内蒙古草原土壤异养呼吸对温湿度、基质有效性和微生物生物量的响应及模拟

Since soil respiration is a key link to the balance of soil carbon sink budget, and soil heterotrophic respiration is the fundamental component of soil respiration, it makes soil heterotrophic respiration receive much concern in studies of global carbon cycling. By observation of soil heterotrophic respiration in field research and laboratory culture experiments under diverse temperature, moisture and substrate addition, this program discusses the response pattern of northern grassland soil heterotrophic respiration to environmental factors (temperature and moisture) and substrate availability, analyzes both single factor effect and multi-factor interactive control of above environmental factors to the soil heterotrophic respiration, stimulates the dynamic process of soil heterotrophic respiration and applies it to carbon cycling models. This research combines experiments and simulations so that it has theoretical and methodological significance not only for further recognition of soil organic material decomposition and soil heterotrophic respiration process, but also for forecast of response of northern grassland to future global change and calculation of regional carbon balance.

土壤呼吸是土壤碳库收支平衡的重要环节，而土壤异养呼吸是土壤呼吸的重要组成部分，在全球碳循环研究中备受关注。本项目通过野外自然条件下土壤异养呼吸观测和室内进行的不同温、湿度条件及不同基质添加条件下的土壤培养实验，探讨北方草原土壤异养呼吸对环境因子变化（温湿度）及基质有效性的响应规律，分析温湿度、基质有效性及微生物生物量对北方草原土壤异养呼吸影响的单因子效应和多因子交互影响效应，模拟土壤异养呼吸的动态过程，并将其应用于碳循环模型中。本研究同时结合模型与实验，对深入认识土壤有机质分解和土壤异养呼吸过程，预测北方草原对未来全球变化的响应和估算区域C平衡，具有重要的理论和方法学意义。

土壤异养呼吸是土壤呼吸的一部分，受到多种环境因子的影响，研究草原土壤异养呼吸对深入理解草地土壤的过程与机制对研究区域及全球碳循环有重要意义。本研究依托中科院内蒙古多伦县恢复生态学研究站的施氮梯度样地，总结土壤温度和湿度对土壤异养呼吸的单因子调控和多因子交互控制特征，揭示土壤异养呼吸对调控因子的响应机理。主要结论如下：.（1）室内培养实验总结克氏针茅草原异养呼吸Rh的最适土壤温度为30℃，最适湿度为80% WHC。土壤异养呼吸与温度呈显著正相关（p<0.001）且温度间差异显著（p=0.001），呼吸温度敏感性Q10与土壤水分含量呈正相关(p<0.001)；呼吸与土壤水分二项式拟合效果较好，在80%WHC时呼吸速率最大，且最适湿度随温度上升而增加。土壤温度和水分的交互作用显著（p<0.05），温度梯度较大的情况下加和形式的温湿度响应模型可能优于乘积形式。.（2）克氏针茅草原生长季初、中、末期的Rh日动态均呈现单峰曲线，Rh日动态与土壤温度日动态呈显著正相关，与土壤湿度日动态无显著相关。生长季中Rh的Q10值范围为1.22~1.53，且生长季中期土壤湿度与Q10值显著正相关。Rh和Ra在生长季变化不同步。土壤自养呼吸在生长季初、中、末期分别占Rs的45%、53%和47%。.（3）观测时期和氮添加水平对于土壤呼吸的不同组分有着显著的交互作用，土壤呼吸组分随时间的变化主要与微生物生物量碳（MBC）及磷脂脂肪酸（PLFA）的变化有关。通过对基底处理之间土壤呼吸速率的测定，激发效应可以在一定程度上影响本地土壤有机质。长期氮沉降和易分解碳如葡萄糖向土壤的输入显著改变了土壤微生物组成，微生物类群对易分解碳的利用过程受到氮添加浓度的调控。.（4）选取前人总结的5种生态学模型中的Rh温湿度响应方程，以对比不同模型对野外Rh的模拟效果，结果表明：在内蒙古克氏针茅草原地区，本实验总结的Rh温湿度响应模型对生长季中期野外观测呼吸的模拟效果好于其他5种模型。因此，在构建Rh的温湿度响应模型时，研究者不应局限于两个单因子响应方程的乘积形式，而应探索土壤温度和湿度方程新的结合形式。