高寒草甸生态系统碳循环对CO2浓度升高和氮添加的响应
文献类型：学位论文
| 作者 | 陈瑶 |
| 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 | 张扬建 |
| 关键词 | CO2浓度升高 氮素有效性 生态系统碳循环 响应敏感性 高寒草甸 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 大气 CO2 浓度的持续上升引发了全球性的增温和降水格局变化，对全球陆地和海洋生态系统的结构和功能产生巨大的影响。CO2 浓度升高能促进植物生长（CO2 施肥效应），对碳循环具有潜在的反馈作用，陆地生态系统的碳反馈是全 球变化研究的主要内容。然而，CO2 浓度升高情景下生态系统碳循环的响应过程 和机理仍存在较大的不确定性，尤其是与氮素有效性的变化相结合时。此外，叶 片水平上的研究和理论模型预测了高海拔植物对 CO2 浓度升高的响应会更强， 由于严重缺乏高海拔生态系统碳循环的研究结果，相关的假设很少得到验证。 本研究在对气候变化敏感的青藏高原海拔4585m的高寒草甸生态系统开展CO2 浓度升高（+100ppm）和氮添加（+5g N m-2 yr -1）野外试验，通过测定生态系统碳通量不同组分，土壤呼吸，微生物代谢效率和微生物残体碳等指标，结合其他CO2 浓度控制试验数据（海拔梯度为7至4585m）和模型模拟数据，研究高寒生态系统碳通量和土壤碳动态等碳循环过程对 CO2 浓度升高和氮添加的响应规律及驱动机制，得到了以下主要结果： （1）相较于对照处理，CO2 浓度升高显著提高了生态系统总初级生产力 （GPP, +28.0±4.7％）。GPP 的响应敏感性随着海拔上升而增加，青藏高原高寒 草甸 GPP 对大气 CO2浓度升高的响应敏感性高于其他低海拔生态系统。样点尺 度上展现的 GPP 响应敏感性在海拔梯度上的表现模式得到了改进的 EC-LUE 模 型和部分 TRENDY 模型的支持。 （2）对照环境下，生长季平均碳通量的年际波动主要与生长季早期的气候条件有关。CO2 浓度升高提高了 GPP 和生态系统呼吸（ER），对净生态系统生产力（NEP）的作用不显著。CO2 浓度升高环境下叶片氮含量的降低会限制生态系统碳通量尤其是 GPP 和 NEP 的响应。氮添加补充了土壤氮素有效性和叶 片氮含量，提高了 GPP 对 CO2 浓度升高的响应，同时降低了ER的响应，因而CO2 浓度升高在施氮环境下显著增强了NEP。此外，CO2 浓度升高对生态系统 碳通量的效应受到降水变异的调节，CO2 效应在较干旱的生长季更高。这主要 是因为过多的降水会减弱与 CO2 浓度升高有关的植物节水优势，同时频繁的降 水事件和较小的降水间隔导致的辐射条件不足和低温也不利于植物的光合作用。CO2 浓度升高加速了生态系统的碳循环，CO2 浓度升高与施氮结合促进了 生态系统碳汇。 （3）CO2 浓度升高持续提高土壤呼吸，氮添加对土壤呼吸无显著影响，CO2 浓度升高对土壤呼吸的促进效应在不施氮（+38.6%）和施氮（+39.2%）环境下相同。CO2 浓度升高后土壤胞外酶活性增强及其相关的有机质分解加速主导了土壤呼吸的增加。氮添加提高了土壤氮素有效性，增强了碳降解酶的活性，并提高了微生物碳利用效率（CUE）。酶活性增强对土壤呼吸的这部分积极影响抵消了CUE 提高后对土壤呼吸的负面影响。氮素有效性通过影响土壤酶活性和 CUE， 在调节 CO2 浓度升高对土壤呼吸的效应中发挥着截然不同的作用。 （4）不同深度土壤微生物残体碳对 CO2 浓度升高和氮添加的异质性响应。与对照处理相比，CO2 浓度升高+施氮处理促进了表层土微生物残体碳累积。表层土微生物同时受到碳和氮的限制，CO2 浓度升高在施氮条件下提高了底物浓度和质量，促进微生物生长和周转，表层土微生物残体碳累积主要与微生物碳代谢加快有关。不同的是，CO2 浓度升高在不施氮条件下提高了下层土残体碳含量。 下层土微生物受到更强的碳限制，单独的 CO2 浓度升高处理促进了下层土根系生长，用于吸收深层养分和水分，使植物碳输入增加，提高土壤活性碳基质和微生物代谢效率，增加微生物生物量，下层土残体碳累积主要与微生物生物量输入 的增加有关。 以上研究结果表明，CO2 浓度升高深刻影响着高寒草甸碳循环过程，受到氮素有效性的调控，同时也与降水变异紧密相关。在全球大气 CO2 浓度上升趋势下，高寒草甸生态系统光合作用可能具有更高的响应敏感性，CO2 浓度升高也促进了生态系统尤其是土壤的碳排放，加速了生态系统碳循环；氮添加增强CO2 施肥效应，促进生态系统碳汇，氮素有效性调节微生物介导的土壤有机碳累积过程。本研究强调了深入开展高寒生态系统研究的重要性，为评估和预测高寒草甸生态系统碳循环对大气 CO2 浓度上升和氮沉降的响应和反馈提供了基准数据和理论依据。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 152 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/184642]  |
| 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 | 陈瑶. 高寒草甸生态系统碳循环对CO2浓度升高和氮添加的响应[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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