增温和降水减少对科尔沁沙质草地土壤呼吸的影响

作者：奈曼站   更新时间：2023-08-29

土壤呼吸（Soil respiration，Rs）是陆地生态系统到大气的最大碳通量之一，在生态系统生物地球化学循环过程中起着重要作用。全球变化背景下，生物与非生物环境因子的改变深刻影响了土壤温室气体通量尤其是土壤呼吸的变化。目前全球陆地生态系统土壤碳排放的估算仍然存在很大的不确定性，研究陆地生态系统土壤碳排放的时空变异对于预测未来大气中二氧化碳浓度变化具有重要意义。干旱半干旱区草地水资源有限、植被覆盖稀少、土壤相对贫瘠，生态系统脆弱且对气候变化敏感，目前温度和水分已成为干旱半干旱区草地生态系统可持续发展的主要限制性因素。土壤温度（Soil temperature，ST）和土壤水分（Soil moisture，SM）在土壤碳排放过程中扮演重要角色，但是很少有研究聚焦于半干旱沙质草地生长季土壤呼吸对水热因子以及其他生态因子的响应过程，因此开展水热条件变化对农牧交错带沙质草地土壤呼吸的影响研究有助于加深我们对气候变化下生态脆弱区土壤碳排放过程与机制的理解。

基于此，研究以水热梯度明显的科尔沁沙质草地为研究对象，探究增温和降水减少对沙质草地土壤呼吸的影响规律及不同生态因子与土壤呼吸的相互关系。研究发现：（1）生长季土壤温度、土壤水分与土壤呼吸均表现出一致的季节性变化特征（图1，图2）；（2）增温显著增加了生长季中期和整个生长季的土壤呼吸，对生长季前期和末期的土壤呼吸没有显著影响。降水减少极显著降低了生长季前期、中期以及整个生长季的土壤呼吸，对生长季末期土壤呼吸没有显著影响。二者的交互作用仅显著降低了生长季中期和末期的土壤呼吸（图3）；（3）生长季沙质草地土壤温度、土壤水分与土壤呼吸呈显著正相关（图4）；（4）增温和降水减少条件下，土壤温度在生长季前期和整个生长季对土壤呼吸起主导作用，土壤水分在生长季中期和末期对土壤呼吸起主导作用（图5）；（5）增温和降水减少下生长季植被生长盛期土壤呼吸受到水热因子、土壤性质和植被特征的共同调控，其中水热因子是沙质草地土壤呼吸的主要影响因子（图6）。我们的研究结果为阐明气候变化对沙质草地土壤呼吸的影响提供了直接证据。

该研究成果以“Effects of warming and precipitation reduction on soil respiration in Horqin sandy grassland, northern China”为题发表于农林科学领域期刊Catena (中科院1区，IF = 6.2)上。中国科学院西北生态环境资源研究院生态与农业研究室奈曼沙漠化研究站硕士研究生王怀海为本论文第一作者，黄文达副研究员为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（41971144）和国家重点研发计划（2017FY100205）的共同资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107470

图1 土壤呼吸、温度、水分在增温和降水减少处理下的季节动态(mean±SE)

图2 生长季土壤呼吸、温度、水分的月均值变化

图3 增温和降水减少对生长季土壤呼吸的影响(mean±SE)

图4 土壤呼吸在增温和降水减少下与土壤温度和水分的相关关系

图5 生长季不同时期水热因子（土壤温度、土壤水分）对土壤呼吸的相对贡献

图6 植被生长盛期不同生态因子对土壤呼吸的相对贡献及影响过程