降水量变化及氮添加下荒漠草原碳库与碳排放特征研究

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全球变化背景下,降水格局改变与大气氮(N)沉降增加调控着土壤水分和养分有效性,从而对植物群落特征和土壤环境产生影响,进而影响植被-土壤系统碳(C)素输入与输出过程、引起生态系统C汇功能变化。荒漠草原所处区域降水量少、蒸发量大,且N沉降临界负荷低,对降水量变化和N沉降增加响应敏感。然而目前有关降水量和N添加交互作用如何影响荒漠草原C源/汇尚缺乏深入认识,尤其极端降水条件下。本文以宁夏荒漠草原为研究对象,基于2017年设置的降水量变化(减少50%、减少30%、自然、增加30%以及增加50%)和N添加(0和5 g·m-2·yr-1)的野外试验,研究了 2021年8月植物-土壤C库特征和5-10月土壤呼吸速率的时间动态,同时结合植物生物量、植物多样性和关键土壤指标的变化,分析了植物-土壤C库和土壤呼吸的影响因素,以期为深入理解降水格局改变与N沉降增加下荒漠草原植物-土壤C库与C排放的响应机制提供科学依据。主要结论如下:(1)降水量及其与N添加的交互作用对植物群落全C和地上植物C储量有显著影响。0 g·m-2·yr-1的N添加下,减少50%降水量显著降低了全C,减少降水量显著降低了 C储量。5 g·m-2·yr-1的N添加下,减少30%降水量和增加降水量均显著提高了全C和C储量。相同降水量条件下,N添加在减少30%降水量时显著提高了 C储量。(2)除土壤轻组有机C和微生物量C外,降水量、N添加及其交互作用对有机C及其组分无显著影响。0g·m-2·yr-1的N添加下,减少降水量不同程度地降低了有机C及其组分、提高了微生物量C,增加降水量对土壤有机C库的影响较小。5g·m-2·yr-1的N添加下,减少降水量显著提高了土壤浅层溶解性有机C,增加降水量不同程度地降低了有机C组分。相同降水量条件下,N添加对土壤有机C及其组分的影响受降水量的调控。(3)降水量对土壤呼吸速率有极显著影响,N添加及其与降水量的交互作用对土壤呼吸速率无显著影响。日动态上,土壤呼吸速率呈先升高后降低趋势。月动态上,土壤呼吸速率呈波动式变化。0和5 g·m-2·yr-1的N添加下,增加降水量均显著提高了土壤呼吸速率。相同降水量条件下,N添加在减少30%降水量时显著降低了土壤呼吸速率。(4)降水量和N添加直接对植物群落全C产生负效应,二者未对地上植物C储量产生直接影响。此外,降水量还通过对植物群落特征的正影响而间接作用于全C和C储量。(5)降水量和N添加直接对土壤有机C储量、有机C及其组分产生正效应,或通过对环境因子的影响而间接作用于有机C及其组分。降水量和N添加通过对土壤化学和生物学性质的负影响而间接作用于有机C及其组分。(6)降水量和N添加对土壤呼吸速率无直接影响,但通过对环境因子的影响而间接作用于土壤呼吸速率。降水量通过对植物群落特征的负影响而间接作用于土壤呼吸速率。N添加通过对土壤生物学性质的正影响而间接作用于土壤呼吸速率。以上结论意味着,减少降水量(尤其极端减少)可能通过降低土壤资源有效性、抑制植物生长,从而降低植物-土壤C固定。增加降水量提高了土壤湿度和酶活性,刺激植物生长,促进植物-土壤C固定和土壤呼吸。N添加对植物-土壤C固定和土壤呼吸的影响缺乏一致的规律性,其与降水的交互作用存在时滞性,还需通过长时期观测展开深入探讨。
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