針對上述科學(xué)問題，中科院成都生物研究所尹華軍研究團隊以青藏高原東緣代表性高寒灌叢---鮮卑花灌叢為研究對象，基于長期N添加（0，50，100 kg N ha-1yr-1）野外試驗樣地，區(qū)分和辨識了長期N沉降對高寒灌叢根際與非根際土壤C庫的影響差異。基于上述研究，首次發(fā)現(xiàn)氮添加下根際/非根際在土壤C 存儲貢獻中表現(xiàn)出截然相反的功能。具體而言，在根際區(qū)，氮添加促進微生物活性而加快土壤輕組分有機C分解，導(dǎo)致根際有機C含量顯著下降，使得N沉降下根際區(qū)表現(xiàn)出“C源”功能。相反地，在非根際區(qū)，氮添加通過抑制氧化酶的活性增加重組有機C積累，導(dǎo)致非根際有機C含量顯著提升，使得非根際區(qū)表現(xiàn)為“C匯”功能。
圖1 氮沉降下高寒灌叢根際/非根際土壤C庫動態(tài)對生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力相對貢獻的概念框架
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葡萄糖苷酶，PPO：多酚氧化酶，PER過氧化物酶，F(xiàn)LFC：輕組有機碳，HFC：重組有機碳）
在此基礎(chǔ)上，結(jié)合根際空間數(shù)值模型，進一步模擬了不同根際范圍（分別為距離根表面0.5mm, 1mm, 1.5mm和2mm的距離）情景下根際與非根際土壤C庫變化對土壤C存儲的貢獻幅度與方向（圖 1左）。模擬分析表明：各個根際空間尺度下，施氮降低了根際C庫儲量（降幅為0.11~3.01 kg C·m-2），而增加非根際C庫儲量（增幅為1.91~4.08 kg C m-2）。相應(yīng)地，沿不同根際范圍模擬情境下，生態(tài)系統(tǒng)土壤總SOC儲量增幅介于0.74~2.44 kg C·m-2之間。特別地，以根際距離2mm為例，構(gòu)建了N添加下高寒灌叢根際/非根際土壤C庫動態(tài)對土壤固碳潛力相對貢獻的概念框架：在根際土壤 “碳源”效應(yīng)（損失3.01 kg C m-2）與非根際土壤“碳匯”效應(yīng)（積累4.08 kg C m-2）二者的疊加作用下，N沉降下灌叢生態(tài)系統(tǒng)土壤C庫儲量增加量為1.07 kg C m-2（圖 1右）。上述結(jié)果表明N沉降下陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤固C潛力在很大程度上受根際C動態(tài)過程及其根際空間范圍所調(diào)控。
本研究成果為準確評估與預(yù)測全球變化情景下陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤C庫動態(tài)變化提供了新的見解和思路。研究成果近期以“Differential impacts of nitrogen addition on rhizosphere and bulk soil carbon sequestration in an alpine shrubland”為題發(fā)表在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域國際著名期刊Journal of Ecology (2020)上。該論文的第一作者為成都生物研究所朱曉敏博士，通訊作者為尹華軍研究員。本研究得到了第二次青藏高原科學(xué)考察研究、中科院前沿科學(xué)重點項目和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。