降水、温度和氮沉降耦合对古尔班通古特沙漠主要温室气体排放的影响

Desert accounts for 20% of Chinese land area. The Gurbantunggut Desert is the largest stabilized/semi-stabilized desert in China, which plays vital roles in the balance of payments of the soil greenhouse gas, because of its sensitive to climate change and nitrogen deposition, However, information on the response of greenhouse gas to elevated precipitation, warming and Nitrogen deposition in temperate deserts is still scarce. An in situ field experiment was designed to investigate the effect of simulated precipitation, warming and N deposition on greenhouse gas emissions in the Gurbantunggut Desert, northwest China. The main aims of the study are to investigate the response of greenhouse gas emissions to precipitation, warming and nitrogen deposition, and to illuminate forcing mechanism of biological and non-biological factors to greenhouse gas emissions. Which, on one hand, are important for accurate assessment of the greenhouse gas emissions in temperate desert, on the other hand, is very significant for understanding greenhouse gas emissions to the response and adaption of global change, and offer suggestions and services for reducing greenhouse gas emissions and model developed.

我国荒漠面积高达国土面积的20%，其中新疆荒漠的面积约占全国荒漠的53%，古尔班通古特沙漠是我国第一大固定半固定沙漠，对降水格局改变、气候变暖和氮沉降升高十分敏感。而因荒漠土壤碳储量较低，温室气体排放的研究一直被忽略，尤其缺乏对荒漠土壤温室气体排放在降水格局改变、气候变暖和氮沉降升高等多因素耦合下的响应特征与驱动机制的深入认识。因此，本项目立足于温带荒漠典型区域古尔班通古特沙漠，通过原位多因子控制实验，明晰温带荒漠土壤温室气体排放对水分、温度和氮沉降升高的响应特征与适应机制，阐明温带荒漠生态系统生物因素与非生物因素对温室气体排放驱动机制，一方面为IPCC准确评估该区域温室气体排放对全球气候变暖的贡献具有重要的现实意义；另一方面对于理解荒漠生态系统响应和适应全球变化具有重大科学意义，为该区域今后制定科学合理的温室气体减排措施提供重要的理论依据和技术支撑。

土壤水分、温度和氮素的可利用性是影响荒漠土壤碳氮转化的关键因子，对维持荒漠生态系统的稳定具有重要的意义。本研究通过连续3年原位研究温带荒漠温室气体通量对降水、温度和氮沉降的响应特征，系统解析了生物因素与非生物因素对荒漠土壤温室气体通量的驱动机制。研究结果表明：1）荒漠土壤温室气体通量对降水变化具有快速且短暂的响应特征，这主要依赖于土壤水分的迅速变化；2）生态系统呼吸和氧化亚氮排放模式主要依赖于土壤表层温度的变化；相比荒漠土壤甲烷的吸收主要依赖于土壤表层湿度的变化；3）增加降水和氮沉降显著的促进生态系统呼吸，但增温并没有显著的影响，这可能主要归因于我们的增温幅度只有1度；生态系统呼吸对交互效应的响应显著的低于任何单因素的影响，并且证明土壤温度是影响生态系统呼吸最重要的因素，且土壤铵态氮含量和土壤湿度对其具有重要的调节作用；4）荒漠土壤是大气氧化亚氮微弱的源，每年向大气中排放0.13 kg N ha-1yr-1, 且非生长季排放量占了全年排放量的43%，令人惊奇的是增加降水和增温并没有改变荒漠土壤氧化亚氮的年通量，但是增加氮沉降显著增加了氧化亚氮排放的年通量，其主要受土壤铵态氮的限制，这是因为荒漠土壤氧化亚氮排放主要来自于土壤氨氧化古菌参与的土壤氨氧化过程；5）荒漠土壤是大气甲烷重要的汇，每年从大气中吸收0.83kg N ha-1yr-1，增加降水和适量氮沉降显著的促进土壤甲烷汇的功能，相比而言，增温和高量的氮沉降并没有显著的影响，荒漠土壤甲烷主要被土壤氧化菌所消耗，其主要受土壤湿度和植物地下生物量的调控；6）以梭梭为建群种的荒漠生态系统是大气温室气体重要的汇，每年从大气中吸收623 kg eCO2 ha-1, 增加降水和氮沉降能显著的增强它的汇，对减缓气候变暖具有重要意义。通过本项目的研究对于深入认识荒漠生态系统温室气体气体通量对全球变化关键要素的响应与适应特征具有重要的促进作用，也将对进一步深入系统研究荒漠土壤碳氮关键生物生态过程提供重要的数据支撑和理论指导。