增温增雨对温带典型草原根系周转与土壤碳库影响的控制实验研究

根系生长和周转是土壤有机碳库的重要来源，在调节草原生态系统碳循环对全球气候变化的响应与反馈中至关重要。然而，根系生产力和周转过程及其对土壤有机碳库的贡献仍然是草原生态系统碳循环中最不清楚的部分，至今尚未见模拟以温度和降水变化为主要特征的全球气候变化对草原根系周转和土壤有机碳库影响的报道。因此，本研究拟利用中国科学院植物研究所多伦全球变化多因子实验平台，在模拟气温升高和降水变化的实验处理下，采用改进的微根窗方法，通过对植物根系生长和死亡季节动态的野外原位观测，研究温带草原植物群落根系对单独增温、增雨及其耦合效应的响应；结合植物群落物种组成和地上生产力以及土壤温度、水分和养分指标，揭示增温、增雨对根系周转的影响机制；通过量化根系死亡输入到土壤中碳的数量，阐明温度和水分变化条件下根系对土壤有机碳库的贡献和影响，为深刻认识全球气候变化背景下，温带典型草原根系生态学过程对碳循环影响提供科学依据。

根系生长和周转是土壤有机碳库的重要来源，在调节草原生态系统碳循环对全球气候变化的响应与反馈中至关重要。然而，根系生产力和周转过程及其对土壤有机碳库的影响仍然是草原生态系统碳循环中最不清楚的部分，至今尚未见模拟以温度和降水变化为主要特征的全球气候变化对草原根系周转和土壤有机碳库影响的报道。因此，本研究利用改进的微根窗方法，通过对植物根系生长和死亡季节动态的野外原位观测，重点研究了内蒙古温带草原植物群落根系根系生产和死亡、根系寿命、根系周转和土壤溶解性有机碳等对单独增温、增雨及其耦合效应的响应。我们研究结果显示：（1）增温显著地抑制根系生产，根系生产减少了8.2%；而增雨处理刺激根系生产，根系生产增加了12.1%，增温和增雨处理存在显著的交互作用。与根系生产不同，增温和增雨处理对根系死亡的影响只存在显著的交互作用。（2）增温增雨对群落根系寿命的影响是增温处理显著地延长根系的生存和寿命，增雨显著地减少根系生存和寿命。（3）在自然状态下，克氏针茅草原0-30 cm土层的平均根系周转率为2.17（y-1），增温没有显著地影响根系周转，而增雨显著增加根系周转率。（4）增温没有显著影响土壤有机碳含量，而增雨处理显著减少土壤溶解性有机碳含量，增雨和增温对土壤溶解性有机碳含量影响没有显著交互作用。我们发现在增温和增雨条件下，根系长生产和死亡对土壤溶解性有机碳含量没有直接的影响，增雨导致的土壤溶解性有机碳含量降低主要是由于增雨增加土壤中的水分产生了淋溶直接造成的。综上所述，本研究证实了增温减少根系固定有机碳，而增雨增加根系对碳的固定。但增雨增加根系死亡和周转及导致溶解性有机碳淋失，可能导致不利于碳的固定，并且增温增雨存在复杂的交互作用。所以，增温增雨对温带草原生态系统碳循环的影响可能存在很大的不确定性。因此，这些研究结果为深刻认识以温度和降水为主要特征的全球气候变化对内蒙古温带典型草原生态系统碳循环影响提供了重要的科学依据。