63–9. Zar JH. 1999. Biostatistical analysis. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.