水、氮输入对温带草原关键碳过程影响及其驱动机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 李兆林 |
| 答辩日期 | 2022-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 董云社 |
| 关键词 | 碳循环 半干旱草地 降水 氮沉降 土壤微生物 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 降水格局的改变和大气氮沉降的增加是近些年全球变化的重要现象，其对全球陆地生态系统碳循环过程的影响一直是研究的重点。草地生态系统是我国最大 的陆地生态系统，主要分布在我国北方温带干旱和半干旱的生态脆弱地区，使得 其对全球变化的响应十分敏感。碳循环过程作为草地生态系统最重要的物质和能 量循环过程，由于受草地水分和氮养分可利用性低的共同限制，其变化对水分和氮素输入变化的响应也更为强烈，因此，探讨目前及未来降水和氮沉降的变化对草地碳循环过程的定量影响对于准确评估和预测我国草地碳源、汇功能的变化具有十分重要的意义。土壤呼吸碳排放、植物固碳及凋落物分解作为草地生态系统碳循环最重要的几个关键过程，其对未来降水和氮沉降增加，尤其是二者交互变化下的可能响应特征目前依然存在很大的不确定性，关于水、氮变化背景下土壤微生物群落的变化及其与上述草地关键碳过程变化的内在关联机制也仍不明晰。 本研究以中国北方温带典型草地生态系统为研究对象，开展了为期4年的野外小区控制实验研究。实验设置了2个模拟降水水平，以及4个模拟氮沉降变化 水平。通过对处理小区4年的定期野外采样，结合室内实验室化学分析及16S rDNA等分析技术，利用结构方程模型、RDA分析等多种数理统计手段，定量揭 示了降水和氮沉降增加对土壤呼吸碳排放、植物固碳和凋落物分解等关键碳过程 的影响效应，分析了影响草地生态系统关键碳过程的生物和非生物因素，初步探讨了水、氮交互变化对土壤 CO2 排放等关键碳过程变化的微生物学驱动机制。 通过对 2014-2017年连续四个生长季的研究，得出以下结论： （1）水添加处理显著增加了土壤含水量（P < 0.05），氮添加处理显著增加了土壤溶解性有机碳含量，并且水、氮添加对土壤溶解性有机碳含量变化具有显 著的交互作用（P < 0.01）；水添加处理在干旱年份显著降低了土壤硝态氮和铵态 氮含量（P < 0.01），氮添加处理对土壤无机氮的促进效应随氮添加量和实验持续时间的增加而增加，水添加处理显著降低了氮添加对无机氮的正效应（P < 0.01）。 （2）当受干旱胁迫时，水添加处理对土壤碳循环相关酶活性存在正效应；氮添加处理对其影响受施氮水平的控制，低氮添加提高了多酚氧化酶、蔗糖酶以及 β-葡萄糖苷酶的活性，高氮添加降低了多酚氧化酶和 β-葡萄糖苷酶的活性。水 添加处理显著增加了土壤微生物量碳，降低了细菌群落与真菌群落的比值（P < 0.01）；随着施氮量和实验时间的增加，氮添加处理对土壤微生物量碳的影响效应由开始的正效应逐渐转变为负效应，氮添加处理提高了细菌群落与真菌群 落的比值，高氮添加显著降低了土壤细菌群落的丰富度和多样性（P < 0.05）。 （3）水添加处理对草地土壤呼吸有显著的正效应（P < 0.001）；氮添加处理 对土壤呼吸的影响随着氮添加量与实验持续时间的增加逐渐由显著的正效应转 为负效应。单独水添加显著增加了土壤呼吸累积通量；不同氮添加处理中，仅低 氮处理的土壤呼吸累积通量在第一年施氮后显著高于对照处理（P < 0.05），说明氮添加处理对土壤呼吸的影响可能存在一个阈值；水氮共同添加显著增加了土壤 呼吸累积通量，二者的交互作用不显著。水添加、氮添加、土壤含水量、土壤5cm温度、土壤可溶性有机碳、土壤铵态氮、土壤硝态氮、植物根生物量和土壤微生物量碳共同解释了土壤呼吸76%的变化，其中土壤温度和含水量贡献最大。 （4）水、氮添加处理对草地地上生物量和地下生物量均存在正效应，其中草地地上生物量对水、氮变化的响应更显著；水、氮添加显著增加了草地生产力（P < 0.05），但二者交互作用不显著；水、氮添加处理显著降低了草地植物根冠比（P < 0.05）。研究区域植物净初级生产力与氮养分供应和土壤微生物量碳显著 相关，氮添加处理主要通过提高土壤可溶性有机碳、土壤硝态氮和土壤铵态氮含 量增加植物地上净初级生产力及其固碳能力。 （5）水、氮添加处理均显著加快了凋落物质量的损失（P < 0.05）；氮添加处理显著提高了凋落物碳的释放，但减少了凋落物氮的释放（P < 0.05）。凋落物分解速率主要受凋落物 C/N 和土壤微生物细菌/真菌影响，低 C/N 凋落物更容易被微生物分解；氮添加处理对凋落物分解的影响大于水添加，氮添加处理能够通过降低凋落物 C/N 和提高微生物中细菌/真菌加速凋落物分解。 本研究结果表明，降水和氮输入的增加主要通过改变草地生态系统土壤理化性质和土壤微生物对草地关键碳过程产生影响。水添加处理能够促进土壤呼吸、 提高草地生产力、加快凋落物分解，加速了碳循环过程。氮添加处理对碳循环过程的影响较为复杂，其对土壤呼吸的影响受氮添加量和实验持续时间控制，由开始的正效应逐渐转为负效应，而对植物生产力和凋落物分解表现为持续的正效应。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 156 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/184629]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李兆林. 水、氮输入对温带草原关键碳过程影响及其驱动机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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