土壤有机碳分解对增温和放牧的响应及其胞外酶驱动机制

Soil is the largest terrestrial organic carbon pool, even small fluctuations in its pool size can lead to significant changes in atmospheric CO2 concentration, and thus contributing to the global climate change. The Tibetan Plateau has historically stored large amount of SOC due its high elevation and low temperature. However, the Tibetan Plateau is also experiencing accelerated global warming and intensified human activities (grazing) during recent years, making the issues related to the storage and decomposition rate of the large amount of carbon stored on the Tibetan Plateau with great uncertainties. SOC decomposition is fundamentally catalyzed by soil extracellular C-degrading enzymes. These enzymes can be broadly divided into hydrolytic and oxidative C-degrading enzymes. However, various kinds of C-degrading enzymes often respond differentially to the global climate change and human activities. Meanwhile, SOC also consists of a continuum of components characterized by different turnover times that ranging from days to even thousands of years, and it was generally divided into at least three identifiable carbon pools: active, slow, and passive pools. This leads to the hypothesis that more knowledge about the responses of C-degrading enzymes activities to warming and grazing would make great contribution to understanding the decomposition of different components of SOC. In the current project, we will study the responses and the underlying mechanisms of SOC decomposition and C-degrading enzymes activities to warming and grazing by combining field observations, lab incubations and data assimilation. Our results will greatly contribute to our understanding of C-climate feedback.

土壤有机碳（SOC）储量是陆地生态系统中最大的碳库，其微小的变化将会引起大气CO2浓度的极大变化，从而影响到全球气候变化。青藏高原具有独特的高海拔、低温度等特征，并因此储存了大量的SOC。然而，青藏高原目前正经历着以全球变暖为主要特征的气候变化和以放牧为主要特征的人类活动，使得我们对青藏高原地区SOC的储量及其分解过程的认识存在着较大的不确定性。SOC分解过程从本质上是土壤微生物和土壤碳降解酶的酶促反应过程。土壤碳降解酶可以根据其底物和活化能的不同分为水解性碳降解酶和氧化性碳降解酶。同时，SOC也包含一系列不同的组分，比如按照其周转时间的不同可以划分为活性、缓效性及惰性有机碳。这提供了一种可能性假设：理解不同种类土壤碳降解酶活性对增温和放牧的响应将会有助于对SOC及其不同组分分解过程的认识。本研究通过野外控制实验、实验室培养实验以及土壤有机碳分解多库模型间的数据同化，研究不同种类土壤碳降解酶活性和SOC不同组分分解过程对增温和放牧的响应。本项目的预期研究成果将有助于对气候变化和土壤碳循环间互反馈关系的理解。

土壤有机碳（SOC）分解对增温和放牧的响应还存在着较大的不确定性，这主要是由于微生物调控下SOC分解过程的复杂性。但微生物调控下SOC分解从本质上是碳降解酶的酶促反应过程。土壤碳降解酶可以根据其底物和活化能的不同分为水解性碳降解酶和氧化性碳降解酶。同时，SOC也包含一系列不同的组分，比如按照其周转时间的不同可以划分为活性、缓效性及惰性有机碳。这提供了一种可能性假设：理解不同种类土壤碳降解酶活性对增温和放牧的响应将会有助于对SOC及其不同组分分解过程的认识。本研究通过野外控制实验和实验室培养实验研究不同种类土壤碳降解酶活性和SOC不同组分分解对增温和放牧的响应。（1）增温引起的木质素降解酶活性的增加和增温引起的土壤呼吸的变化是显著相关的。然而，对于纤维素降解酶，我们并没有发现这种关系。这一研究发现表明，不同组分土壤碳对增温的响应可能是不一致的。纤维素酶促进相对活性的土壤碳的分解，而木质酶会激发相对稳定的土壤碳的分解。如果增温会引起稳定性土壤碳的分解，尤其是长时间增温实验，那么在气候变化和碳循环间就会有强烈的正反馈效应。增温背景下土壤酶从纤维酶到木质酶的转化会促进土壤有机碳的分解，尤其是土壤中顽固性难分解的土壤有机碳的分解。这会造成增温下土壤有机碳的持续分解甚至减少。我们对放牧和围栏封育样地的研究表明。生态系统呼吸和土壤呼吸的不同组分对放牧和围栏封育的响应是不一致的。具体表现为：围栏封育增加了生态系统呼吸但却抑制了土壤呼吸。生态系统呼吸的增加主要是由于围栏封育引起的地上生物量的增加以及地上植物呼吸的增加引起的。土壤呼吸的抑制主要是由于围栏封育后对土壤异养呼吸和土壤微生物活动的抑制引起的。这一结果强调到为了更好地理解气候变化、人类活动和生态系统碳循环间的关系，我们有必要去理解生态系统碳循环的不同组分的变化。