北方草地土壤碳氮磷化学计量关系的动态变化

Stoichiometric flexibility under global change is receiving great interest among the global change research community. However, current evidence mainly comes from manipulation experiments, and little evidence is available from large-scale observations. In this project, we try to provide the first attempt to examine topsoil carbon: nitrogen: phosphorus (C:N:P) stoichiometric flexibility in grassland ecosystems which have experienced gradual increases in atmospheric CO2 concentration and substantial N deposition during the past three decades. We plan to conduct a regional soil survey during 2014-2016 and obtain approximately 900 soil samples from 300 sites along a grassland transect extending from the central-southern Tibetan Plateau to the eastern Inner Mongolian Plateau. We will then examine the changes of C:N:P ratio in topsoil across the grassland area over the last three decades using soil profiles derived from historical national soil inventory and contemporary regional soil survey. Specifically, we will interpolate these site-level measurements to the regional scale, generating spatial distributions of soil C:N:P ratios in the surface layer. Based on Monte-Carlo analysis, we will then evaluate the stoichiometric changes over the sampling interval along the grassland transect. Moreover, we will also explore the linear relationships among soil C, N, and P, and further explore whether and how the slopes of the stoichiometric relationships fluctuate during 1980s-2010s. This project could enhance our knowledge on C-N-P interactions in these globally important ecosystems, and also improve our understanding on the responses of grassland ecosystems to global change.

生态系统不同组分中碳:氮:磷(C:N:P)比的动态变化是当前全球变化研究中关注的焦点问题。然而，目前学术界对这一问题的认识主要来自控制实验，缺乏大尺度观测证据。那么，过去几十年间草地生态系统中表层土壤C:N:P比是否发生了变化?本项目拟沿我国北方草地样带进行3年野外考察，获取约300处样地表层土壤样品，分析其中有机C、总N和总P含量。通过Kriging插值得到2010年代表层土壤C:N:P比的空间分布，并与1980年代表层土壤C:N:P比空间分布进行比较，结合Monte-Carlo方法揭示过去30年间表层土壤C:N:P比的变化。通过分析土壤C:N:P比变化与气候变量、草地类型等之间的关系，探讨其影响因素。此外，本项目还考察表层土壤C-N-P之间的化学计量关系斜率在过去30年间的变化。本项目的实施能加深对草地生态系统C-N-P交互作用的认识，从而有助于进一步理解草地生态系统对全球变化的响应。

生态系统不同组分中碳:氮:磷(C:N:P)比的动态变化是当前全球变化研究中关注的焦点问题。然而，目前学术界对这一问题的认识主要来自模拟全球变化情景的控制实验，缺乏大尺度的观测证据。本研究采用大尺度野外调查的方法，结合Kriging插值、Monte-Carlo分析、人工神经网络等数据挖掘的手段，分析了青藏高原草地土壤微生物C-N-P化学计量特征、我国北方草地土壤C-N-P化学计量关系的动态变化以及我国森林土壤N-P化学计量关系的时空格局。主要结果如下：(1) 解析了青藏高原高寒草地土壤微生物C-N-P化学计量特征。基于对青藏高原高寒草地连续2年获得的173处样地表层土样分析，发现微生物C:N比随纬度呈上升，而N:P比随纬度呈下降趋势。此外，微生物C:N比的空间变异由年降水量等非生物因子导致，而C:P比和N:P比的空间变异则归因于微生物群落组成的变化；(2) 揭示了我国北方草地表层土壤C-N-P化学计量关系的动态变化。在上述工作的基础上，评估了1980s-2000s 年间我国北方草地表层土壤C:N:P比的动态变化。结果发现，过去20年间表层土壤C:N 比没有发生显著变化，而土壤磷含量的下降导致N:P比增加了0.6个单位，这说明全球变化背景下土壤碳氮之间的耦合关系比氮磷之间的耦合关系更加稳定；(3) 阐明了我国森林土壤N-P化学计量关系的时空格局。通过整合第二次土壤普查和2000年以来发表文献的数据，利用人工神经网络方法，模拟了我国森林土壤N:P比的时空格局以及导致土壤N:P比变化的驱动因素。结果发现，土壤N:P 比在增加，但其增加途径在不同森林类型中存在差异。其中，常绿林土壤N:P 比的增加主要由氮含量增加和磷含量降低共同驱动，而落叶林土壤N:P 比的增加则只受土壤氮积累的驱动。上述成果丰富了学术界对生态化学计量关系大尺度格局的认识，有助于全面理解全球变化要素对生态系统养分平衡的影响。在该项目的支持下，共发表学术论文19篇，其中SCI收录18篇，中文核心期刊1篇，顺利完成了各项研究任务，实现了预期目标。