中高纬冻土区沼泽湿地碳、氮循环对气候变化响应的生物驱动与反馈机制研究

The mid-high latitude region is the main distribution area of global wetlands, which is very sensitive to the climate change. In the past 40 years, permafrost had been seriously degraded under climate warming. Combined human activity which is intensive nowadays increased this change. What effects will these changes have on the carbon and nitrogen cycles in the wetlands? What will this ecosystem fuctions occur under this condition? However, there is still little research about these points, especially for long-term field comparative observation. Our project aims to study the responses of carbon and nitrogen cycles to the global change and the feedback mechanism of ecosystem functions in the mid-high latitude, which are one of the international advanced researches. We choose wetlands in the middle and cool temperate zones as our study sites. Through comparisons of field observation, controlled experiments in situ, and analyze of above–belowground linkages, etc, we study the responses of carbon and nitrogen cycles to the warming and changed hydrologic condition and biological drive mechanism. By using the method of the time-space generation, we reveal the key biogeochemical process of fragile wetland ecosystems under the complex physical environment and human activities, the feedback effect to the stability of wetland structure and function, and the potential risk assessment of soil carbon and nitrogen loss in wetlands of this region. This project will provide important data support and scientific basis for effective response to climate change.

中高纬度地区是全球沼泽湿地的主要分布区，也是气候变化的敏感区。在过去的40年里，气候变暖导致该区多年冻土大面积退化，日趋增强的人类活动叠加更加剧了这种变化，其对沼泽湿地碳、氮循环会产生什么样的影响？由此引起生态系统功能将会发生怎样的变化？目前尚缺少系统的研究，特别是长期野外对比观测研究较少。项目针对全球变化背景下中高纬地区脆弱生态系统碳、氮生物地球化学循环的响应，及对生态功能的反馈这一国际科学前沿问题，选取该区寒温带、中温带典型沼泽湿地，采用时空互代法，通过野外对比定位观测与原位控制试验等，将地上与地下生态过程相关联，系统研究沼泽湿地碳、氮循环对增温和水文情势变化协同作用的响应特征及其生物驱动机理，揭示复杂自然和人文环境下脆弱生态系统关键生物地球化学过程的变化规律，及其对湿地结构和功能稳定的反馈作用，评估冻土区湿地土壤碳库、氮库损失的潜在风险，为有效应对全球变化提供重要的数据和科学基础。

中高纬度地区是全球沼泽湿地的主要分布区，也是气候变化的敏感区。气候变暖导致该区多年冻土大面积退化，加之日趋增强的人类活动更加剧了其碳、氮循环研究的不确定性。本项目通过在东北中高纬湿地野外联网监测平台，系统的开展了野外监测、控制实验及模拟实验等研究。项目开展5年来的成果为（1）建成和完善了野外增温-水位控制、营养环境变化及植被变化观测等多个长期研究平台；（2）明确了40年来中高纬沼泽湿地景观变化趋势，发现在2000年后其面积下降趋势减缓，但灌丛沼泽面积由于气候变暖呈增加趋势，且未来该区域干旱的风险加大；（3）发现了气候变暖下湿地植物群落趋于暖干化且演替速率加快，植被叶片生态化学计量受降水显著影响，土壤微生物活性受碳、氮活性基质限制；（4）湿地落叶植物光合13C周转快，薹草根系对氨氮吸收能力更强，落叶植物氮代谢及薹草根系分泌物对增温响应敏感；（5）发现了气候变暖导致湿地灌丛扩张，在气温增加1℃情况下，灌木细根增加25.7%，也增加了湿地灌木根系含碳分泌物的渗出，提高了土壤细菌数量、β-葡萄糖苷酶活性和深层根际产甲烷菌数量，促进土壤中老碳的分解释放，且灌木根系的分解也将提高土壤碳的周转速率；（6）增温和水分胁迫叠加加剧了植物种间竞争，且通过影响土壤微生物及氮素有效性进而影响土壤CO2和CH4释放；（7）氮素有效性增加，提高了湿地落叶灌木的生长与叶片碳、氮和磷含量，增加了其根系分泌物碳氮代谢物数量，改变氮分解微生物组成，促进土壤氮分解；（8）冻土退化，湿地地上-地下多个关联机制将发生变化，提高土壤微生物活性，降低土壤碳库的稳定性；（9）明确了多年冻土区和季节性冻土区湿地累积固碳量分别为86.7 g m-2和155.0 g C m-2，发现了多年冻土区湿地在春季具有CH4高排放，占生长季10%，且多年冻土退化促进了N2O的排放；（10）从增温潜势来看，中高纬沼泽湿地碳汇存在减弱的风险，虽然农业活动是导致湿地土壤碳库储量减少的主要因素，但气候变化增加了其土壤碳库损失的风险。项目发表SCI学术论文38篇，申请专利3项，培养博士后1名，硕、博研究生9人。项目已圆满完成相关研究内容，提升了湿地生物地球化学循环相关研究的科研基础，增强了湿地碳、氮循环对增温、水文及营养环境变化响应特征及生物驱动机理方面的认知，为区域湿地管理和国家“双碳”战略提供重要的数据和科学支撑。