青藏高原高寒草甸与草原围封对土壤呼吸季节动态的差异化影响机制

本刊推荐：针对青藏高原高寒草地退化修复中土壤碳循环响应机制不明的问题，研究人员开展了围封对高寒草甸和草原土壤呼吸(Rs)及其组分自养呼吸(Ra)和异养呼吸(Rh)的季节动态研究。发现围封通过氮素调控和微生物群落改变显著提升草原生长季Rs(93.3%)和Rh(66.8%)，而草甸仅生长季Rh增加19.3%。揭示了草地类型依赖性响应机制，为精准评估草地恢复的碳平衡效应提供科学依据。

　　

在全球碳循环中， grasslands（草地生态系统）扮演着举足轻重的角色，其碳汇功能对缓解气候变化具有重要意义。然而，全球近半数的草地正面临退化危机，特别是在被誉为“世界屋脊”的青藏高原，高寒草地退化尤为严重。为应对这一挑战，围封禁牧作为一项重要的生态恢复措施被广泛实施。但围封如何影响土壤呼吸(Soil Respiration, Rs)这一关键的碳通量过程，尤其是在不同类型的高寒草地中，其响应机制仍不明确。更值得关注的是，以往研究多集中于生长季，而对非生长季土壤碳通量的忽视可能导致全年碳平衡评估的严重偏差。

针对这一科学问题，研究人员在《Geoderma》发表了最新成果，通过对比研究高寒草甸和高寒草原两种典型生态系统，揭示了围封对土壤呼吸及其组分（自养呼吸Autotrophic Respiration, Ra和异养呼吸Heterotrophic Respiration, Rh）的季节性影响及其驱动机制。

研究团队综合运用了野外原位观测、根排除法分离呼吸组分、植物群落调查、土壤理化性质分析以及微生物高通量测序等技术手段。在四川红原县（高寒草甸）和西藏申扎县（高寒草原）分别选取了围封11年的样地和相邻的自由放牧样地作为研究平台。通过安装PVC环和LI-8100A土壤CO₂通量自动测量系统，对Rs和Rh进行了为期一整年的每周观测，并计算得到Ra（Rs-Rh）。同时测定了植物生物量、土壤碳氮含量、酶活性及微生物群落组成等指标。

3.1. 土壤总呼吸、自养呼吸和异养呼吸

研究发现Rs及其组分在两种草地类型中均呈现明显的季节动态，均在生长季（7-8月）达到峰值，而非生长季（1月）最低。值得注意的是，非生长季Rh/Rs比值高达0.76-0.82，表明微生物呼吸在寒冷季节主导土壤碳释放。围封处理显示出显著的生态系统特异性：在高寒草甸，围封仅使生长季Rh显著增加19.3%，而对Rs和Ra无显著影响；在高寒草原，围封则显著促进生长季Rs、Rh和Ra分别增加93.3%、66.8%和234.3%，非生长季Rs和Rh也分别增加50.2%和55.0%。

3.2. 植物性状、土壤性质和微生物属性

围封显著改变了生态系统结构。在高寒草原，围封使地上生物量(AGB)和地下生物量(BGB)分别增加100.9%和87.9%，植物盖度增加46.9%；而在高寒草甸，仅AGB增加62.9%。土壤性质方面，草甸围封后非生长季土壤水分(SM)和溶解有机碳(DOC)分别增加10.9%和19.3%，但硝态氮(NO₃^--N)含量在两个季节均显著降低；草原围封后生长季DOC增加31.0%，非生长季NO₃^--N增加223.6%。微生物分析表明，围封改变了草甸非生长季的细菌和真菌群落结构，以及草原非生长季的真菌群落结构。

3.3. 不同草地类型和季节土壤呼吸组分的控制因素

随机森林分析和结构方程模型揭示了不同的驱动机制。在草甸，生长季Rh的增加主要受NO₃^--N的负向驱动和植物生物量的正向影响；在草原，非生长季Rh主要受NO₃^--N和真菌群落结构调控，生长季Rh受DOC和NO₃^--N促进，而生长季Ra则主要与植物生物量和DOC密切相关。

研究结论强调，围封对高寒草地土壤呼吸的影响存在显著的生态系统差异和季节动态。在相对干旱的高寒草原，围封通过促进植物生长（增加生物量）、改善土壤基质有效性（提高DOC和NO₃^--N）和改变微生物群落结构，显著刺激了Ra和Rh；而在较为湿润的高寒草甸，围封仅通过诱导微生物氮限制（降低NO₃^--N）促进了生长季Rh的增加。

这一发现对高寒草地恢复的碳管理实践具有重要指导意义：在干旱的草原生态系统实施围封时，需注意可能加速土壤碳释放的风险；而在湿润的草甸生态系统，围封对土壤碳平衡的影响相对较小。研究结果强调了在评估草地恢复措施的碳汇效应时，必须考虑草地类型特异性和季节动态，为青藏高原高寒草地的精准恢复和碳循环模型优化提供了关键科学依据。