典型沙生植物对土壤呼吸的调控机制

Climate change, such as increases in temperature and changes in the pattern of precipitation, is causing a greater contribution of arid/semiarid ecosystems to global carbon cycle. However, our knowledge on soil respiration in these ecosystems and its controlling factors is still limited, partially due to the complex nature of soil respiration. Although it is a consensus that plant communities are important participants of soil respiration, their regulating roles remain largely unclear. Particularly, the effects of different species have long been overlooked. Future modeling work should move beyond empirical temperature and/or moisture functions, greater efforts should be made to investigate soil respiration within the framework of soil-plant-atmosphere continuum. The objective of this study is to assess the ability of plant communities in modulating soil respiration in semiarid shrubland ecosystems. We intend to employ a combination of methods, including long-term continuous measurements and manipulation experiments, to explore the role of different shrub species in determining both autotrophic and heterotrophic compartments of soil respiration. This study will provide insights into the mechanistic processes of carbon cycling in arid/semiarid ecosystems; aid in reducing the uncertainties related to estimating soil carbon budgets at ecosystem and larger spatial scales through scaling-up techniques. In addition, this study will have implications for the management of arid/semiarid ecosystems.

在气候变化背景下，干旱/半干旱生态系统对全球碳循环的影响越来越大。然而目前对此类生态系统土壤呼吸调控机制的认识仍十分有限，作为土壤呼吸的主要参与者之一，植物群落在其中的作用仍不甚明了，种间差异对土壤呼吸的控制作用更是长期受到忽视。本项目拟采用长期连续多点野外监测、受控实验、实验室分析相结合的手段，系统深入地剖析典型沙生植物对土壤呼吸不同组分(自养、异养)时空动态的调控机制。研究结果将增进对干旱/半干旱区碳循环过程的理解，可为通过尺度转换估算生态系统和区域尺度的碳收支提供理论指导，同时为以增汇减排为目标的沙生灌草生态系统管理提供科学依据。

气候变化背景下，干旱/半干旱区对全球碳循环的影响越来越大。目前对此类生态系统土壤呼吸调控机制的认识仍十分有限，对于其控制机理仍认识不足，制约着土壤碳排放估算的可靠性。项目采用长期连续多点野外监测、受控实验、实验室分析相结合的手段，以水热条件的效应作为基准，重点揭示生物因素对土壤呼吸及其不同组分(自养、异养呼吸)时空动态的调控作用。研究结果表明，(1)土壤呼吸与温度的关系受到土壤水分条件的调控，土壤呼吸与温度的日变化时滞与随土壤含水量增加而减小；在季节尺度，土壤呼吸温度敏感性(Q10)随温度升高而减小，随土壤含水量增加而增大。生物因素(植物光合作用、根系呼吸等)可能是土壤呼吸日动态的调控因素。(2)沙生灌木分布及其物候对土壤呼吸微地形变异具有重要影响，根系生物量是繁殖生长期的首要驱动因子，而土壤含氮量是枯落期的首要驱动因子。(3)土表覆盖类型显著影响冬季土壤碳释放：冬季土壤呼吸主要发生在土壤反复冻融时，土壤生物结皮能够降低土表温度，降低土壤冻融发生的频率，从而相比于裸地减少了土壤呼吸。干旱期间，地表温度滞后于苔藓结皮呼吸3-7h, 苔藓光合与苔藓结皮呼吸日变化同步；湿润期间，地表温度与苔藓呼吸同步，然而苔藓呼吸滞后于苔藓光合1-2h。(4)自养组分占土壤呼吸的42-85%，其贡献于在生长旺季达到最高。异养呼吸的温度敏感性为1.46，水分低于0.04 m3 m-3 异养呼吸受到水分抑制。自养呼吸的温度敏感性为1.56，水分低于0.06 m3 m-3自养呼吸受到抑制。(5) 植物光合和土壤水热对土壤呼吸影响的时频分析发现植物光合与土壤呼吸在日尺度紧密耦合(无时滞)，并且非干旱条件下是周、月尺度土壤呼吸动态的重要调控因子。通过定位观测，构建了沙区土壤呼吸长期连续观测数据库，包含土壤呼吸、气象、土壤、植被的同步观测数据。项目积累的数据和取得的研究结果将增进对干旱/半干旱区碳循环过程的理解，可为通过尺度转换估算生态系统和区域尺度的碳收支提供理论指导，同时为以增汇减排为目标的沙生灌草生态系统管理提供科学依据。