凋落物输入对半干旱区沙地灌丛土壤碳氮积累和转化的影响

Global change will affect the primary productivity ofterrestrial ecosystem, and thereby eventually affect litter inputs into the soil.Changes in litter input will eventually affect storage and cycles of carbon and nitrogen in soils. Therefore, understanding the effects of litter input on soil carbon and nitrogen storage and cycles is very important to anticipate the responses of soil carbon and nitrogen storage and cycles to global change, and serve as key content to evaluate the balance of soil carbon and nitrogen budget. Shrubis one of the largest vegetation types in china. However, studies related to the effect of litter input on soil carbon and nitrogen storage and cycles in shrub ecosystems is relatively limited at home and abroad. In this project, we will artificially alter the ground litter quantity and litter composition in shrub ecosystems by the way of litter removal, litter addition, and reciprocal litter transplant experiments in Kerqin Sand Lands, northern China.We will dynamically investigate soil organic carbon, total nitrogen, dissolved organic carbon and nitrogen, active carbon and nitrogen, microorganism biomass carbon and nitrogen, soil respiration, and soil nitrogen mineralization under shrub canopy with litter input manipulations. Thereafter, the correlations will be analyzed between litter input manipulation and soil carbon and nitrogen accumulation and transformation. Also，relations between accumulation and transformation of soil carbon and nitrogen will be detected to reveal the mechanism of budget balances in soil carbon and nitrogen under shrub canopy with litter inputs manipulations.The purpose of this study is to supply some scientific rationales for evaluating budget balances of carbon and nitrogen in shrub ecosystems.

全球变化通过影响陆地生态系统初级生产力而改变土壤凋落物输入。凋落物输入直接影响陆地生态系统土壤碳氮储量和循环。所以研究土壤碳氮储量和循环对凋落物输入的响应对于预测全球变化对陆地生态系统碳氮循环的影响具有重要作用。灌丛是中国分布较广的植被类型之一，但是目前凋落物输入对灌丛土壤碳氮积累和循环影响的研究相对薄弱。本项目以我国半干旱区科尔沁沙地优势灌丛为研究对象，通过人为去除和添加灌丛地面凋落物、灌丛凋落物交互移置等方法，改变灌丛地面凋落物的输入量和凋落物组成，动态观测灌丛下土壤有机碳含量、全氮含量、可溶性碳氮含量、活性碳氮含量、微生物生物量碳氮含量、土壤呼吸以及氮矿化作用等要素的变化，分析灌丛土壤碳氮积累和转化与凋落物输入之间、以及灌丛土壤碳氮积累动态与碳氮转化过程之间的相互关系，揭示改变灌丛地面凋落物输入量和组成影响灌丛土壤碳氮收支平衡的内在机理，为准确估算灌丛生态系统碳收支平衡提供科学依据。

中国是世界上灌丛分布面积最广的国家之一，灌丛面积占国土面积的五分之一以上正确认识灌丛土壤碳氮储量和碳氮循环的变化特征及其影响因素可以为制定我国 CO2 的排放策略提供一定的科学依据。凋落物输入直接影响灌丛土壤碳氮储量和循环，但是目前凋落物输入对灌丛土壤碳氮积累和循环影响的研究相对薄弱。因此，我们以科尔沁沙地为典型研究区域，2015-2018年期间重点开展了野外灌丛凋落物输入控制实验和优势灌木凋落物互移控制实验，同时采集灌丛地主要植物凋落物和灌丛下土壤，开展了室内灌丛土壤添加凋落物培养实验，以揭示改变灌丛地面凋落物输入量和组成影响沙地灌丛土壤碳氮收支平衡的内在机理，为准确估算灌丛生态系统碳收支平衡提供科学依据。研究结果表明：1）科尔沁沙地优势灌木差不嘎蒿叶凋落物分解具有更强的主场效应，并且混合凋落物主场效应与其分解生境中长期输入的凋落物的质量相似性紧密相关。该研究有助于深入理解沙地灌丛土壤异质性形成机制，可为沙地灌丛的适应性管理提供科学依据；2）去除凋落物使灌丛土壤微生物生物量下降，并明显降低了微生物呼吸速率。而增加凋落物输入虽然显著提高了灌丛土壤微生物生物量，但是对土壤呼吸无显著影响，该研究对加深灌丛生态系统土壤碳循环过程的认识和沙地生态系统碳收支平衡的科学评估具有重要意义 3）添加新鲜凋落物可以明显提高灌丛土壤有机碳矿化速率，且有机碳矿化速率与凋落物质量存在密切关系，叶凋落物的矿化分解主要受极易分解有机物含量和木质素/Ｎ的影响，该研究可为科学认知沙地生态系统生物地球化学循环提供基础数据；4）氮含量较高的豆科植物与禾本科植物凋落物混合后土壤有机碳矿化表现极显著的协同非加和效应，而禾本科植物凋落物交互混合后土壤有机碳矿化产生显著拮抗非加和效应，该研究可为深入认识沙地生态系统碳收支平衡的异质性提供科学依据。项目执行期间，共发表论文10 篇，其中 SCI 收录 2篇，国内核心期刊收录 8 篇，合作出版专著1部；申请并获批专利5项，软件注册权登记1项。培养硕士研究生4名。