青藏高原高寒草甸土壤有机碳库的分子组成、年龄及气候敏感性

As a unique ecosystem adjusted to low temperatures, alpine meadow systems on the Tibet Plateau have accumulated large stores of soil organic carbon (SOC), whose vulnerability to climate change has significant implications to regional climate and ecosystem stability in western China. However, due to the complicated makeup of SOC, soil carbon dynamics in alpine meadows remain uncertain in a changing climate. Here, exploiting radiocarbon and biomarkers as sensitive tracers of old SOC mobilization and modern SOC turnover, we propose to investigate the radiocarbon and molecular composition of active and refractory SOC pools under typical Tibetan alpine meadows and to explore the fate of recent and aged SOC during soil warming and precipitation manipulation experiments. Coupled with complementary data on soil and vegetation properties, this project aims to explore (1) the dynamics of SOC pools under climate change and the environmental variables controlling their storage, (2) the stabilities of plant-, microbe-, root-, and lignin-derived carbon in soil profiles, (3) microbial priming of old SOC and the mechanisms regulating the accumulation of new carbon in a warmer and wetter world. This project will produce the first comprehensive set of 14C data on a series of SOC fractions and components using compound-specific radiocarbon analysis. The results will shed new insights on soil carbon dynamics, and improve the assessment of soil carbon sequestration potentials on Tibet Plateau under a changing climate.

青藏高原高寒草甸系统，作为低温环境下独特的生态类型，积累了大量的土壤有机碳，其气候敏感性对我国区域气候和西部生态系统的稳定性具有重大意义。然而，由于成分复杂，土壤有机碳对气候变化的响应机制仍是碳循环和气候研究中最不确定的组成部分。本项目拟运用高灵敏度的碳-14和分子地球化学方法，研究青藏高原高寒草甸系统典型土壤中活性和难降解性组分的分子组成和生物来源；并以气候控制试验为基础，探讨土壤积累的古老碳和植物输入的新碳在增温和降水变化中的释放与积累。结合土壤特性和植被数据，本研究拟回答以下问题：1.气候变化下，高寒草甸系统土壤活性组分的动态变化和环境调控因素；2.植物、微生物、根系、木质素等来源的有机碳在土壤中的稳定性；3.气候变化中古老碳的降解速率以及新碳的固定机制。这些研究结果将为土壤碳循环机制模型提供全新的数据，为精确计量和预测未来青藏高原土壤碳汇潜力提供重要的理论和数据基础。

高寒草地在青藏高原分布广泛、对气候变化非常敏感，其土壤碳库对增温的响应备受关注且存在争议。本项目针对青藏高原高寒草地土壤碳库的气候敏感性这个亟待评估的前沿课题，利用生物标志物、单体同位素等分子生物地球化学方法，结合样带采样和野外气候控制实验，研究了青藏高原高寒草地土壤有机碳的来源、组成、年龄及其对气候变化的响应。取得了以下成果：（1）通过大尺度样带调查与生物标志物分析，对比了我国高寒与温带草地土壤有机碳的来源、组成及调控因素，揭示了高寒草地土壤中糖类和植物残体碳相对富集的分子组成特征；（2）利用木质素和氨基糖比较了土壤中植物与微生物残体碳的空间分布格局，在区域尺度上证明了微生物残体碳对土壤碳积累的关键作用；（3）首次完成了我国北方14个土壤剖面中脂肪酸、软木脂、木质素等单体化合物的14C测定，以此评估了土壤碳库不同组分的自然周转时间；（4）利用海北站野外增温控水实验和添加13C标记葡萄糖的土壤培养，揭示了高寒草地深层土壤有机质的分子组分对增温的响应比表层土更加敏感，且具有较高的老碳激发效应和较低的新碳累积效率；（5）利用高寒湿地干旱模拟实验，阐明了亚铁氧化对土壤碳固存的调控机制（“铁门”机制）；（6）利用模拟实验，考察了草地土壤碳的淋溶流失机制。上述结果为厘清高寒草地土壤碳库的组成特征和转化机制提供了新颖的数据和理论支持。在项目的支持下，在Nature Communications, Soil Biology & Biochemistry, Journal of Geophysical Research等国际主流期刊上发表SCI论文8篇，另有4篇文章准备投稿。