根系养分吸收对温带草原土壤有机碳稳定性的影响

Root system is the link to connect plant and soil carbon pool. In comparison with input from soil surface litter, root system can transport fresh organic carbon into the stable soil carbon pool from deeper soil layer, thus imposing key role in soil organic carbon stability. Nutrient uptake by root system may influence soil organic carbon decomposition and its stability through changing the aboitc environment and its composition of rhizospheric microorganism. However, most of the previous studies focused on the influence of root exudate on soil organic carbon decomposition. In contrast, how the nutrient uptake of root system affects soil organic carbon stability remains poorly understood. We will choose 20 typical grassland sites from Inner Mongolia and Xinjiang, encompassing 4 main grassland types: meadow steppe, typical steppe, desert steppe and upland steppe. Ion exchange resin membrane technique will be used in combination with indoor long-term soil incubation, measurements of key environmental factors and biotic factors to explore the regional differences, depth variations and degeneration effects of the influence of nutrient uptake through root system on soil organic carbon stability. We aim to improve the comprehensive understanding of the people on the rhizosphere effect, explore its involving mechanism and accurately evaluate and predict the response and acclimation of temperate grassland to environmental changes.

根系是连接植被和土壤碳库的纽带。相比于地表凋落物输入，根系能将新鲜有机碳纵向输入到深层稳定性碳库，对整个土壤有机碳库稳定性的影响十分关键。根系养分吸收过程很可能通过改变根际微生物的营养环境和区系组成，影响土壤有机碳分解和土壤有机碳库稳定性。但已有研究多集中在根系分泌物对土壤有机碳稳定性的影响。而根系养分吸收过程对土壤有机碳稳定性影响的研究目前尚未开展，这极大地限制人们对根际效应发生机制的全面认识。本研究将选取来自内蒙古、新疆等20个温带草地样点，涵盖草甸草原、典型草原、荒漠草原和山地草原4种类型，采用离子交换树脂膜模拟根系养分吸收行为，通过室内长期土壤培养实验，结合主要环境因子和生物因子的同步观测，开展根系养分吸收对土壤有机碳稳定性影响的区域差异、深度变化规律以及草地退化作用的研究。本项目旨在提高人们对根际效应的全面认识，深入理解根际效应发生的机制，准确评估和预测温带草地对环境变化的响应。

在全球氮沉降背景下，氮可利用性成为土壤碳循环的主要调控因子。大量的实验表明，氮添加通过抑制微生物呼吸而降低土壤有机碳分解。然而，土壤中氮可利用性降低的情况是更广泛存在的。植物根系吸收是土壤氮可利用性降低的最主要途径。 然而，关于氮可利用性降低对土壤有机碳分解的影响的研究极少，这极大地限制了氮可利用性对土壤有机碳分解影响及其机制的全面理解。 . 本研究选取我国新疆七种不同草地类型的表层土壤，内蒙古草甸草原5个土层深度和4个不同退化程度的土壤，采用离子交换膜降低土壤氮可利用性，通过长期室内培养，测定微生物呼吸，并对环境因子、底物质量、微生物群落结构和功能进行同步观测，开展氮可利用性降低对土壤有机碳分解的影响强度、方向和驱动机制的研究。 . 主要结论如下： .(1) 氮可利用性降低显著增加了易分解有机碳库的分解；对土壤难分解有机碳库的影响随初始氮供应水平的增加而呈非线性规律，在初始氮供应水平较低 (总氮 < 1.2 mg g-1) 和较高 (> 6.1 mg g-1) ，分解速率显著降低，而在初始氮供应水平中等 (4.3 ~ 5.4 mg g-1) ，分解速率显著增加。氮可利用性降低对难分解有机碳的影响强度和方向是由微生物和非生物机制共同决定的。 .(2) 氮可利用性降低对于土壤有机碳分解的影响随土壤深度增加而呈非线性规律，表层（0-10cm）分解增加，中层（40-60cm）降低，深层（60-100cm）增加。不同深度土壤有机碳分解对减氮响应的差异，是由底物可利用性和环境因子对微生物的影响共同驱动的。氮可利用性降低通过降低土壤可利用性氮含量影响表层土壤有机碳分解，增加土壤 pH 值影响深层土壤有机碳分解。 .(3) 在氮限制的内蒙古温带草地，随退化程度的加深，氮可利用性降低对土壤有机碳分解的促进作用增强。氮可利用性降低主要通过削弱底物质量的直接效应、加强pH的直接效应改变土壤有机碳分解强度。. 本研究探讨了氮可利用性降低对土壤有机碳分解的影响以及驱动机制，对准确预测土壤有机碳动态对全球氮沉降的响应及其全球气候变化的反馈具有重要科学意义。