冻融对温带荒漠区生物结皮发育土壤碳通量的影响

More than half of area in the northern hemisphere is subjected to experience freezing-thawing cycle, which is a very important factor influenced soil carbon flux. However, the influences of freezing and thawing on soil carbon flux and carbon cycling models were usually neglected in the temperate desert area. Biological soil crusts are widely distributed in arid and semiarid regions, they are one of the main components in the process of soil carbon cycling. In this project, we will take soils in the Gurbantunggut Desert covered by algal crusts, lichen crusts, moss crusts and bare soil (as a control) as the objects of study, we will employ static chamber-gas chromatograph technique and infra-red gas analysis method to measure the diurnal, monthly and annual dynamics of soil carbon flux, and clarify the carbon flux characteristics of biologically crusted soil. Meanwhile, we will determine the fluorescence activity and CO2 exchange of biological soil crusts and soil physical and chemical properties simultaneously to clarify the key factors affecting soil carbon flux in the freezing-thawing cycle, and emphasis the influences of spatial-temporal variation in temperature and carbon fixation of biological soil crusts on soil carbon cycle. This project will not only amplify the relevant researches on soil carbon flux in desert ecosystem and enrich our understanding of freezing-thawing cycle process, but also will help to evaluate the soil carbon balance in arid and semiarid regions.

北半球陆地表面超过一半的地区会经历土壤冻融循环作用，冻融是影响土壤碳循环的一个非常重要的因素。然而，现有的温带荒漠土壤碳通量测定往往忽略冻融的作用。生物结皮在荒漠地区广泛分布，对于分布区碳循环具有重要作用。本项目以古尔班通古特沙漠良好的藻类、地衣和苔藓结皮覆盖土壤以及裸土（对照）为研究对象，采用静态箱-气相色谱法和红外气体分析法，通过观测生物结皮发育土壤以及裸土碳通量的日变化、月变化以及年际变化，阐明冻融期生物结皮发育土壤碳通量特征，评估冻融期土壤碳通量对全年碳通量的贡献；通过同步观测生物结皮光合固碳、荧光活性以及土壤环境变化，确定冻融过程中影响生物结皮发育土壤碳通量的关键因素，重点研究温度的时空变异对土壤碳通量的调控以及生物结皮的固碳效益对土壤碳通量的影响。本项目研究不仅有助于弥补我们对于荒漠地区季节性冻土碳通量研究的不足，丰富我们对冻融过程的认识，还有利于准确评估该区域的土壤碳收支。

项目背景：北半球陆地表面超过一半的地区会经历土壤冻融循环作用，冻融是影响土壤碳循环的一个非常重要的因素。然而，现有的温带荒漠土壤碳通量测定往往忽略冻融的作用。生物结皮在荒漠地区广泛分布，对于分布区碳循环具有重要作用。.主要研究内容：本项目以古尔班通古特沙漠良好的藻类、地衣和苔藓结皮覆盖土壤以及裸土（对照）为研究对象，采用静态箱-气相色谱法和红外气体分析法，通过观测不同积雪处理下，生物结皮发育土壤以及裸土碳通量的日变化、月变化以及年际变化，阐明冻融期生物结皮发育土壤碳通量特征，评估冻融期土壤碳通量对全年碳通量的贡献；通过同步观测生物结皮光合固碳、荧光活性以及土壤环境变化，确定冻融过程中影响生物结皮发育土壤碳通量的关键因素，重点研究积雪变化对土壤碳通量的调控以及生物结皮的固碳效益对土壤碳通量的影响。.重要结果：（1）冻融过程中，积雪的变化显著影响生物结皮发育土壤碳通量过程，但对裸露沙地土壤碳通量影响不明显。积雪去除后，三种生物结皮发育土壤碳通量速率均显著减小；（2）土壤发育类型对土壤碳通量影响显著，苔藓结皮发育土壤碳通量速率显著高于其它土壤类型，地衣结皮发育土壤和和藻结皮发育土壤碳通量比较接近，差异不大；（3）早春融雪期的碳通量与土壤表层温度呈现显著地正相关性；（4）生物结皮光合固碳日变化特征表现为单峰模式，并且春季融雪期固碳速率远大于冬季；（5）生物结皮光合固碳量在季节上表现明显的差异，其中春季固碳量显著大于其它任何季节，约占到了全年固碳总量的48.4%，而春季融雪期约占春季固碳总量的40%。冻融过程中，生物结皮的光合特征是调控土壤碳通量的最关键因素。.关键数据：冻融交替过程中，生物结皮光合固碳约为5.4-7.1 gC m-2，春季融雪期约占全年固碳总量的20%..科学意义：该项目探索冻融对荒漠生态系统中碳通量的影响，一方面进一步明确冬季低温、湿润对生物结皮形成发育的影响，为荒漠地区生物结皮的人工治沙提供独特视角。另一方面，揭示了冻融作用对生物结皮土壤碳通量的影响，弥补人们对冬季碳通量变化研究的不足。