黄河三角洲滨海盐沼湿地土壤呼吸对降雨改变的响应及机制研究

Coastal salt marshes are important component of “blue carbon” sink and their carbon cycling dynamics under climate changes are one of the “hot spots” of worldwide research. As one of key processes of carbon cycling of coastal salt marshes, soil respiration is particularly sensitive to climate changes. However, little is known about how soil respiration responses to climate change-associated precipitation changes in coastal salt marshes. In a reed (Phragmites australis) wetland in the Yellow River Delta, China, we conducted a manipulative experiment with five simulated precipitation treatments (60% reduction of precipitation, 40% reduction of precipitation, control, 40% increase of precipitation and 60% increase of precipitation). This study aims to quantify the responses of soil respiration and its two components (root respiration and microbial respiration) under different precipitation regimes and to clarify the key mechanisms influencing the rates of soil respiration and its two components by measuring the in situ soil respiration rates, soil environment parameters, physical and chemical properties, soil microbial activities as well as plant net primary productivity; and by using a in situ 13C-labeling experiment. The study will provide a scientific foundation for understanding the soil respiration processes and the carbon cycling of the coastal salt marshes under climate changes.

滨海盐沼湿地作为海洋“蓝碳”碳汇的重要组分，研究其碳循环过程及对气候变化的响应对于理解滨海湿地-气候变化相互作用极为重要。土壤呼吸是滨海盐沼湿地生态系统土壤碳释放的主要途径。气候变化所引起的降雨格局改变会对滨海盐沼湿地土壤呼吸及其组分（根系呼吸和微生物呼吸）带来显著影响，而目前尚缺乏对该方面的相关研究。本研究依托黄河三角洲滨海湿地生态试验站，以芦苇湿地为研究对象，采用降水改变(减水60%、减水40%、对照，增水40%和增水60%)完全随机实验设计，测定土壤呼吸速率、土壤环境因子和理化性质，土壤微生物生物量以及植物生产力等指标，分析滨海盐沼湿地土壤呼吸及其组分对降雨改变的响应规律以及主要驱动因素；结合野外同位素标记实验，阐明土壤呼吸两个组分对降雨变化引起的水盐条件改变的敏感性及作用机制。本研究有助于我们更准确预测滨海盐沼湿地土壤呼吸对未来降水变异的响应。

全球气候变化背景下，降雨体系（如降雨量和降雨时间）的改变将对滨海湿地生态系统碳循环过程产生重大影响。本项目以黄河三角洲非潮汐盐沼湿地生态系统为研究区域，一方面通过降雨控制实验平台和移位模拟实验，深入解析了降雨量变化以及降雨事件对滨海盐沼湿地土壤呼吸及其组分的影响及机制，另一方面通过室内模拟实验，量化了土壤微生物呼吸对降雨引起的土壤水盐变化的敏感性特征。研究结果表明，黄河三角洲盐沼湿地土壤呼吸对降雨变化响应明显，在非淹水期增加降雨显著提高土壤呼吸速率，减少降雨显著降低土壤呼吸速率，这与降雨量改变引起的土壤含水量、盐度、微生物活性和植物生长等非生物和生物因素的变化密切相关。夏季降雨导致的湿地地表淹水显著抑制土壤呼吸，并且抑制作用随降雨量增加而增加。降雨时间和降雨量对土壤微生物呼吸的影响存在交互作用。在干旱期，大降雨事件显著降低了土壤微生物呼吸；而湿润期的降雨事件对土壤微生物呼吸没有显著影响；随着降雨量的增加，土壤含水量和土壤盐分都显著增加，且两因素呈现显著的正相关关系。室内培养实验表明土壤微生物呼吸随着土壤盐度的升高而降低，随着土壤含水量的增加先升高后降低，这与土壤水盐变化引起的土壤微生物活性、土壤养分有效性以及土壤环境变化有密切关系。本项目结果揭示了气候变化背景下降雨体系改变通过调控土壤水盐运移等条件对黄河三角洲滨海盐沼湿地土壤呼吸的影响及其主要调控机理，这将增进滨海盐沼湿地生态系统碳循环过程与降水相互关系的科学认识，也为预测气候变化对盐沼湿地生态系统碳汇功能的影响提供科学数据。