降水变化对荒漠草原土壤呼吸和碳库动态的影响研究

Precipitation as an important disturbance factor in global climate change, plays a major role in the regulation of the soil carbon cycle and underground ecological processes. The research about the influence of changing precipitation regimes on the source-sink relations of soil carbon pool is significant at the desert grassland. However, the research about this issue is few at the ecological zone. Through continuous rainfall manipulation experiments simulating the changes of rainfall amount, frequency and intensity, the dynamic response of soil respiration and its components, soil active carbon, microbial diversity, fine root turnover and litter decomposition will be examined at desert grassland. The influence of precipitation pattern on the contributions of soil microbial respiration and root source respiration to soil respiration will be confirmed. The influences of precipitation regimes on the active organic carbon and its chemical structure will be analysed. Integrating soil microbial activity and diversity with fine root turnover and litter decomposition, the influencing mechanism of precipitation regimes on soil carbon sequestration at desert grassland would be elucidated. This study will support basic data for clarifying the influencing mechanism of precipitation regimes on soil carbon balance in terrestrial ecosystems and scientific foundation for assessing the soil carbon dynamics and carbon sink function of desert grassland ecosystem.

降水作为全球气候变化中重要的扰动因子，对土壤碳循环及地下生态过程具有重要的调控作用。未来降水格局改变对荒漠草原土壤碳库源/汇功能的影响具有深刻的研究意义。然而，有关降水变化对该生态区土壤碳过程的影响研究还很缺乏。本研究以黄土高原荒漠草原为研究对象，通过连续定位模拟生长季降水量、降水频率和强度变化，研究荒漠草原土壤呼吸及其组分、土壤活性碳组分、微生物多样性、细根周转和凋落物分解的动态响应，以得出降水变化如何影响土壤微生物呼吸、根系呼吸及其对土壤总呼吸的贡献，明确降水格局变化对土壤有机碳活性组分及其化学结构的影响结果，探明不同降水格局下土壤微生物活性、多样性和微生物呼吸的变化规律，结合凋落物分解和细根周转的动态特征，揭示不同降水格局对荒漠草原土壤碳固存效应的影响机制。为探明降水变化对陆地生态系统土壤碳平衡的影响机制提供基础资料，也为科学评估我国半干旱地区荒漠草原土壤碳库动态和荒漠草原生态系统的

草地生态系统在全球碳收支中作用显著，对降雨变化响应敏感，其碳源汇功能将表现出很大的不确定性。以黄土高原西部荒漠草原为研究对象，连续3年开展控制试验模拟降水变化，在自然降水基础上，增加降水20%、40%、减少降水20%、40%，初步研究了降水格局改变对荒漠草原土壤碳循环过程、植物群落特征和土壤微生物多样性的影响。主要研究结果如下：.2013-2015年，减水40%处理的物种丰富度、多度、平均高度、盖度和地上生物量低于增水处理，增水与对照间无显著差异。多年生草本占总生物量的比例稳定，以减水40%（60-80%）和增水40%处理（55-74%）更高。最强干旱处理的植物群落组成简化、结构趋于简单、优势种更新受限，生长萎缩。.土壤干燥或湿润时，减水40%处理的土壤呼吸速率低于增水处理及对照。土壤干燥时，微生物量碳、可溶性碳、易氧化碳，未沿降水梯度呈明显、规律地变化，表明根系呼吸引起降水处理间土壤呼吸的显著差异。土壤湿润时，增水40%处理的活性碳含量呈较高趋势，根系呼吸、基质供给共同引起降水处理间土壤呼吸的差异。土壤无机氮在减水40%处理显著积累，是植物吸收减少、氮矿化增强的平衡。土壤养分对降水处理无明显响应。.湿润年（2014年），放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）是土壤微生物的优势菌群。不同降水处理间的微生物菌群丰度存在差异。减水处理的Actinobacteria丰度最高（32.8%、48.6%），其次是增水20%处理（19.6%），对照和增水40%处理最低（4.80%、2.70%）。而对照和增水40%处理的Bacteroidetes丰度最高，分别为34.90%、57.60%，其他处理为0.8%-5.5%。干旱年（2015年），降水处理间菌群丰度接近。Bacteroidetes亦退出了优势菌群，总丰度由20.6%（2014年）下降为1.5%。降水处理间土壤微生物多样性的年际变异与土壤呼吸速率一致。.降水变化引起自然降水量偏离多年均值较大时，土壤微生物多样性与土壤呼吸年际变异的正相关反映了土壤微生物与植物生长、土壤碳矿化的密切联系。该结果揭示了降水变化对生态系统组分及其相互作用的影响，提高了对气候变化影响下黄土高原荒漠草原生态系统过程的认识。