高寒草地土壤碳氮耦合过程对干湿交替的响应及其机制

Alpine grassland soils of Tibetan Plateau are frequently subject to alternating wetting and drying, which will be exacerbated by future climate change. The current studies have shown wetting and drying process have important impact on the coupling process of soil carbon and nitrogen. However, the understanding of this process on soil carbon and nitrogen in alpine grasslands is obviously insufficient. This project intends to regard two typical alpine grasslands, alpine meadow and alpine wetland, as study objects. Mesocosm experiment will be adopted to quantitatively regulate the frequency of wetting and drying, combined with field observation and laboratory analyses, to study impact of alternative wetting and drying on alpine grasslands soil carbon and nitrogen pool and transformation processe, greenhouse gase fluxes, leaching process, soil microbial activity, soil aggregate structure and the function of plant community. The results will provide theoretical basis for the evaluation and prediction of the cycling of carbon and nitrogen in alpine grassland ecosystem under the background of global climate change.

干湿交替是青藏高原高寒草地土壤频繁遭受的水分运移过程，在未来气候变化驱动下，这种现象还将被加剧。研究表明，干湿交替对土壤碳氮过程有重要影响。然而，目前对于干湿交替与高寒草地土壤碳氮耦合过程关系的认识明显不足。本项目拟以青藏高原东缘若尔盖高寒草甸和高寒湿地两种典型高寒草地类型为研究对象，运用"中型实验生态系"的技术手段，通过定量调控土壤干湿交替频率，并结合野外定点监测和实验室分析的试验方式，研究干湿交替作用下土壤碳氮库，碳氮转化过程，温室气体通量，碳氮淋溶的变化规律及其与土壤碳氮比（C/N）的关系；在此基础上研究土壤微生物活性、土壤团聚体结构和植物群落的反馈作用，揭示高寒草地土壤碳氮耦合过程对干湿交替变化的响应方式、演变途径与作用机制，为评价和预测全球变化对高寒草地生态系统碳氮循环的影响提供理论依据。

干湿交替是一种常见的土壤水分运移过程，然而干湿交替与高寒草地土壤碳氮耦合过程关系的认识并不清楚。本项目以青藏高原东缘若尔盖草甸和湿地两种主要高寒草地植被为对象，采用原状土柱法、水分添加法和冻融模拟的试验方法，研究了因干旱复湿、不同降雨量和融化复湿引起的土壤水分变化对高寒草地土壤碳氮耦合过程的影响。结果表明，高寒草甸土壤含水量在田间持水量的45-60%之间时，CO2和N2O排放量最大，含水量超过田间持水量的75%，土壤由CH4的“汇”变成“源”；土壤DOC和NH4-N含量随含水量增加而增加，NO3-N含量在田间持水量的45%时最大，反映了硝化作用可能是高寒草甸土壤N2O的产生主要过程。高寒草甸土壤由湿变干过程增加了CO2和N2O的排放量，抑制了CH4的产生；干旱复湿过程增加了CO2和CH4排放量，但是降低了N2O的排放量，进一步说明高寒草甸土壤N2O可能主要来自硝化过程。高寒湿地在干湿交替过程中CO2排放量差异不显著，但CH4的排放量降低了；干旱阶段增加了N2O排放，复湿过程抑制了N2O的排放，反映了干旱交替过程伴随着高寒草地碳氮气体排放量正负耦合关系转变的特征。降雨脉冲试验显示，约10 mm单次降雨后高寒草甸土壤CH4、N2O排放出现了一个峰值，促进了碳氮气体排放量，使高寒草甸CO2和N2O排放量增加了25.3%和39.8%，CH4的吸收量降低了71.1%。融化复湿过程增加了高寒草甸土和高寒湿地土壤CO2和N2O的排放，其中高寒湿地CH4排放量增加了约20倍，高寒草甸土CH4吸收量降低了27.4%。融化复湿通常增加了高寒草地土壤DOC、DTN、NH4+-N的含量，说明融化复湿增加了高寒草地土壤碳氮有效性，加速了碳氮气体的同步排放。因此，项目从干湿交替的不同变化模式对高寒草地土壤碳氮过程的影响进行了透视分析，为评价和预测全球变化对高寒草地生态系统碳氮循环的影响提供了相关科学依据。