基于土壤及植物稳定碳氮同位素和生物标记物的高寒草甸退化研究

Studying the plants and soil stable carbon and nitrogen isotopic composition of alpine meadow areas in Tibetan Plateau is a fundamental subject for understanding the biogeochemical cycles in the region. The alpine meadow in the Yellow River source region will be chosen as study area and soil and plants as the objects of study. By analyzing soil and plant stable carbon and nitrogen isotope composition and distribution feature, the concentration of the biomarkers, the number of carbon atoms, and comparing the differences of leaf stable carbon and nitrogen isotope composition and the biomarkers between soil and plant to trace the source of organic matter input. The study will enrich our knowledge of the source, decomposition, conversion process and regional carbon pools of soil organic matter in the alpine meadow area. More information on the alpine meadow biogeochemical processes can be provided, and the ecological processes and mechanisms of the alpine meadow under natural succession and human disturbance can be revealed. The objectives of the research are to reveal biogeochemical cycling of alpine meadow ecosystem, to provide basic information, guidance for managemant grassland carbon sequestration and technology options for degraded grassland ecological recovery of the Yangtze and Yellow Rivers headwater area.

对青藏高原高寒草甸地区植物及土壤稳定碳、氮同位素组成进行研究是深刻理解该地区生物地球化学循环的基础课题。选取位于黄河源区的高寒草甸，以土壤和植物作为研究对象，通过分析土壤和植物中稳定碳、氮同位素组成和分布特征、生物标记物的浓度、碳原子数等，明确草甸土壤和植物叶片的稳定碳、氮同位素组成及生物标记物的差异，追溯有机物质输入来源，增进对高寒草甸土壤有机质的来源、分解和转化过程及区域碳库特征的认识，获得高寒草甸发生的生物地球化学过程信息，揭示高寒草甸在自然演替和人为干扰演替下生态过程与机制，为高寒草甸生态系统生物地球化学循环研究提供基础资料，为江河源区退化草地的生态恢复及治理以及草地固碳和技术选择提供指导。

将植物和土壤碳氮稳定同位素组成与生物标记物结合起来作为高寒草甸群落退化演替的间接证据具有重要的科学和现实意义。本项目测定了三江源高寒草甸土壤和植物碳氮含量及其δ13C和δ15N丰富度，并通过植物δ13C值确定了其光合类型；确定了植物和土壤中脂肪酸、正构烷烃和醇类等生物标记物（Boimarker）的种类、含量以及在土壤中的分布，探讨了δ13C和δ15N丰富度和Boimarker种类和含量与高寒草甸退化演替的关系。结果显示：⑴植物碳含量在28.64% ~ 51.55%之间变化，氮含量介于0.89% ~ 4.04%；δ13C值变化范围介于-29.50‰ ~ -24.69‰，平均为-26.98‰，所采集的植物均属C3植物，没有C4和CAM植物，年均温低可能是制约该区C4植物分布的主要因素；植物δ15N值介于-4.57‰ ~ 8.32‰之间。⑵植物中共检测到68种脂肪酸，碳数分布为C3-C28，偶碳数优势明显。植物中正构烷烃的碳数在C8和C40之间，其中C27、C29、C31、C33正构烷烃含量均较高。⑶高寒草甸土壤有机碳含量介于1.59%和4.08%之间，氮含量介于0.16%和0.56%之间；土壤δ13C值介于-25. 42‰和-24.20‰之间，与植物δ13C值接近，表明未曾出现过C4植物；δ15N值介于3.37‰和4.69‰之间；δ13C值和δ15N值均随土壤深度加深而增大。土壤和植物中δ13C值随着碳含量的增加而降低，但土壤中δ15N值随氮含量的增加而增加。⑷土壤中共检测到44种脂肪酸，碳数分布为C3-C28，偶碳数优势明显；土壤中正构烷烃的数碳分布是C8-C40，奇数碳正构烷烃均C31 、C29、C33和C27占优势，与植物中的含量相对应，但明显低于植物中的含量。⑸植物δ13C值随草地退化程度加剧而逐渐降低，但植物δ15N没有类似的变化；土壤δ13C和δ15N值也没有明显地反映草甸退化。⑹土壤中的15-二十四烯酸、8，8-二甲氧基辛酸、壬酸和12-甲基十三酸可以证明高寒草甸正处于退化演替中或者已经退化；退化草地主要优势植物的特征正构烷烃（C22：铁棒锤、黄帚橐吾，C32：肉果草）在土壤中没有明显的显现；9-甲基-10-顺式十五烯-1-醇、2-亚甲基-5α-胆甾烷-3β-醇、1-三十七烷醇只存在于退化高寒草甸土壤中，初步确定可用作生物标记物来指示高寒草甸是否发生退化。