基于同位素技术的干旱荒漠区土壤碳来源与转化关系研究

Vegetation and soil carbon pools is important carbon pool of terrestrial ecosystem , which plays a crucial role in carbon biogeochemical cycle. Carbon isotope technique is one of the credible and effective techniques in ecological research,which can efficiently trace the dynamics of carbon transfer in ecological systems, and has been extensively applied in many fields of ecology. The previous study is emphasized in soil organic carbon cycle, but soil inorganic cycle is usually neglected. However, soil inorganic carbon storage in arid region is huge and has significant contribution to region carbon cycle process. Therefore, the behaviors of soil organic carbon and inorganic carbon in the arid region must be considered in the soil carbon cycle study. This study selects the south margin of Junggar basin as research area. The main objective is (1) to reconstruction the proportion of C3 and C4 vegetation biomass base on the δ13C of soil organic carbon, (2) to evaluate the proportion of lithogenic and pedogenic carbonate carbon base on the δ13C of soil inorganic carbon, and assess the reponse of soil carbonate carbon to C3 and C4 vegetation evolution, (3) to discuss the relationship of δ13C between soil organic carbon, soil CO2 and soil inorganic carbon, and reveal the soil carbon cycle mechanism of arid region. The significance of this research is open up a new research field of soil carbon cycle in arid region and provide a new idea for the global missing carbon sink study.

植物和土壤是陆地生态系统的重要碳库，而碳同位素技术对各碳库中碳元素的迁移具有很好的指示作用，能够为碳转化研究提供有力证据。以往研究土壤碳循环主要是针对有机碳，较少考虑无机碳的作用，但干旱区土壤无机碳在区域碳循环过程中的贡献日益显著，因此干旱区土壤碳循环研究必须同时考虑土壤有机碳和无机碳的行为。本研究以准噶尔盆地南缘为例，采集3种典型植被区剖面土壤和植被样品，分析δ13C变化特征，研究剖面土壤有机碳来源中C3和C4植被的比例，反演植被演替过程；区分剖面土壤无机碳来源中岩生性碳酸盐碳和发生性碳酸盐碳的比例，评价土壤碳酸盐碳δ13C对C3和C4植被演替的响应；从同位素生态学的角度，借助箱式法测定的土壤呼吸同位素，发现地表植被、土壤有机碳、土壤CO2和无机碳间δ13C值的响应关系，探讨干旱荒漠区土壤有机碳和无机碳的转化关系，以推动干旱区土壤碳循环研究，揭示干旱区碳循环过程及其在全球碳循环中的作用。

土壤碳库综合了数年到数万年尺度植被的演替信息，是对区域生物量碳同位素组成变化的最佳记录。同位素技术对各碳库中碳元素的迁移动态有很好的示踪作用，可以为不同时间尺度的土壤碳动态过程研究提供强有力的工具。因此借助同位素技术将有助于推进干旱区土壤碳循环研究，并为全球“碳失汇”研究提供新的思路。准噶尔盆地及其周围山地是中亚干旱区典型的荒漠景观，本研究以准噶尔盆地南缘为例，根据荒漠距离绿洲的远近，分别在荒漠的边缘、中部和腹地设置三条样带，并采集200 cm深的土壤剖面样品和植被样品，研究土壤有机碳（SOC）、土壤无机碳（SIC）、植被碳及其稳定碳同位素的分布；同时在天山北坡三工河流域基于不同海拔梯度获取土壤和植被样品，探讨干旱区流域尺度植被碳、SOC、土壤CO2和SIC的相互转化关系。研究结果显示，三工河流域降雨量在300 mm以下的采样点，SOC δ13C值随降雨量的增加呈递减趋势，而降雨量在300-500 mm的采样点，δ13C值随降雨量变化不明显（R2=0.04）。三工河流域纯C3植物采样点土壤剖面δ13C值随采样深度具有明显的富集效应，即土壤剖面下层δ13C值大于上层，其平均差值为1.01‰，与其他相关区域研究结果一致。而沙质荒漠和土质荒漠采样点剖面下层与上层SOC δ13C平均差值为4.33‰，其变化趋势与纯C3植物采样点相反，且其表层δ13C值接近C4植物来源，底层接近C3植物来源；准噶尔盆地南缘荒漠区SOC含量随深度加深而减少，受距离绿洲远近的影响，SOC含量为荒漠边缘>荒漠中部>荒漠腹地。SOC的δ13C值范围为-25.199‰～-17.418 ‰，随深度变化先增后减。受碳酸盐淀积作用影响，80%的采样点SIC含量随深度增加而先增后减，80cm左右富集。SIC的δ13C值随深度变化先减后增，底层富集。土壤剖面SOC δ13C变化范围分别为-20.19～-22.69 ‰和-18.01～-24.16 ‰，其表层SOC δ13C值接近C4植物来源，而底层接近C3植物来源，因此推断其地上历史植被可能经历了由C3到C4的演替过程，该推断也与研究区相关植被演替的结论一致。研究显示准噶尔盆地南缘干旱区历史植被演替可能存在草地生态系统被灌木生态系统所取代的过程，即C3草地演替为C4灌丛的过程。本研究将为证实这一现象的存在提供碳同位素生态学的证据。