降水变化条件下荒漠草原土壤有机碳固持和稳定的微生物调控机制

The impact and mechanism of precipitation change on soil organic carbon dynamic is one of key issues evaluating the impact of climate change on terrestrial ecosystems. However, there has been no definite conclusion and mechanism drawn from the response of soil carbon sequestration to reduced and increased precipitation, which seriously hinders the scientific assessment of responses of ecosystem function to climate change. The study area of this program lies in the desert steppe in the west of Loess Plateau, the typical climate sensitive area. Along the manipulated precipitation gradient of field control experiment, through analyzing the responses of soil organic carbon and its fractions, soil microbial community composition, enzyme activity and basal respiration at the aggregate scale to precipitation change, to find out the primary habitat factors and driving effect for the soil microbial community structure and function, to reveal the regulation pathway of soil microbial community structure and function on soil carbon transformation under the conditions of precipitation change, to illuminate the regulation mechanism of soil microbe on soil carbon sequestration, to provide powerful demonstration data for the scientific assessment of the influences of altered precipitation on the soil carbon source/sink function and soil carbon sequestration potential in the desert grassland under the background of global climate change.

降水变化对土壤有机碳动态的影响及其机制是评估气候变化对陆地生态系统影响的关键科学问题之一。但现有研究关于荒漠草原土壤碳固存如何响应干旱和降水量增加仍旧尚未得出明确结论，对其响应机制亦不明确，严重阻碍了生态系统功能对气候变化响应的科学评估。本项目以黄土高原西部荒漠草原这一典型的气候敏感区为研究对象，通过野外控制试验模拟降水变化梯度，在团聚体尺度上分析土壤有机碳及其组分、土壤微生物群落组成、酶活性和基础呼吸对降水变化的响应，查明土壤微生物群落结构和功能改变的主控生境因子和驱动作用，揭示降水变化条件下土壤微生物群落结构和功能对土壤碳转化的调控路径，阐明降水改变对微生物调控土壤碳固持的影响机理，为科学评估全球气候变化背景下降水量改变对荒漠草原土壤碳源/汇功能的影响和土壤固碳潜力提供有力的实证数据。

降水变化对土壤有机碳(SOC)动态的影响及其机制是评估气候变化对陆地生态系统影响的关键科学问题之一。但现有研究关于荒漠草原土壤碳固存如何响应降水变化仍未得出明确的响应机制，严重阻碍了生态系统功能对气候变化响应的科学评估。本项目以黄土高原西部荒漠草原这一典型的气候敏感区为研究对象，通过多年野外控制试验模拟降水变化梯度，研究了降水格局改变对荒漠草原植物群落特征、土壤有机碳库的影响，并从土壤团聚体、微生物及SOC组分方面，分析SOC固持和稳定性对降水变化的响应。主要结果如下：. 1)减水处理显著降低了荒漠草原植物群落地上生物量，且减水40%组的物种丰富度和功能丰富度指数均显著低于增水40%组(P<0.05)；植物功能性状方面，减水组的植株高度显著低于增水20%组，减水40%组的叶片厚度显著高于其余各组。. 2)土壤速效磷、电导率、钠离子随降水增加而降低，均在极端降水下显著更高。微量营养元素Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+在小团聚体(0.25-2mm)中含量最高。降水变化下，真菌群落组成发生明显变化，子囊菌门(Ascomycota)相对丰度随降水增加而减少，球囊菌门(Glomeromycot)与之相反。而细菌群落的变幅相对较小。. 3)揭示了降水变化下团聚体对土壤碳库的保护及其微生物调控机制。极端减水促进了高分散力的Na+的积累，使大团聚体崩解进而导致微团聚体增加，从而抑制了团聚体稳定性。同时，强耐旱性的Ascomycota，通过其发达的气生菌丝，也能促进极端减水下微团聚体的形成。另一方面，极端增水下，Glomeromycot与植物形成的共生网络及球囊霉素促进大团聚体的形成。此外，对于极端增/减水，大团聚体有机碳含量增加/减少可能被微团聚体和粘-粉粒有机碳含量减少/增加所抵消。因此，降水变化对表层SOC并未产生显著影响。. 4)极端增水处理促进了表土层重组有机碳的积累。极端减水处理仅显著提高了表层土壤的过氧化氢酶活性。从SOC组分的稳定性方面看，极端减水显著降低了表层土壤轻组有机碳与SOC之比，表明SOC的稳定性在极端减水下有所提高。