多年冻土冻融作用对高寒植物细根动态和周转的影响

Fine root is an important plant functional unit, the dynamics and turnover rates of which play a dominant role in vegetation environmental adaptation and terrestrial ecosystem carbon cycle research. On scientific issues of belowground ecology research in plateau permafrost areas, different types of permafrost and alpine plant communities are selected to observe the fine root seasonal changes continuously by minirhizotron techniques in situ. Variations of soil properties, meteorological factors, active layer water and heat are also investigated simultaneously. Analyses and calculations are conducted to determine the fine root production, longevity, stock biomass and turnover rates, and the response of fine root dynamics and turnover to permafrost environmental changes in different freezing and thawing cycles. According to aboveground community investigation, changes in alpine plant growth and carbon allocation are also discussed, so as to clarify the contributions of fine root dynamics and turnover to alpine plant growth adaptability and permafrost ecosystem carbon budget. The results of these studies will deepen our knowledge of permafrost belowground ecological processes, provide essential root data for alpine plant ecosystem carbon budge research and ecological model simulation. Additionally, this project will contribute to further understanding of permafrost freezing and thawing effects to terrestrial ecosystem stability under the regional climate change background.

细根是植物重要的功能单元，其生长动态和周转是研究植物环境适应和生态系统碳循环主要内容。针对目前高原多年冻土地下生态学研究所面临的科学问题，本项目以典型多年冻土区不同高寒植物群落为研究对象，利用微根管和根窗法野外连续观测细根季节动态，同步监测活动层土壤水热、理化性质和气象变化，定量分析多年冻土各冻融阶段细根生产、死亡、立地现存量和周转状况，及其对活动层水热等多年冻土环境因子变化的响应特征和适应策略；同时结合群落地上生长调查，探讨冻融作用影响下高寒植物群落的生长变化和碳分配，阐明细根动态和周转在高寒植物生长适应和多年冻土生态系统碳收支中的作用。该项研究可以加深对多年冻土地下生态过程的认识，为高寒植物生态系统的碳收支研究和相关模式构建提供基础数据，并将有助于了解区域气候变化背景下多年冻土冻融特征改变对生态系统稳定性的影响机理。

多年冻土冻融交替的水热过程对于深入了解生态系统与气候和环境变化的关系具有重要意义，高寒植物细根动态和周转对冻融作用的响应特征是生态系统过程研究的重要内容之一。本项目选取多个典型野外植物群落样地进行细根和多年冻土环境调查观测和取样分析，研究了不同植被类型活动层水热变化特征、土壤冻融交替规律及其对细根动态特征的影响。结果表明：1）生长季内高寒植物细根生长和存活呈现为单峰或宽峰曲线，细根生产主要发生在夏季。高寒草甸、沼泽草甸和高寒草原最大细根生产量分别为0.27 mm·cm-2·d-1、0.16 mm·cm-2·d-1 和0.15 mm·cm-2·d-1。2）活细根重量、长度、表面积、生长和周转率均随活动层深度的增加而大幅减少，而活动层深处土壤细根寿命较长。高寒草甸单位面积细根总长为125.93±17.51 km·m-2，高寒草原仅为7.08±2.15 km·m-2。3）活动层地温变化幅度高寒草原>高寒草甸>沼泽草甸，生长季不同植被类型活动层土壤最高温度与细根长度、细根表面积呈正相关。高寒草原、沼泽草甸和高寒草甸浅层土壤年平均热通量值均大于0℃。4）活动层冻融起始时间、融化日数和融化深度反映冻融作用对细根活动的影响进程。冻融交替过程中，由不同植被特征、土壤性质和根系分布导致的活动层水热变化差异，是各植被类型细根生长、周转和碳分配不同的主要原因。融化阶段沼泽草甸土壤水分过饱和及高寒草原水分匮缺状态均会限制细根生长。各植被类型中，沼泽草甸细根生长和周转效率相对较低。研究结果可以加深对多年冻土地下生态过程的认识，为高寒植物生态系统的碳收支研究提供数据支持。