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【科研新进展】(132)国家重点实验室在土壤碳氮循环过程对干旱响应研究领域取得新进展

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2021年1月17日,水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室上官周平研究员在地学类著名期刊《Earth-Science Reviews》发表了题为“Drought effects on soil carbon and nitrogen dynamics in global natural ecosystems”的论文。邓蕾研究员为第一作者,上官周平研究员为通讯作者。

极端干旱对陆地碳(C)、氮(N)循环的库、通量和过程均有重要影响,而深入了解这一极端气候变化事件的影响必不可少。为了研究土壤碳、氮库和通量对干旱的响应并探讨其机理,该研究基于全球134个地点1815份干旱(降水减少)试验数据结果,综合评估了森林、灌木和草地三个主要自然生态系统中土壤碳氮循环对干旱的响应。

第一,阐明了干旱对生态系统土壤碳氮循环关键过程的影响机制。研究发现由于干旱降低植物生产力,导致凋落物输入量减少(-8.7%)和凋落物分解量减少(-13.0%),进而降低了土壤有机碳含量(-3.3%)。与此同时,干旱增加了矿质氮含量(+31%),但降低了氮矿化速率(-5.7%)和硝化速率(-13.8%),导致全氮含量基本保持不变。发现干旱导致土壤中可溶性有机碳和氮的积累量分别增加了+59%和+33%。

第二,明确不同生态系统类型下土壤碳氮过程对干旱响应机理。发现干旱使森林土壤氮矿化速率和硝化速率降低,而对总CO2排放量并没有显著影响,但却使灌木土壤CO2排放量降低(-15%)。发现草地对干旱的适应能力高于森林和灌木,其土壤微生物可通过提高酶的活性进而获取更多的土壤氮营养以满足其对干旱环境的养分需求。

第三,揭示了土壤碳氮循环过程对干旱时间和干旱强度的响应规律。发现土壤CO2和根系呼吸先增加后降低,而土壤氮排放(如N2和N2O)持续降低,发现短期干旱激发了土壤微生物呼吸速率。发现长时期和高强度的干旱对土壤碳氮过程均表现出显著的抑制作用,但是,土壤碳氮循环过程会逐渐趋向稳定,表明生态系统对长时期高强度的干旱有自适应能力。

总体上,干旱对土壤碳氮循环的影响受生态系统类型、干旱持续时间和强度的调控。此外,干旱强度越高、持续时间越长,干旱效应就越大,尤其是对CO2排放量的影响越大,其随干旱强度和持续时间的增加而降低。

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该研究得到国家、中科院有关项目的资助。

全文链接: https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2020.103501


编辑:张晴

终审:徐海