半干旱区沙地灌丛凋落物分解过程对季节性增温和极端干旱的响应及其生物机制研究

Litter decomposition, which is related to soil organic matter formation, nutrient release rate and nutrient balance of ecosystems, is an important biogeochemical process driven by multiple factors, including climate and soil biota biota. Seasonal climate warming and extreme drought are two serious global changes in a semi-arid sandy grassland in northern China. The mechanism of the interactive effect of seasonal climate warming and extreme drought on litter decomposition is unclear. In this research, we studied the litter fall loss, nutrient dynamics, polyphenols and tannins and other major compounds, and changes in soil fauna and microbial community structure, in the growing season and non-growing season with climate warming and extreme drought in a semiarid region in northern China. The effects of seasonal climate change on the decomposition of litter were discussed. The relative contribution of climate and soil organisms in litter decomposition and their responses to seasonal climate change were revealed. The successful implementation of this research can provide a scientific basis for the management of litter and desert shrub ecosystems in the semiarid regions of northern China.

凋落物分解是在气候和土壤生物驱动下发生的重要生物地球化学过程，关乎着土壤有机质形成、养分释放速率和生态系统养分平衡。季节性气候变暖和极端干旱是我国北方半干旱区沙地生态系统将面临的两个严峻全球变化问题，两者的耦合对凋落物分解过程影响的机制尚不清楚。鉴于此，本项研究以我国北方半干旱区优势灌木叶凋落物为研究对象，分析生长季与非生长季增温和极端干旱对凋落物分解质量损失、养分动态、多酚和单宁等主要化合物含量以及相关土壤动物、微生物群落结构的影响，探讨季节性气候变化对凋落物分解动态的影响，揭示非生物降解与生物降解在凋落物分解过程中的相对贡献及其对季节性气候变化的响应机制。本项研究的成功实施能为我国北方半干旱区沙地灌丛生态系统植被和凋落物管理提供科学依据。

许多地区目前已经或者正在经历气候变化的影响。凋落物分解是生态系统碳和养分循环的基本组成部分，气候、凋落物质量和分解者驱动凋落物分解。本项目以科尔沁沙地的优势灌木凋落物为研究对象，探讨了季节性增温和极端干旱对其分解及其微生物的影响。主要结论如下：生长季增温、极端干旱、生长季增温与极端干旱交互作用显著抑制小叶锦鸡儿、差不嘎蒿凋落物的分解以及养分的释放，分解周期延长，抑制强度表现为生长季增温与极端干旱交互作用>极端干旱>生长季增温，且对高氮植物小叶锦鸡儿的影响程度大于低氮植物差不嘎蒿的影响程度，但各个处理下均表现为小叶锦鸡儿的分解速率>差不嘎蒿的分解速率。生长季增温、极端干旱、生长季增温与极端干旱交互作用使叶锦鸡儿、差不嘎蒿凋落物中微生物群落的组成和多样性发生显著改变。生长季增温、极端干旱、生长季增温与极端干旱交互作用使两种凋落物中细菌、真菌群落的物种数、多样性显著下降，其影响程度表现为生长季增温与极端干旱交互作用>极端干旱>生长季增温，生长季增温、极端干旱对小叶锦鸡儿的影响程度大于差不嘎蒿的影响程度。与细菌群落的变化不同，生长季增温、极端干旱、生长季增温与极端干旱交互作用对小叶锦鸡儿凋落物中真菌群落组成没有显著影响，却使差不嘎蒿凋落物组间真菌群落发生显著性改变。增温、极端干旱、增温与极端干旱交互作用对凋落物分解不同时期微生物类群的影响也存在明显差异。凋落物的分解，对照处理中凋落物细菌、真菌群落发生了显著变化，增温和极端干旱单一因素对细菌、真菌群落的显著影响具有时滞性，对凋落物分解前期 微生物群落没有显著影响，而增温与极端干旱交互作用对凋落物细菌、真菌群落没有显著影响。这说明不同凋落物及其分解过程中微生物类群对增温、极端干旱、增温与极端干旱交互作用的响应存在显著差异，这对理解气候变化背景下生态系统养分循环具有重要意义。