GCB | 增温对青藏高原高寒草甸表层土壤有机碳的影响不显著

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研究背景

目前地球正在经历着以气候变暖为主要特征的全球变化。青藏高原由于面积巨大和碳储量较高，被认为对全球变化敏感，在全球碳循环中扮演着关键角色，是研究土壤碳动态对气候变暖响应的关键地区。此外，青藏高原上的高寒草甸生态系统是脆弱的，容易因气候变暖而退化。因此，它是研究土壤有机碳对气候变暖响应的关键区域。青藏高原高寒草甸生态系统上开展了一系列模拟增温的野外控制实验，研究增温对碳循环关键过程的影响，特别是土壤有机碳动态。然而，气候变暖如何影响高寒草甸生态系统土壤有机碳库和相关的碳输入和碳输出过程的一般化模式及调控机制仍不清楚。本文通过两个模拟增温的野外控制实验和一个整合分析对该问题进行了系统研究（表1）。

表1 两个模拟增温实验和一个整合分析的简要总结

材料与方法

研究1（study 1）是一个多梯度模拟增温实验，研究2（study 2）是一个长期模拟增温实验。在这两个实验平台，研究表层（0-10 cm）土壤碳输入（地上生物量和地下生物量）、土壤有机碳、微生物生物量碳（可指征潜在的土壤碳输出）对模拟增温的响应。同时通过整合分析的方法，基于已经发表的104篇文献，共计44个样点，研究增温对高寒草甸生态系统表层土壤有机碳及相关的碳输入（植物生产力和生物量）以及碳输出（微生物生物量、土壤呼吸、生态系统呼吸等）过程的影响以及调控因素。此外也研究了土壤有机碳对增温的响应与土壤初始碳库的大小、年均温、年降水之间的关系。

结果&讨论

研究1发现，多梯度增温并不显著改变植物地上生物量、土壤有机碳、微生物生物量碳。在对照和不同梯度增温的处理之间，地下生物量也不表现出显著的差异，但是在个别处理之间，地下生物量存在显著差异（图1）。研究2也发现，长期增温并未显著改变植物地上生物量、地下生物量、土壤有机碳、微生物生物量碳（图2）。同时，我们也收集了在研究2样地发表过的所有相关文献，发现了相似的研究结果：虽然这四个变量（地上生物量、地下生物量、土壤有机碳、微生物生物量碳）的数值存在年际波动，可能是由于取样和测量方法的不同，但增温处理的大部分影响并不显著（图3）。

图1 多梯度增温对高寒草甸植物、微生物和土壤碳储量的影响

图2 长期增温对高寒草甸植物、微生物和土壤碳储量的影响

图3 增温对高寒草甸植物、微生物和土壤碳储量的影响（研究2，基于该地点发表的所有相关数据）

整合分析（研究3）发现增温并不显著改变植物的地上生物量、地下生物量、微生物生物量碳、土壤有机碳（多年数据和最新年数据）、地上净初级生产力、地下净初级生产力、土壤异养呼吸，但是会显著增加土壤呼吸、土壤自养呼吸、生态系统呼吸。也就是说，增温并不改变土壤有机碳的可能原因是土壤碳输入和碳输出对增温没有显著响应，但是增温会显著提升植物的自养呼吸（图4）。此外，增温对表层土壤有机碳库的影响与实验（如增温方式、幅度和持续时间）和环境（如气候和海拔）变量没有显著关联。例如，增温对土壤有机碳库的影响与初始土壤有机碳含量、年平均温度和年平均降水量之间均没有显著关系（图5）。

图4 增温对高寒草甸土壤有机碳动态相关的碳储量和碳通量的影响（整合分析）

图5 增温对高寒草甸土壤有机碳库的影响与初始土壤有机碳含量、年均温和年降水之间的关系

小结

总体而言，在青藏高原高寒草甸生态系统，增温会显著促进植物呼吸，但是不会显著改变表层土壤碳输入和碳输出，因而表层土壤有机碳库并不发生显著变化。本研究结果表明，在未来气候变暖的背景下，增温对青藏高原高寒草甸表层土壤有机碳库的影响有限。我们建议未来要开展长期的标准化模拟增温实验（相同增温方式、增温幅度），更加关注深层土壤（<20 cm以下），采用全土壤剖面增温或全生态系统增温的方法去研究高寒草甸土壤有机碳库对增温的响应及其机制。

该研究于2021年11月10日以“Warming has a minor effect on surface soil organic carbon in alpine meadow ecosystems on the Qinghai-Tibetan Plateau”为题在线发表于Global Change Biology期刊上。北京大学朱彪研究组2017级直博生陈迎为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者，韩孟光、袁霞、侯彦会、秦文宽、周华坤(中科院西北高原生物研究所)、赵新全(中科院西北高原生物研究所)、Julia Klein (科罗拉多州立大学)为合作作者并有重要贡献。本研究受到国家自然科学基金(31971528和31988102)的资助。感谢青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站的各位老师和工作人员对本研究的支持和帮助以及在青藏高原高寒草甸开展增温实验的同行们为本研究的整合分析提供的宝贵数据。

作者简介

陈迎，北京大学城市与环境学院生态学专业2017级直博生，导师为朱彪研究员，主要研究方向是增温对高寒草地生态系统碳动态的影响。目前以第一作者身份在Global Change Biology、Geoderma、Plant and Soil、Soil Ecology Letters等期刊上发表研究成果，并以共同作者身份在Soil Biology & Biochemistry、Geoderma、Plant and Soil、Catena、Science of the Total Environment、植物生态学报等期刊上发表研究论文。

编辑 丨 王旭东

审核 丨 朱彪

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