温带荒漠土壤有机碳来源、年龄和光合碳沉积输入

Desert accounts to 20% of the terrestrial area and has a high carbon interception potential. Desert is sensitive to climate change, while few studies have investigated the soil organic carbon origin and age, and qualified the effects of photosynthetic carbon input from desert vegetation and biological soil crusts on soil carbon storage and interception. In this project, using molecular biogeochemical technique, the molecular structure of soil organic carbon from four soil types will be investigated to understand the temperature sensitivity of soil organic carbon decompsotion, which can help to disclose soil organic carbon stability with contrasting biological origins; 14C techinique will be employed to measure soil organic carbon age, and understand the distribution pattern of new and old soil organic carbon along with the soil profile in a desert ecosystem; the soil organic carbon age will be incorporated into the soil carbon dynamic model will be used to predict the range of soil carbon storage in the desert; At last, using isotope tracing technique, photosynthetic carbon input and translocation from the roots of Haloxylon ammodendron and biological soil crusts will be investigated. This project will enhance our understanding of soil organic carbon molecular structure and carbon input effects, providing an empirical study for ecosystem carbon process in desert ecosystems and improving the projection of carbon dynamics in desert ecosystem.

荒漠面积约占全球陆地面积的20%，这一区域不仅对气候变化较为敏感，而且具有很大碳截存潜力。还未见有研究调查荒漠土壤有机碳库的来源和年龄结构，并量化荒漠植被和生物土壤结皮光合碳对土壤有机碳库的输入。本项目以古尔班通沙漠4种典型地表覆盖土壤为对象，拟用生物标志物方法，研究各土壤有机碳库分子结构，分析其来源和温度敏感性，揭示不同生物来源有机碳在土壤中的稳定性；用14C定年法测定土壤有机碳年龄，分析土壤有机碳库中老碳和新碳的分布，结合模型，分析荒漠土壤有机碳固存的饱合阈值；利用同位素示踪技术，定量研究梭梭和生物结皮光合碳在土壤有机碳库中的传输强度和转化；本研究可增进对荒漠土壤有机碳库结构和外源输入的认识，为完善荒漠生态系统碳过程模型提供实证研究，从而提高对荒漠生态系统碳动态的预测能力。

本项目以我国北方干旱和半干旱荒漠生态系统为研究区，通过同位素技术结合土壤有机碳分子结构分析，并同步观测灌木下层和灌间生物土壤结皮发育土壤的微生物群落结构，探讨有机碳结构和输入对土壤总碳及主要生态功能的影响机制。土壤δ13C和植物叶片δ13C均随年平均降水量的增加而降低，除C4木本灌木为主的沙质荒漠外，所有C3植物荒漠（碱土荒漠、戈壁荒漠、高山荒漠和温带草原荒漠）土壤δ13C与植物叶片δ13C呈正相关，均高于植物叶片δ13C。Δδ13C与以C3为主的沙漠样带土壤有机碳和土壤粘粉粒含量正相关，表明Δδ13C较高的样带土壤有机碳分解速度较快。植物群落中灌木重要值指数通过增加草原和碱土荒漠的土壤粘粉粒含量和土壤有机碳含量而提高Δδ13C，表明灌木入侵可以增加土壤有机碳含量和土壤有机碳分解。结果表明，灌丛定殖不仅增加了土壤有机碳含量，而且通过改变植被覆盖度和土壤变量来调节土壤有机碳的分解。蓝藻地衣结皮的细菌α多样性、系统发育多样性和优势菌门并没有随着降水量的增加而增加，而是主要受土壤养分和生物结皮发育的影响。蓝藻地衣和苔藓结皮中细菌β多样性在景观尺度上表现出强烈的距离衰减关系；蓝藻地衣结皮中细菌群落组成存在显著差异。环境和生物结皮的发育比地理距离更好地解释了细菌群落的变异，表明扩散限制对生物结皮群落的影响较弱。此外，坡面距离衰减率高于景观尺度，说明地形诱导的细菌群落更替速率较快。我们的研究表明，土壤属性和生物结皮的发育对土壤细菌群落的影响比降水更为深远。水分的添加显著提高了微生物的生物量和呼吸强度、代谢熵以及碳水化合物、羧酸和氨基酸的利用率。水的加入并没有改变微生物群落的组成。施氮只显著增加了土壤细菌PLFAs，而对土壤真菌PLFAs、微生物呼吸和土壤呼吸没有显著影响。此外，施氮量对微生物群落组成无显著影响。水氮联合施用对微生物群落和土壤呼吸没有协同效应。