地上和根系凋落物对盐沼湿地土壤有机碳累积的影响及机制

Soil is the largest carbon pool in terrestrial ecosystems, which mainly result from aboveground shoot litter and belowground root turnover (i.e., root litter). However, how shoot and root litter affect accumulation of soil organic carbon (SOC) and its aggregates is largely unknown. Currently, isotopic methods are widely used in directly detecting change of SOC storage and its stabilization mechanisms due to high sensitivity compared to conventional ones. In this project, using natural abundance of 13C isotopes created through different fractionation by C3 and C4 plants, we propose to add shoot and root litter of Spartina alterniflora (C4 plant, δ13C ≈-13‰ ) to C3 soil (δ13C ≈ -25‰) to establish brackish marsh mesocosms. By measuring δ13C values of SOC, aggregates, and plants, rates and δ13C values of soil CO2 and CH4 emissions, and physical protection of SOC to examine the cumulative rate of SOC and relative contribution of shoot and root litter to SOC and its aggregates, and explore effects of shoot and root litter and plant growth on SOC stabilization and priming effects of SOC decomposition in brackish marsh wetlands. The results will provide reliable parameters for prediction of soil C sequestration in a changing world, and will offer necessary and fundamental data for international negotiation associated with CO2 mitigation in China and ecological management of wetland ecosystems.

土壤是陆地生态系统最大的碳库, 主要来源于植被地上凋落物和根系周转。目前, 地上和根系凋落物如何影响土壤团聚体有机碳的累积及其稳定性机制尚未见报道。同位素方法在直接探测土壤有机碳变化及其稳定性方面具有高灵敏性而得到广泛应用。本研究将选择土壤碳累积速率较快的盐沼湿地为研究对象, 利用C3和C4植物稳定性同位素自然丰度的差异, 在C3土壤中添加C4互花米草地上和根系凋落物并生长植物开展野外中型实验(mesocosm)。通过测定凋落物处理后土壤团聚体有机碳的δ13C值、土壤碳的物理保护特性以及土壤CO2和CH4排放速率及其相对应的δ13C值, 探讨地上和根系凋落物对盐沼湿地土壤团聚体有机碳的相对贡献、土壤有机碳稳定性的物理保护机制以及土壤有机碳分解的激发效应。本研究将为全球变化背景下生态模型有效地模拟土壤碳固持提供可靠参数, 同时为我国在相关问题的国际谈判和湿地生态系统管理提供必要的科学依据。

盐沼湿地具有较高的碳埋藏速率和固碳能力，是陆地生态系统最重要的碳汇之一，然而我们对盐沼湿地土壤有机碳(SOC)累积过程及其调控机制的认识尚不清楚。本项目以崇明东滩盐沼湿地为研究对象，利用C4植物互花米草与东滩湿地土壤(C3)稳定同位素自然丰度差异，进行野外样带取样和野外中型控制实验。通过测定互花米草入侵0年(BF，光滩)、4年(SA-4)、8年(SA-8)及12年(SA-12)土壤样品发现：盐沼湿地SOC累积随互花米草入侵年限逐渐增加，浅层土壤(0-20 cm)中，SOC由6.73±0.67 g C kg-1 soil增加至20.31±1.03 g C kg-1 soil；深层土壤(20-40 cm)中，SOC由6.00±0.46 g C kg-1 soil增加至13.26±0.86 g C kg-1 soil。使用二元混合模型计算互花米草对盐沼湿地SOC累积的贡献：表层土壤中，其贡献率由18.96%(SA-4)增长到40.24%(SA-12)；深层土壤之中，贡献率由4.66%(SA-4)增长到32.04%(SA-12)。同时，土壤团聚体结构稳定性也随年限逐渐增加，SOC累积与团聚体结构稳定性呈显著正相关关系(P<0.01)，表明盐沼湿地SOC累积与互花米草驱动的土壤结构稳定性增加密切相关。在C3土壤中添加C4互花米草地上凋落物和根系并生长植物开展野外中型控制实验，发现空白处理与添加根系处理的土壤呼吸排放CO2总量远低于添加凋落物以及同时添加根系与凋落物处理，表明地上凋落物添加进盐沼湿地后被大量分解，而所添加根系分解速率很低。添加根系及同时添加凋落物和根系处理中粉黏粒组分(<53 μm)显著小于空白对照和添加地上凋落物组(P<0.05)，而微团聚体(53-250 μm)则表现出相反变化趋势，可见添加根系可能会促进粉黏粒组分聚合形成微团聚体。添加互花米草根系对SOC累积显著小于添加凋落物和同时添加凋落物及根系(P<0.05)。添加互花米草地上和根系凋落物对SOC累积贡献随时间逐渐增加，表明地上凋落物分解产生的有机碳逐渐输入土壤。综合而言，本研究结果揭示了互花米草及其地上凋落物与根系分别对盐沼湿地及其团聚体组分SOC累积相对贡献，并从团聚体保护角度探讨了主要调控机理。项目成果进一步加深对盐沼湿地有机碳累积过程及其机制的认识，为全球模型有效模拟土壤碳固持提供可靠参数。