高寒草地不同层次土壤碳周转及其调控因素

Soil carbon (C) dynamics is receiving great interests among the global change research community. However, previous studies mainly focused on short-term dynamics ranging from months to years, with less attention being paid to soil C turnover over longer timescales. Moreover, previous studies mainly considered climatic factor as dominant determinants of soil C turnover over regional scale, with little known about the relative importance of C recalcitrance, mineral adsorption and soil aggregate in controlling regional patterns of soil C turnover time. Furthermore, it remains unknown whether the factors regulating soil C turnover in the surface and deep soils are similar or not. In this project, we will explore regional patterns of soil C turnover time across Tibetan alpine grasslands using the long-term incubation data combined with three-pool model as well as radiocarbon analysis. We will also employ nuclear magnetic resonance technique, biomarker analysis, X-ray diffraction, aggregate analysis, to further reveal the different mechanisms responsible for spatial variations of soil C turnover time in both surface and deep soil layers. The implementation of this project could improve our understanding of large-scale variation of soil C turnover over regional scale and terrestrial C-climate feedback on the Tibetan Plateau.

土壤有机碳动态是当前全球变化研究中关注的焦点问题。然而，以往研究主要集中在短时间尺度(年内到年际间)，对中长时间尺度的土壤碳周转的关注较少。并且，目前的研究主要关注气候因素对区域尺度土壤碳周转的调控作用，尚不清楚化学难降解性、矿物吸附和团聚体保护这三类土壤因素在调控土壤碳周转中的相对重要性，也不清楚表层与深层土壤碳周转调控因素是否存在差异。本项目拟以青藏高原高寒草地为研究对象，采用室内长期培养与放射性碳同位素(14C)分析的方法，评估区域尺度土壤碳周转的空间格局。在此基础上，基于核磁共振、生物标志物分析、X-射线衍射和团聚体分析技术，进一步阐明化学难降解性、矿物吸附和团聚体物理保护这三类土壤因素对表层与深层土壤碳周转的相对贡献，揭示不同层次土壤碳周转调控因素的差异。本项目的实施有望为准确认识土壤碳周转的大尺度格局及其变化规律，预测生态系统碳循环与气候变暖之间反馈关系提供科学依据。

土壤有机碳动态是当前全球变化研究中关注的焦点问题。然而，以往研究主要集中在短时间尺度(年内到年际间)，对中长时间尺度的土壤碳周转的关注较少。并且，目前的研究主要为局域尺度研究，关于土壤碳周转和土壤碳激发效应的大尺度格局及其关键调控因素尚不清楚。为此，本项目以青藏高原高寒草地为研究对象，采用室内培养、稳定性同位素标记(13C)与放射性碳同位素(14C)分析的方法，评估区域尺度土壤碳周转与土壤碳激发效应的空间格局。在此基础上，基于植被遥感数据获取、核磁共振、生物标志物分析、矿物分析和微生物酶活技术，进一步阐明植物输入、化学难降解性、矿物保护和微生物属性对土壤碳周转及土壤碳激发效应的相对贡献，并揭示不同层次土壤碳周转调控因素的差异。结果发现：(1) 表层土壤∆14C呈现出自东(100.4 ‰)向西(-226.1 ‰)递减的趋势，即土壤碳周转时间自东向西显著增加；而下层土壤∆14C显著高于表层土壤∆14C 值(-259.2 ±22.6 ‰ vs. -37.7±16.0 ‰)，表明下层土壤碳周转时间显著表层土壤。(2)在青藏高原区域尺度和全球尺度上，植物碳输入均超过其他非生物因素的作用，是影响表层土壤有机碳周转的关键因素。然而，随着土壤深度的增加，植物碳输入的调控作用逐渐减弱，矿物保护则成为决定深层土壤碳周转的主要因素。(3)土壤碳激发效应随土壤难分解碳组分的增加而增强，但随土壤团聚体和矿物保护作用的增加而减弱。此外，土壤有机质的化学难降解性和物理化学保护对激发效应的调控作用超过了传统的植被、土壤和微生物属性，是导致高寒草地土壤碳激发效应空间变异的关键因素。上述研究丰富了学术界对土壤碳周转和土壤碳激发效应的大尺度格局及其变化规律的认识，预测土壤碳循环与气候变暖之间反馈关系提供科学依据。在该项目的支持下，项目组成员在Nature Communications、Ecology Letters、Science Advances等刊物共发表SCI论文5篇，顺利完成了各项研究任务，实现了预期目标。