青藏高原高寒草原生态系统根系周转对不同施氮梯度的响应

Root turnover plays a dominant role in terrestrial carbon (C) cycling. Many studies have revealed that nitrogen (N) deposition significantly altered root turnover. However, most of the previous manipulative experiments considering N effects on root turnover only compared two N levels, and few studies have examined the responses of root turnover to multiple N regimes. Moreover, current evidence mainly comes from forests and temperate grasslands, and little information is available from alpine regions. In this project, we try to examine the changes of root turnover under different N levels by conducting manipulative experiment in an alpine steppe on the Tibetan Plateau. Meanwhile, we will examine the N effects on biotic factors (e.g. microbial community composition, root carbohydrate and protein concentrations) and abiotic factors (e.g. soil moisture, mineral N and available phosphorous concentrations) and also explore their relationships with root turnover. Moreover, we will use structural equation modeling (SEM) to gain a mechanistic understanding of how the biotic and abiotic factors affect on cumulative root production, root mortality, mean root standing crop and annual turnover rate across different N treatments. This project could enhance our knowledge about the responses of root turnover to N additions in alpine ecosystems, and provide important clues for the understanding of the dynamic characteristics of land C cycling under N deposition scenarios.

根系周转是陆地生态系统碳循环中的一个重要过程。许多研究指出，大气氮沉降的不断增加导致根系周转发生了显著变化。然而，以往的氮沉降模拟实验大多采用施氮和对照处理，尚不清楚根系周转沿氮梯度呈线性还是非线性响应。并且，这些研究主要集中在森林和温带草地生态系统中，来自高寒地区的报道较少。为此，本项目拟以青海湖北岸紫花针茅草原为研究对象，考察根系周转在不同施氮梯度下的变化特征。同时，研究不同氮处理下生物因子（如微生物群落结构、根系碳水化合物和蛋白含量）和非生物因子（如土壤含水量、无机氮和速效磷含量）的变化及其对根系周转的影响。在此基础上，基于结构方程模型综合分析生物和非生物因子与根系总生产量、死亡量、平均现存量和周转率的关系。本项目的实施将阐明高海拔生态系统中根系周转过程对施氮的响应及其机制，并为理解持续大气氮沉降情景下高寒生态系统碳循环特征的演变提供重要启示。

根系周转是陆地生态系统碳循环的一个重要环节。工业革命以来，人类活动导致氮输入的不断增加显著影响了根系的生产、死亡和周转过程。然而，以往的控制实验研究大多采用对照和加氮两个处理，尚不清楚上述过程随施氮量增加呈线性还是非线性响应。本研究通过野外控制实验，结合整合分析、标准主轴回归、结构方程模型等数据挖掘手段，揭示了根系生产、周转速率和现存量对氮添加的响应规律及调控机制，并分析了根系过程在土壤CO2排放对氮添加响应中的调控作用。主要结果如下：1) 揭示了草地生态系统根系动态对不同氮水平的响应规律。基于高寒草原氮梯度实验平台，发现随着施氮量的增加根系生产和现存量呈线性或指数下降，而根系周转速率呈先上升后下降的趋势。整体而言，土壤无机氮和根系淀粉浓度是调控不同氮水平下根系动态的主要因素；2) 阐明了氮添加引起根冠比下降的机制。通过整合全球尺度上氮添加实验中植物地上和根系生物量数据，利用标准主轴回归分析了氮添加对生物量在地上地下分配斜率的影响，发现加氮处理并不影响生物量的分配斜率。同时，通过幂函数模型预测根系生物量，并计算根冠比，发现模型预测的根冠比与实测值没有显著差异，表明异速生长模型能够较好的预测生物量的分配。总之，两种方法的结果都指出，氮添加并没有影响生物量在植物地上地下的分配，“异速生长假说”较好地解释了氮添加引起的根冠比下降；3) 揭示了氮沉降增加情景下根系对土壤CO2排放的调控作用。利用结构方程模型分析了不同氮水平处理下土壤呼吸及其组分与生物和非生物因子的关系，发现根系生物量和土壤温度是调控自养呼吸变化的主要因素，而温度和和微生物生物量是调控异养的主要因素。上述研究结果为认识草地生态系统地下碳循环在未来持续氮沉降背景下的演变规律提供重要启示，为校验地球系统模型提供数据支持。在该项目的支持下，共发表学术论文6篇，其中SCI收录5篇，EI收录1篇，顺利完成了各项研究任务，实现了预期目标。