小麦（C3)/玉米（C4)两熟农田呼吸过程的碳同位素分馏研究

Huabei Plain is the typical high-yield area of a winter wheat-summer maize double cropping rotation. The study of the carbon isotope fractionation effect in respiration has fundamental value in probing the microcosmic mechanism of ecological process of agriculture carbon cycle. This study is carried out in wheat (C3) - maize (C4) double cropping rotation in Huabei Plain. The ecosystem respiration (FR) and its carbon isotope signature (δR) are measured in situ by using an eddy covariance system and a CO2 isotope analyzer system, respectively. Soil respiration (FRs), soil heterotrophic respiration (FR,sh) and their carbon isotope signatures (δR) are measured by LI 8100 automated soil CO2 flux system and static chamber-mass spectrometry technique , respectively. The research focuses on the interannual, seasonal, and diel variability in the carbon isotope composition of respiration in a C3/C4 agricultural ecosystem; it clarifies the carbon isotope fractionation effect during respiration at soil-atmosphere interface. The research is devoted to the influences of soil moisture, temperature and δ13C content of soil organic matter on ecosystem respiration and its carbon isotope signature; the object of the research is to find the mechanism of the effects of abiotic factors on the carbon isotope fractionation effect during respiration process in a winter wheat-summer maize double cropping rotation in Huabei Plain.

华北平原是我国典型的小麦（C3）/玉米（C4）轮作两熟高产农田区。研究这一区域农田系统呼吸过程中碳同位素的分馏效应对探索农田碳循环生态过程的微观机理具有重要价值。本项目以华北平原小麦（C3）/玉米（C4）两熟农田为研究对象，利用涡度相关系统与13CO2同位素廓线系统，原位观测农田生态系统呼吸通量（FR）及其碳同位素特征（δR）；将LiCor LI 8100土壤呼吸测定系统与静态箱-质谱仪法相结合观测土壤呼吸 (FRs)和土壤异养呼吸通量（FR,hs）及其碳同位素特征。重点研究小麦（C3）/玉米（C4）两熟农田呼吸通量及其碳同位素特征的昼夜、季节和年际变化，阐明农田呼吸构成及其在土壤-大气界面的碳同位素分馏效应；研究农田呼吸及其碳同位素特征与土壤剖面水分、温度及有机质δ13C含量的关系，探索非生物因素对C3（小麦）和C4(玉米)作物呼吸过程中碳同位素分馏效应的影响机制。

生态系统呼吸的碳同位素特征δR是大气反演模型评估陆地碳汇变化的重要参数。对全球生态系统δR高估3‰就会造成对生物圈碳汇量低估20%，因此准确评估δR非常重要。华北平原是典型的小麦（C3）/玉米（C4）轮作两熟高产农田区，研究此区域呼吸过程的碳同位素分馏效应对准确评估区域碳收支，发展低碳农业具有重要意义。本项目以华北平原小麦/玉米两熟农田为研究对象，利用涡度相关系统和13CO2同位素廓线系统，原位观测呼吸通量（FR）及其碳同位素特征（δR）；将LiCor 8100土壤呼吸测定系统与静态箱-质谱仪法结合观测土壤呼吸 (FRs)和土壤异养呼吸（FR,hs）及其碳同位素特征。同时研究了非生物因素与呼吸作用及其碳同位素分馏效应的响应机制。结果表明：2015-2018年冬小麦季，土壤呼吸和植物地上部自养呼吸对生态系统呼吸的贡献率分别为43.9和56.1％。夏玉米季，土壤呼吸和植物地上部自养呼吸对生态系统呼吸的贡献率分别为40.0和60.0％。玉米季呼吸的同位素特征比小麦季更加富集，且在作物旺盛生长阶段会出现负排放峰。这主要是由于C4植物玉米的碳同位素数值（-11‰）比C3植物小麦更富集（-24‰），导致其呼吸过程的碳同位素特征值会呈现相应的趋势。同时在所有的生物地球化学循环中均遵循“重同位素歧视”原则，在作物旺盛生长阶段的强呼吸过程中，更多的轻同位素（12C）被利用，相应的更多重同位素（13C）则被留在背景环境中，这就导致了此阶段其相应的碳同位素特征贫化峰的出现。我们发现地上部自养呼吸的碳同位素特征值δR,ag最贫化，土壤异氧呼吸的δR,sh最富集，而生态系统呼吸的δR处于二者之间。这主要是由于呼吸过程的碳同位素特征主要受底物碳同位素特征的影响，而土壤的碳同位素值显著的更富集于植物。该研究同时揭示了生态系统呼吸分量及其碳同位素分馏特征主要受土壤5cm温度和土壤水分含量驱动。本研究对探索农田碳循环生态过程的微观机理具有重要价值；同时也对准确认识人类活动干扰下区域乃至全球农田碳循环的生态过程具有重要意义。