青藏高原植被根系对气候变化的响应及其对土壤碳动态的影响

Alpine tundra is one of the biomes that are most sensitive to climate change. In alpine tundra, the major part of plant biomass occurs belowground. Soil carbon pools and nutrient cycling can be profoundly influenced by the distribution patterns of plant roots, root turnover rates, and decomposition rates of root litter. Therefore, plant roots play a key role in ecosystem functions of alpine tundra. However, studies on the effects of climate change on the belowground part of alpine tundra vegetation are still limited. This project aims to investigate climate change effects on root growth and decomposition dynamics of alpine meadow, and influences of biodiversity change induced by climate change on the two processes. On the basis of a field manipulation experiment in an alpine meadow in Qinghai-Tibet Plateau simulating changes in temperature, precipitation and soil nutrient availability caused by climate change, root distribution pattern and growth dynamics will be investigated through consecutive sampling and minirhizotron observation; decomposition dynamics of root litter and the role of arbuscular mycorrhizal fungi in the decomposition will be investigated through litter bag incubation. Furthermore, impacts of changes in plant diversity on these two processes will be investigated through a plant removal experiment. The results will improve our understanding of the mechanisms of changes in carbon dynamics and nutrient cycling in alpine tundra soils in the context of global change, and enable us to better estimate responses and feedbacks of alpine tundra to climate change.

高山苔原是受全球气候变化威胁最大的生物群系之一。在高山苔原，大部分植物生物量都存在于地下，植物根系在土壤中的分布模式、周转率、根凋落物的分解速率对土壤碳库和养分循环都有重要的影响，因此植物根系在高山苔原的生态系统功能中占据着重要的地位。但是目前国内外关于气候变化对高山苔原植被根系影响的研究依然较少。本项目拟通过位于青藏高原高寒草甸的人工控制实验，模拟气候变化造成的温度、降水和土壤养分的变化，并通过连续采样和微根窗对植被根系的分布模式和生长动态进行研究、通过凋落物袋对根凋落物的分解及丛枝菌根真菌在分解中的作用进行研究，来了解气候变化对高寒草甸根系的生长和分解动态的影响，以及通过植物去除实验来研究气候变化引起的植物多样性改变对这两个过程的影响。研究结果将有助于我们更深入地了解全球变化背景下高山苔原土壤碳动态和养分循环的变化机制，将为评估高山苔原对全球变化的响应和反馈提供科学依据。

植物根系在生态系统功能中起到重要的作用，高寒草甸对气候变化非常敏感，其植被的大部分生物量又存在于地下，然而目前对于不同环境条件下高寒草甸植被根系的生长和分布模式及其对生态系统碳动态的影响还不清楚。本项目研究了温度、降水、土壤养分及pH等全球变化因子对青藏高原高寒草甸植被根系的生长和分解的影响，探讨了环境因子与生物因子对根动态的直接和间接作用。研究结果表明，降水和土壤氮素的交互效应是影响现阶段高寒草甸植被根系分解的主要因素，同时土壤pH是影响植物群落组成、根性状、根生长以及根分解的重要因素。通过整合分析还发现，在受水分限制的生态系统，木本和草本植物根系对降雨改变的响应不同；灌木植物可能会通过其深根系对干旱的高耐受性而达到竞争优势，造成青藏高原灌木扩张。这些结果表明在降水与氮沉降同时增加及其引起的土壤酸化可能会通过增加根的生物量和降低根分解速率从而引起土壤碳库的增加，同时，防止降雨格局改变引起的灌木扩张对于维持青藏高原生物多样性非常必要。