温带典型草原土壤碳固存和排放对长期水氮输入的响应特征和机制
文献类型：学位论文
| 作者 | 袁秀锦 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 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 | 水氮输入 土壤呼吸 颗粒有机碳 矿物结合态有机碳 微生物残体碳 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 草地土壤有机碳（SOC）固存及碳排放对于陆地生态系统碳源汇估算至关重要。特别是近年来，随着碳达峰和碳中和“双碳”目标的提出，以及基于自然解决方案在应对气候变化方面受到重视，SOC 如何响应全球变化因子，已成为当下环境科学、气候变化等领域研究的热点。其中，水分和氮养分作为限制草地生产力的两大关键因子，它们如何影响草地土壤碳过程，一直存在争议与不确定性。缺乏长时间系列数据，没有进一步将SOC 以及碳排放合理划分不同组分，并分别研究它们对多年水、氮输入的响应机制。此外，也未系统研究植物、土壤以及微生物特征驱动这些响应，成为制约草地土壤碳固存和排放准确估算的重要原因。鉴于此，本研究聚焦于我国温带典型草原，设置八种处理组合，涵盖两种水输入水平（0、51.67 mm）、四种氮输入水平（0、25、50、100 kg N ha−1 yr−1）以及水、氮的共同添加处理。该水氮添加模拟试验已持续开展8 年，本论文在前期研究基础上，进一步推进第9 年和第10 年的水氮输入模拟试验。同时，设计对土壤呼吸组分以及深层土壤有机碳组分区分的新实验，由此形成长时间水、氮输入变化的序列数据，深入探讨水氮输入变化对土壤有机碳固存和碳排放的长期互作影响效应。并运用回归分析、冗余分析、结构方程模型等多种分析方法，从植物-土壤-微生物多指标因子角度，系统剖析并揭示草地土壤有机碳固存和碳排放对水氮叠加变化的多因素耦合响应机制。 主要研究结果如下： （1）在研究期（2014-2019 年、2022-2023 年）内，水氮输入的增加对土壤总有机碳（TOC）产生正向影响趋势。具体而言，各处理水平下TOC 分别增加6.02%（低氮）、1.73%（中氮）、2.62%（高氮）、6.16%（水）、4.87%（水+低氮）、3.33%（水+中氮）和0.003%（水+高氮）。此外，TOC 与总氮（TN）、土壤含水量（SWC）、地上生物量（AB）呈正相关，而与铵态氮（NH4+-N）、温度、pH 及地下生物量（RB）呈负相关。层次分割法和结构方程模型分析结果表明，土壤TOC 主要受TN、SWC 和植物生物量的共同调控。 （2）矿物结合态有机碳（MAOC）和颗粒有机碳（POC）含量在不同土壤深度呈现出显著差异。随着土壤深度的增加，MAOC 和POC 含量显著降低，但深层土壤中MAOC/POC 比值相较于表层土壤（0-10 cm）有增加的趋势，这表明深层土壤（20-60 cm）有机碳更为稳定。水、氮输入增加对不同土壤深度MAOC 和POC 的影响存在差异：水、氮输入增加对土壤MAOC 的影响主要集中在表层（0-10 cm）和深层土壤（40-60 cm），而对POC 的影响则主要局限在表层土壤（0-10cm）。总体而言，水氮输入增加对土壤POC 和MAOC 具有积极影响，尤其在表层土壤（0-10 cm）表现明显。与对照组相比，中氮添加显著增加MAOC 含量，增幅达24.55%；在中氮和水共同添加的条件下，土壤POC 含量增幅达114.28%。此外，水氮输入增加降低表层土壤（0-10 cm）的MAOC/POC 比值，这可能意味着水、氮输入增加会削弱表层土壤碳库的稳定性。在不同土壤深度下，水、氮输入变化对POC 和MAOC 的调控机制存在差异。0-10 cm 土层中中，POC 和MAOC受土壤-植物-微生物的多重途径调控；而在10-20 cm 和20-40 cm 土层中，POC的调控机制尚不明确。对于MAOC 而言，在10-20 cm 土层中，主要受土壤性质和地上生物量的调控，而在20-40 cm 和40-60 cm 土壤中，MAOC 则主要受微生物因子的调控。 （3）不同深度土壤微生物残体碳（MNC）呈现下降趋势。在低氮处理下，0-10 cm 土层MNC 显著下降18.56%；在高氮处理下，40-60 cm 土层MNC 显著下降27.19%。此外，真菌微生物残体碳（FNC）对SOC 的贡献是细菌微生物残体碳（BNC）的3.25 倍。在不同深度土壤中，MNC 的主要调控机制存在差异。0-10 cm 土层MNC 主要受微生物属性和土壤理化性质的共同影响；在20-40 cm土层，土壤理化性质成为影响MNC 的主要因素；而在40-60 cm 土层中，微生物特性对MNC 的影响更为显著，这揭示不同土壤深度对MNC 调控机制的复杂性。 （4）单纯水添加在处理的前6 年对土壤呼吸具有显著的积极影响，而单纯氮添加对土壤呼吸的影响则较为复杂，仅在处理的第5 至第6 年对土壤呼吸表现出显著性，且其影响随处理时间延长而发生变化。低氮和中氮添加在短期内（处理前两年）对土壤呼吸具有积极影响，但在处理的第三年降低土壤呼吸，而在氮添加的第四年及之后又增加土壤呼吸。对于高氮处理，在处理的第一年增加土壤呼吸，而从第二年则开始持续抑制土壤呼吸。水氮共同添加均以促进土壤呼吸为主。土壤呼吸受植物—土壤—微生物多重机制调控，其中土壤理化性质（SWC、碳氮底物）和植物生物量（AB）起着主要的调节作用。 （5）所有处理中，异养呼吸约占总土壤呼吸的58.74%，是土壤碳释放的主导过程。单纯水添加显著增加土壤自养呼吸，水氮共同添加对土壤自养呼吸具有加和效应。单独添加水或氮对土壤异养呼吸无显著影响，但是水氮交互作用对其有显著抑制作用，回归分析和结构方程模型分析表明，土壤的自养呼吸和异养呼吸主要通过土壤理化性质（SWC、土壤温度、pH、可溶性有机碳（DOC））调控。 |
| 学科主题 | 环境科学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 167 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217224]  |
| 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 | 袁秀锦. 温带典型草原土壤碳固存和排放对长期水氮输入的响应特征和机制[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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