土壤干湿交替与可利用氮素增加及其耦合变化对温带草地土壤呼吸及其组分的影响效应和机制

The change of drying-rewetting alternation pattern and the increase of nitrogen availability are two important ecological processes undergoing by temperate grassland ecosystem in the background of precipitation style changing and nitrogen deposition. In the temperate grassland ecosystem constrained by water and nitrogen, these two processes and their coupling changes disturb obviously the soil respiration processes, further making important influences on the grassland carbon budget. Until now, it is very controversial on the direction and extent of the influences made by the changes of alternation of drying and rewetting and nitrogen availability on soil respiration, whose driving mechanism not clear yet, and very few researches report how the coupling change of them comprehensively affects soil respiration and its components. Taking typical temperate grassland in Inner Mongolia in China as the research object, this project aims to quantitatively study and compare the different responses taken by soil respiration and its components to the varying drying-wetting alternate mode and nitrogen availability by field simulation control experiment, based on the distinction of different components of the soil respiration. Through these researches, we will preliminarily explore and disclose the biogeochemistry and microbiology mechanism impacting the above processes. This research will have important scientific significance in improving the precise estimation of CO2 emission flux from China's grassland, perfecting the mechanism study of grassland soil respiration process, and efficiently reducing the uncertainty of carbon budget prediction of grasslands in China.

在全球降雨格局变化以及氮沉降增加的背景下，土壤干湿交替模式的改变以及氮素可利用性的增加是陆地生态系统正在经历的两个重要生态学过程。在受到水氮共同限制的温带草地生态系统中，两者及其耦合变化对土壤呼吸过程势必产生显著的扰动作用，进而对草地碳收支产生重要影响。目前关于干湿交替和可利用氮素变化对土壤呼吸的影响方向与影响程度仍存在很大争议，其驱动机制亦不明确，并且两者耦合变化将对土壤呼吸及其组分产生怎样的综合效应，相关研究还鲜见报道。本项目拟以我国内蒙古温带典型草地为研究对象，通过野外模拟控制试验，在区分土壤呼吸不同组分的基础上，定量研究与比较土壤呼吸及其不同组分对不同干湿交替模式与氮素可利用性及其耦合变化的差异响应，初步探讨与揭示影响上述过程的生物地球化学与微生物学机理。研究结果对于提高我国草地土壤呼吸的估算精度，完善草地土壤呼吸过程机制研究，有效降低我国草地碳收支预测的不确定性具有重要科学意义。

在全球降雨格局变化以及氮沉降增加的背景下，土壤干湿交替模式的改变以及氮素可利用性的增加是陆地生态系统正在经历的两个重要生态学过程。在受到水氮共同限制的温带草地生态系统中，两者及其耦合变化对土壤呼吸过程势必产生显著的扰动作用，进而对草地碳收支产生重要影响。目前关于干湿交替和可利用氮素变化对土壤呼吸的影响方向与影响程度仍存在很大争议，并且两者耦合变化将对土壤呼吸及其组分产生怎样的综合效应，相关研究还鲜见报道。本项目以我国内蒙古温带典型草地为研究对象，通过在野外遮雨条件下开展降雨格局变化模拟控制试验，在区分土壤呼吸不同组分的基础上，定量研究土壤呼吸及组分对不同降雨模式的响应，同时在野外自然条件下进行增氮和增氮增雨实验来探讨氮素可利用性以及氮素可利用性与水分耦合变化对土壤呼吸与组分的影响效应。此外，在冬季冻融期研究了土壤呼吸及其不同组分的动态变化。结果显示：1）降雨总量不变、强度和频率发生变化不影响土壤呼吸及异养呼吸累积通量，但会引起土壤自养呼吸累积通量的变化，低强度高频率(5mm单次降雨6次输入)和中强度中频率的降雨模式（15mm单次降雨2次输入）增加了土壤自养呼吸。中等强度中等频率和高强度低频率降雨模式（30mm单次降雨1次性输入）影响土壤呼吸和自养呼吸对后期降雨事件的响应，低强度高频率降雨模式对其则无显著影响。2）模拟的施氮水平（2.5gm-2yr-1）对土壤呼吸无显著作用，但是第二个生长季，该施氮水平对土壤自养呼吸具有显著的抑制作用；施氮对土壤异养呼吸的促进作用主要发生在较大降雨量后的短期内。生长季尺度上，施氮对异养呼吸的促进作用不显著。3）水、氮添加不改变生长季土壤呼吸累积通量，但在第一个生长季和第二个生长季分别促进了土壤自养呼吸和异养呼吸累积通量。4）冻融期土壤呼吸和异养呼吸日变化最小值与土壤最低温度所出现的时间一致。土壤呼吸和土壤异养呼吸的最高值往往由土壤冻融引起，故而出现时间在冻结土壤完全融化后的上午9点。异养呼吸最大值也会在土壤日最高温度时出现。生长季水、氮添加对冻融期土壤呼吸日变化动态不造成显著影响。5）生长季水、氮添加抑制了冻结期土壤呼吸和异养呼吸的负通量，但一定程度上促进了土壤初冻或初融期异养呼吸通量，在冻融其他阶段则不影响土壤呼吸和异养呼吸通量。本研究结果对于提高我国草地土壤呼吸的估算精度，有效降低我国草地碳收支预测的不确定性具有重要科学意义。