高寒草原生态系统碳通量对不同氮水平的响应及其化学计量学机制

Unprecedented levels of nitrogen (N) have entered terrestrial ecosystems since the Industrial Revolution, which exerts great influence on carbon (C) exchange between the atmosphere and terrestrial biosphere. The direction and magnitude of the responses of ecosystem C flux components to N enrichment have been widely evaluated, but we know little about how these processes change with gradually increasing N additions. Meanwhile, soil temperature and moisture as well as plant and microbial biomass are traditionally regarded as the major controllers over the responses of ecosystem C fluxes to N input. The C:N:phosphorous (P) stoichiometry regulates plant and soil organism growth and metabolisms, and thus influence ecosystem C fluxes. To date, it remains unclear how the shifts in C:N:P stoichiometry affect ecosystem C fluxes under N enrichment. In this project, we aim to reveal the general response patterns of various ecosystem C flux components (Net ecosystem CO2 exchange; soil respiration and its components; above- and belowground net primary productivity) to multiple N additions by conducting a manipulative experiment in a Tibetan alpine steppe. Meanwhile, we try to build up the linkages between the responses of C:N:P stoichiometry and ecosystem C fluxes to N enrichment, and also determine their relative contributions compared with other factors using linear mixed-effects models. The implementation of this project could improve our understanding of terrestrial C – climate feedback under global change scenarios.

工业革命以来，氮输入的不断增加显著影响了大气和陆地生物圈之间碳的交换。以往对于生态系统碳交换的研究，主要关注碳通量不同组分对氮添加响应的方向和强度，其随着氮有效性的持续增加如何变化，报道较少。另外，以往研究一般关注土壤温度、水分以及植物和微生物生长的调控，生态化学计量学影响植物和土壤生物的生长和代谢，进而也会影响碳的吸收和释放。但是，施氮引起的碳氮磷比的改变如何调控碳通量及其相对于其他因子的重要性，尚不清楚。本项目拟以青藏高原高寒草原为研究对象，利用氮添加控制实验，考察生态系统碳通量主要组分(生态系统CO2净交换、土壤呼吸及其组分、地上地下生产力)沿着不同氮添加水平的变化特征；同时，建立施氮引起的植物和微生物碳氮磷比的变化与碳通量组分变化之间的联系，在此基础上，基于线性混合效应模型分析其相对于其他因子的贡献。本项目的实施有助于加深我们对陆地生态系统碳循环与气候变化之间反馈关系的认识。

工业革命以来，氮输入的不断增加显著影响了大气和陆地生物圈之间碳的交换。然而，生态系统碳通量不同组分随施氮量增加的变化规律及其调控机制尚不清楚。本项目利用野外控制实验、整合分析等手段，分析了氮添加对生态系统碳通量不同组分的影响及其机制。主要结果如下：1) 解析了不同氮水平对青藏高原高寒草原生态系统碳通量的影响及其化学计量机制。依托“青藏高原高寒草原氮梯度实验平台”，研究发现随着施氮量的增加，生态系统生产力呈非线性变化。这种变化主要受到优势种叶片氮磷化学计量比和叶片磷含量功能多样性的调控，而传统观点认为的温度、水分、氮有效性和叶面积等因素对生产力变化的解释较弱；2) 量化了全球尺度上生产力的氮饱和阈值以及植物氮磷比对生产力的调控作用。通过整合全球尺度四个以上氮水平野外实验，估算临界施氮量和最大生产力的均值分别为15和477 g m-2 year-1。进一步分析发现，相对于温度、降水、氮添加量等因素，施氮引起的植物氮磷比变化能够更好的解释生产力的非线性响应趋势，施氮引起的磷限制的不断加剧可能是导致生产力趋于饱和的重要原因；3) 揭示了土壤微生物对CH4吸收和N2O排放的调控机制。在高寒草原生态系统中，土壤CH4吸收速率与施氮量呈单峰曲线关系，这种变化受到环境因子和甲烷氧化酶活性的共同驱动；与土壤CH4吸收不同，N2O排放速率随着施氮量的增加呈线性增长趋势。进一步研究发现N2O排放与施氮量的关系受到底物(速效氮含量)和硝化微生物-铵氧化古菌的调控。在该项目的支持下，共发表学术论文7篇，其中SCI收录6篇，中文核心论文1篇，顺利完成了各项研究任务，实现了预期目标。