丹江口库区土地利用变化对土壤碳库及温室气体释放的影响

The Danjiangkou Reservoir is a water source area of China's Middle Route of South-to-North Water Transfer Project. Over recent decades, to restore and protect the Danjiangkou Reservoir riparian ecosystem, afforestation has been conducted to reduce soil erosion and improve water quality. In this project, we will investigate soil carbon stock and greenhouse gas (CO2，CH4 and N2O) emissions following land use changes in the Danjiangkou Reservoir area by soil fractionation and stable carbon and nitrogen isotopes. We will identify mechanisms by which land use change affects soil stock by examining soil and plant carbon concentration and their carbon isotope in different land use types. Meanwhile, we will investigate greenhouse gas (CO2，CH4 and N2O) emissions and their carbon and nitrogen isotope to explore the mechanisms of greenhouse gas emission related to land use change. Furthermore, we will do regression analysis to identify the relationship between greenhouse gas emission and soil carbon and soil properties. This study demonstrates the frontier science issue on the carbon cycling related to ecosystem function under water conservancy project, which will provide basic guide for protecing environment and water quanlity.

丹江口水库是我国南水北调中线工程的水源地。为了保护库区的生态系统健康和水库水质安全，库区大规模开展了退耕还林等生态系统恢复和植被重建工作，目前已经形成人工林、灌木和农田等不同的土地利用类型。本研究选择清塘河入丹江口水库口库区不同的土地利用类型作为研究对象,运用稳定同位素技术、土壤分馏方法和传统生态学方法，研究土地利用变化对土壤碳库和温室气体（CO2，CH4 和N2O）释放的影响。通过比较研究不同土地利用类型下土壤和植物碳含量和碳同位素的变化，阐明土地利用变化对土壤碳库的贡献和影响；通过比较研究不同土地利用类型下土壤温室气体的释放通量及其同位素值，阐释土地利用变化对土壤温室气体释放的影响机理；耦合温室气体释放与土壤碳以及环境参数，探讨土地利用变化对土壤温室气体释放的潜在效应和影响机制。本研究围绕生态系统物质循环这一前沿性的科学问题开展研究，以期为库区生态环境及水质安全保护提供理论依据和指导。

丹江口水库是南水北调中线工程的水源区。为了保护库区的生态系统健康和水库水质安全，库区开展了退耕还林等生态系统恢复和植被重建工作，形成了人工林、灌木和农田等不同的土地利用类型。本研究选择了库区不同的土地利用类型作为基本研究对象,运用稳定同位素技术和土壤分馏等方法，研究土地利用变化对土壤碳库和温室气体（CO2，CH4 和N2O）释放的影响。研究结果表明，1）森林恢复过程中，土壤有机碳的含量也随之显著增加，其中林地土壤有机碳含量最高。土壤有机碳的累积取决于植物凋落物碳输入的增加和土壤有机碳分解的降低。森林和灌丛增加了凋落物生物量的输入。农田、灌丛和林地土壤有机质的碳氮比（C:N）依次从低到高。林地和灌丛土壤中的不可分解有机碳的指数高于农田，而林地和灌丛土壤中的不可分解有机氮的指数低于农田，该研究结果表明林地和灌丛土壤有机碳相对农田土壤有机碳较难分解。2）森林恢复过程中主要是通过增加土壤大团聚体(> 2000 μm)和土壤闭蓄态颗粒有机质iPOM (65-87%)中的碳含量进而增加了土壤总碳储量。而森林中的土壤团聚体(< 2000 μm)中的有机氮含量却低于灌丛和农田，这主要与森林土壤中高碳氮比的植物残体输入抵消了相对较多的生物量输入带来的影响有关。另外，土壤各组分氮同位素（δ15N）的值反映出了农田具有最大的土壤有机碳降解水平，而森林土壤的确可以增强土壤有机质组分的物理保护从而减缓碳降解，减少碳损失。3）森林恢复显著增加了土壤的温室气体释放，且土壤温度、湿度、土壤有机碳为影响森林土壤的季节性释放中的重要因子。除此之外，土壤有机氮含量显著影响了森林土壤N2O的释放。去除林地地表凋落物，可有效减少土壤CO2和N2O的释放，对CH4释放没有显著影响。这是因为CH4释放主要与土壤本身性质有关，而非地表凋落层。本研究结果揭示土地利用变化对土壤碳库和温室气体释放的影响和机制。