降水变化下黄土高原天然草地土壤呼吸时空变异的驱动机制

Atmospheric circulation models predict the frequencies of extreme rainfall events and extreme droughts will increase in the future, which may impact the structure and functioning of terrestrial ecosystems, and thus carbon cycling and its feedbacks to the climate system. As a key process of the carbon cycling, soil respiration plays an important role in regulating the global carbon cycling, but the direction and size of soil respiration response to altered precipitation regimes also remain controversial. Soil respiration was the result of soil carbon produce and diffusion in profile, but rarely studies focused on the carbon emission of soil profile under precipitation change, thus it is an urgent need to study the driving mechanism of spatial and temporal variation of soil respiration under changing precipitation regimes. In the study, the soil respiration component, carbon emission in soil profile and related abiotic and biotic factors were continuous monitored in natural grassland ecosystem under different precipitation regimes in the Loess Plateau. The aims of the study were to clarify the dynamic characteristic and dominant factors of soil respiration, determine the contribution of different soil layer to total carbon emission and reveal the driving mechanism of the spatial and temporal variation of soil respiration, which would help understand the process of carbon cycle and provide theoretical basis for ecological benefit assessment of grassland ecosystem in the Loess Plateau.

随着气候变化的加剧，多个大气循环模型结果表明全球降水格局将发生显著变化，降水变化引起的土壤水分有效性的改变将直接影响生态系统碳循环过程。土壤呼吸作为碳循环的关键过程，其对降水变化的响应程度甚至方向仍存在争议；土壤呼吸是剖面碳产生、扩散的结果，然而降水变化对土壤剖面碳排放影响研究较少，亟待开展降水变化下土壤呼吸时空变异的驱动机制研究。本研究以黄土高原天然草地为研究对象，通过连续监测不同降水处理下土壤呼吸组分与剖面碳排放及其生物与非生物影响因子动态，阐明降水变化下土壤呼吸的动态特征，探讨土壤呼吸对单次降水的响应阈值；通过解析根系呼吸与微生物呼吸变化，明确降水变化下土壤呼吸变异的主导因素；通过监测土壤剖面碳排放，阐明降水变化下不同深度土层碳排放对土壤呼吸的贡献比例；探讨土壤呼吸与生物及非生物因子的关系，揭示降水变化下土壤呼吸时空变异的驱动机制，为深入理解生态系统碳循环过程提供理论依据。

随着气候变化的加剧，多个大气循环模型结果表明全球降水格局将发生显著变化，降水变化引起的土壤水分有效性的改变将直接影响生态系统碳循环过程。土壤呼吸作为碳循环的关键过程，是土壤剖面碳产生、扩散的结果，因此开展降水变化下土壤呼吸时空变异的驱动机制研究具有重要意义。本研究以人工牧草早熟禾草地为研究对象，通过连续监测不同降水处理下土壤呼吸组分与剖面碳排放及其生物与非生物影响因子动态，明确了降水变化下土壤呼吸时空变异的驱动机制。研究主要取得以下重要进展：一是阐明了降水变化下土壤呼吸的动态特征，明确了降水变化下土壤呼吸变异的主导因素，研究发现增水处理对土壤呼吸没有显著影响，但是减水显著降低了土壤呼吸，这种下降主要是由于减水处理下微生物呼吸的下降所导致；二是阐明了降水变化对不同深度土层碳排放的影响，研究结果表明减水处理0-10cm土层土壤CO2扩散通量高于增水和对照处理，但增水处理显著提高了10-20cm土层土壤CO2扩散通量，降水变化对20-40cm和40-60cm土层土壤CO2扩散通量没有影响；三是阐明了降水变化对生物及非生物因子的影响，揭示了不同土层土壤CO2扩散通量与土壤温湿度的关系，研究表明减水处理显著降低了0-60cm土层土壤湿度，且土壤温湿度与CO2扩散通量表现出显著相关性。我们的研究结果为深入理解降水变化下草地生态系统碳循环关键过程提供了理论依据。