光降解对温带干旱区凋落物分解和碳通量的影响

Studies on the relationships between litter decomposition and ecosystem carbon flux and soil organic carbon cycling are central issues on understanding ecosystem belowground C process and ecosystem feedbacks to global climate changes. In this project, firstly, we will investigate microbial effects and abiotic influences of photodegradation on litter decomposition, soil organic carbon decomposition, soil microbial activities and ecosystem carbon flux as mediated by moisture and temperature in Tianshan Mountain which can provide a consecutive gradiation of moisture, solar radiation and vegetation, this investigation can give a precise assessment on the potential influences of belowground carbon decomposition on ecosystem carbon flux in the temperate arid ecosystem; Secondly, we will investigate organic substance transformation and DOM production and structure in photodegradation process using NMR and DOM techniques, and reveal photodegradation effects on soil organic carbon components and soil microbial activity; Finally, through long-term manipulating 14C-labelled litter decomposition, we will examine the soil organic matter component and temperature sensitivity of soil respiration, and analyze the influences of photodegradation on soil organic carbon composition, transformation and stability. The implementation of this project will be conducive to the preciseness of decomposition model in desert ecosystems and improve the projection of soil organic carbon feedbacks to climate changes in arid regions.

研究凋落物分解与生态系统C通量和土壤有机C周转的关系是生态系统地下C过程和全球变化下生态系统反馈研究的主要科学问题。本项目借助中国天山垂直地带谱的水分、辐射和植被变化梯度，采用野外田间试验和室内分析相结合的方法，研究不同水、热因素组合下微生物和光降解作用对凋落物、土壤有机碳分解和生态系统碳通量的效应，准确评价温带荒漠区土壤碳分解过程对生态系统碳通量的影响；利用有机质红外光谱和核磁共振检测分析对光降解过程中的物质转变、作用机制和溶解性有机质生产和结构进行研究，揭示光降解对土壤碳库组分和微生物活性的影响；通过长期控制试验中14C标记凋落物下土壤有机质组分测定和温度敏感性研究，分析光降解对土壤有机碳结构、转化和稳定性的影响。本研究对于全面掌握干旱区凋落物分解规律和有机碳反馈机制具有重要作用，可为干旱区碳循环模型构建提供理论依据。

干旱区凋落物分解对气候变化的反馈是评价干旱生态系统服务功能的重要依据。光降解可能是凋落物分解的重要驱动因素，但其作用效应长期被忽略，作用机制也不明确。本项目借助自然降雨梯度带，采用野外田间试验和室内分析相结合的方法，研究不同水、热因素组合下微生物和光降解作用对凋落物、土壤有机碳分解、养分释放和生态系统碳通量的效应。研究结果表明UV辐射在三个降水梯度一致性增加了凋落物分解的质量损失和分解速率，光降解增加了分解过程中所有碳组分的分解，木质素损失在UV辐射下更大。证明了光降解在干旱荒漠生态系统对凋落物分解的普遍正效应，是生态系统碳和养分循环中重要的非生物作用过程。光辐射增加了凋落物分解速率，同凋落物质量具有显著的交互效应，分解速率同初始木质素含量呈显著负相关，并且光降解效应随木质素含量的损失而增加，降雨量和降雨频率都显著影响了分解速率，光降解效应依赖于降水特征，最强的光降解效应发生在低降水量和低降水频率处理。光降解抑制了凋落物微生物分解，尤其是降低了分解真菌的活性，在干旱荒漠区光降解对凋落物分解的作用主要是通过改变其碳组分结构，增加易溶性碳组分损失产生的。阐明了降水和凋落物特征对光降解效应的调节机制。荒漠一年生植物在降水和N素可利用增加下通过提高相对生长速率，提前繁殖物候来躲避生长季后期的长期干旱。荒漠短命植物具有显著的“春坝效应”，在荒漠生态系统养分保持中的扮演了重要角色，草本层片物候更替可以改变净生态系统碳交换和水分利用效率，系统阐明了荒漠植物凋落物快速分解对生态系统C循环、养分释放和碳通量的影响。荒漠植物凋落物地上分解速率主要由其初始养分含量控制，而根系分解速率主要由凋落物阻抗性碳组分含量控制。荒漠土壤有机质分解和微生物群落对于水分和N素可利性具有较高的敏感性，光降解导致的荒漠植物凋落物的季节性快速分解，将增加土壤微生物活性，增加土壤有机质分解，降低土壤有机质的稳定性。项目完成了申请书中确定的相关研究内容，在学术交流、发表论文和人才培养等方面完成了规定的指标，成果对于科学认识人类活动和气候变化对温带荒漠植被的影响提供了科学借鉴。