农田土壤新碳、老碳的温度敏感性和微生物有效性研究

Differences in temperature sensitivity（Tsens）and availability of organic carbon (C) of different fractions of soil organic matter cause the uncertain feedback between global climate change and soil carbon. However, only very few approaches allow us to quantificationally estimate the temperature sensitivity and availability of young and old C. According to our previous research, we assume that (1) old C is more sensitive to warming. (2) young C is more availability for microbe than old C. Natural 13C tracers have been used to assess microbial availibility and Tsens of young (labile) SOC vs.old (recalcitrant) SOC using soils from ecosystems that experienced a switch from C3-plant-dominated vegetation to C4-plant-dominated vegetation in a long-term experments. CO2 from the soil will be continuously trapped in an alkaline trapping technology for distinguishing the young and old C in different carbon pools and CO2-C, discussing the allocation and dynamics of young and old C in soil-microbe-atmosphere system and establishing the functional relationship between CAI and Q10. The expected results will increase the accuracy of assessing feedback relationship of global climate warming and soil carbon pool and provide important parameters for simulating terrestrial carbon cycle.

土壤有机碳不同组分的温度敏感性和微生物有效性存在差异，这导致预测全球变暖与土壤碳库之间的反馈关系存在不确定性。受方法学上的限制，定量评估土壤新碳和老碳的温度敏感性和微生物有效性是很困难的。本项目将重点研究土壤新碳和老碳的温度敏感性和微生物有效性。我们假设：(1)土壤老碳比新碳对温度变化更敏感；（2）土壤新碳比老碳对微生物更有效。本研究以C3-C4植被转变土壤有机碳库为研究对象，进行室内长期培养实验，采用动态碱液吸收法对土壤呼吸CO2进行捕获，将天然13C同位素示踪技术应用于土壤不同碳库及土壤呼吸CO2中新碳和老碳的区分，研究新碳、老碳在土壤-微生物-大气系统中的分配比例及去向，重点揭示土壤新、老碳库的温度敏感性和微生物有效性，建立碳有效性指数（CAI）与土壤温度敏感性（Q10）之间的函数关系。预期成果将提高估算全球变暖与土壤碳库之间反馈关系的准确性，为精确模拟陆地碳循环提供重要参数。

温度是影响和控制土壤碳库矿化的关键因子，温度升高与土壤碳库之间的关系在很大程度上决定未来全球碳循环和温度变化之间的反馈关系。中速周转土壤碳库 (decadally cycling C) 是土壤碳库的主体，其温度敏感性是目前全球变化研究的核心问题之一。但是，受方法学限制，目前结果争议很大。本项目以中速周转土壤碳库为研究对象，在不同温度下对长期C3-C4植被转变试验处理土壤进行室内长期培养实验，借助天然13C同位素示踪法区分不同周转速率碳库组分，同时采用自主改进的动态碱液吸收技术精确量化土壤呼吸二氧化碳(CO2) 和13C同位素丰度，探明中速周转、快速周转土壤碳库的温度敏感性及其随培养时间的变化幅度，解析生物和非生物因素对中速周转碳库温度敏感性的影响机理，研究结果将有助于澄清不同土壤碳库温度敏感性的争论，为确定全球气候变化与土壤碳循环间的反馈关系提供新的思路。.主要结果如下：.1、通过对两种C3-C4植被转变土壤进行360天培养，创新性的采用“Equal-C”、“Equal-time”、“First-order fitting” 三种方法，证实了土壤中速周转碳库比快速周转碳库对温度升高更加敏感，从而澄清了这一话题的长期争议。.2、通过在长期培养过程中， 测定两种C3-C4植被转变土壤溶解性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、土壤有机碳的含量(SOC)和δ13C，采用二元混合模型，区分来源中速周转碳库和快速周转碳库的碳库组分，确定了来源于不同碳库和土壤呼吸CO2中的中速和快速周转碳库的变化动态。研究发现，整个培养过程中DOC、MBC、SOC 含量随培养时间延长和温度升高呈下降趋势，而土壤呼吸速率随温度升高而显著升高，但随培养时间延长而下降。MBC的δ13C值随培养时间呈先升高后下降趋势，土壤呼吸CO2的δ13C随培养时间延长而下降，而DOC和SOC的δ13C值随时间变化不明显。同时，C4-MBC的温度敏感性Q10随时间延长呈下降趋势，而C3-MBC随培养时间呈上升趋势。整个培养过程中C3-C的微生物周转时间(MMT)显著大于C4-C和总SOC(Ct-C)的MMT。与培养前期相比，20oC培养后期的C4-C和Ct-C的MMT相对延长，而C3-C的MMT缩短，而30℃培养后期的Ct-C的MMT相对延长， 而C4-C和C3-C的MMT缩短。 温度升高使培养前期和