控温条件下黄土高原典型草地碳通量变化的同位素示踪

The Chinese Loess Plateau (CLP) is an important geological feature in which large areas of farmland and pastureland converted to grassland after decades of vegetation restoration. However, there has been little research on the response and mechanism of carbon flux in typical grassland in the CLP, especially under controlling temperature. Therefore, based on the typical grassland in the CLP, this research selects different sizes of open-top chambers to control temperature. We plant to determine the seasonal changes of soil CO2 fluxes, collect samples of plant, soil in different depths, plant root and soil CO2, the isotopic composition of which is then determined in the laboratory. Combining the carbon isotope data of plant and soil with isotope-labelling method, we try to study the changes of carbon flux and its controlling factor after artificial warming. Meanwhile this research will illustrate the intrinsic mechanism of the effects of global warming on carbon flux in typical grassland by qualitative and quantitative analysis, which will provide scientific basis for quantitatively assessing the carbon sequestration after vegetation restoration in the CLP.

黄土高原作为重要的地质单元，经过几十年的植被恢复，目前已存在大面积的草地。然而，对于黄土高原典型草地碳通量的研究还非常少，特别是控温条件下典型草地碳通量对温度的响应及其机制的研究，目前尚属空白。基于此，本申请拟以黄土高原典型草地为研究对象，通过设置不同规格的开顶箱控制增温梯度，监测土壤CO2通量的季节变化特征；定期采集植物地上部分、不同深度土壤、根系和土壤CO2气体样品测定其碳同位素组成，结合同位素脉冲标记方法研究增温后碳通量变化的控制因素，从定性和定量的角度阐明黄土高原典型草地碳排放对全球增温响应的内在机制，为定量评估黄土高原植被恢复后的碳汇效益提供科学依据。

本项目以宁夏固原云雾山草原自然保护区的顶级植被-本氏针茅群落作为研究对象，通过设置开顶箱进行增温实验，监测土壤CO2通量的季节变化特征；定期采集植物地上部分、不同深度土壤、根系和土壤CO2气体样品测定其碳同位素组成，结合同位素脉冲标记方法研究增温后碳通量变化的控制因素，从定性和定量的角度阐明黄土高原典型草地碳排放对全球增温响应的内在机制，为定量评估黄土高原植被恢复后的碳汇效益提供科学依据。主要研究成果体现在以下几个方面：.1）封禁草地和刈割草地日平均气温对增温的响应不同，而日平均土壤温度均显著升高。增温后，土壤含水量均降低。增温后，封禁草植被高度显著增加（P<0.05），而刈割草地盖度和高度均显著增加。增温后，封禁草地和刈割草地土壤碳排放速率表现为相反的趋势，其中封禁草地碳排放通量增加，而刈割草地碳排放通量减少。综合来看，全球变暖后，封禁草地碳排放通量增加，不利于碳储存；而刈割草地碳排放通量减少，且生物量增加，有利于碳储存。.2）封禁草地和刈割草地初始固定的13C的总量基本相同，分别为137.9 mg m-2和136.7 mg m-2。通过标记结束后30天的示踪研究，我们发现封禁草地植物光合作用合成的碳中，分配到地上和地下部分的比例分别为42.3%和57.7%。其中，分配到地上部分碳中，有30.6%储存在植物的茎和叶中，11.7%以叶片呼吸的方式释放到大气中；分配到地下部分的碳中，分别有9.2%和14.7%存留在根和土壤中，大部分（33.8%）以土壤呼吸的形式重新释放都大气中。刈割草地初始固定的13C量与封禁草地相当。但是在示踪研究的30天时间内，在土壤呼吸释放CO2量相当的情况下，叶片呼吸释放的CO2量所占比例高达36.5%，远高于封禁草地；同时，分配到根和土壤中的碳含量显著降低，仅为封禁草地的20%左右，而这部分碳通常比较稳定，能够长期存储在土壤中。综合来看，刈割不利于黄土高原半干旱区典型草地的土壤碳存储。