摘要
在全球大气氮沉降增加背景下，将全球变暖限制在1.5℃，陆地生态系统的固碳功能起着非常重要的作用。生物量是评价生态系统结构和碳汇功能的重要指标，准确估算其储量，明确其组分分配和空间分布格局是研究碳动态和碳汇潜力的必要前提。土壤碳库是陆地生态系统最大的碳库，土壤碳储量较小的变化将会对整个陆地生态系统碳循环具有显著影响。因此，在全球大气氮沉降和气候变暖背景下，土壤碳组分的研究显得尤其重要。灌丛生态系统在全球碳循环中起重要作用，与森林和草地相比，还十分缺乏灌丛尤其是高寒灌丛生态系统碳储量和生态系统碳过程的研究。 本文从生物量碳库和土壤碳库两个方面，以西南山地灌丛为研究对象，探讨西南山地灌丛生物量分配及分布格局，为精确计算西南山地灌丛植被碳库提供基础数据。同时以西南山地中典型原生高寒灌丛—窄叶鲜卑花（Sibiraeaangustata）灌丛为对象，研究短期（2年）增温（opentopchamber,OTC）和7年氮添加（0，20，50，100kgN/ha/year）对土壤有机碳组分的影响，进而评估全球变暖和大气氮沉降背景下高寒灌丛生态系统碳“源汇”功能的潜在变化，为陆地生态系统碳循环研究提供理论基础。主要研究结果如下： （1）中国西南山地灌丛群落地上生物量（above-groundbiomass,AGB）、总生物量（totalbiomass,TB）和灌木层TB随海拔升高而降低，草本层生物量随海拔升高而增加。随海拔升高，灌丛群落和其层片的根冠比（root/shoot,R/S）逐渐增加（P＜0.001）随着纬度增加，灌木层R/S呈先增加后减少的二次曲线关系（P＜0.001），草本层和灌丛群落R/S随着纬度增加而显著增加（P＜0.001）。随着经度的增加，灌木层生物量和灌丛群落总生物量极显著增加（P＜0.001），但是草本层生物量和灌丛群落的R/S显著降低（P＜0.05）。灌木层和草本层地上、地下生物量（below-groundbiomass,BGB）分配符合异速生长关系，但是整个灌丛群落地上地下生物量分配符合等速生长关系，这可能与灌木层将生物量更多的分配于地上，而草本层将生物量更多的分配于地下，两者相互抵消有关。西南山地灌丛生物量分配与海拔密切相关，且受平均年降雨量和年平均气温的显著影响。 （2）模拟增温第三年使典型原生高寒灌丛—窄叶鲜卑花灌丛草本层和灌丛群落AGB显著增加57.8%和7.2%，使灌木层、草本层和灌丛群落BGB显著增加42.5%、105.6%和45.6%，使灌木层、草本层和灌丛群落TB显著增加25.6%、85.7%和28.4%，使灌木层、草本层和灌丛群落R/S显著增加33.2%、30.4%和36.0%。青藏高原东部高寒灌丛植被能够通过调节生物量分配模式应对未来气候变暖。模拟增温第二年，窄叶鲜卑花灌丛植物和去除植物处理5cm土层温度分别增加0.51℃和0.56℃，未显著影响土壤含水量和pH值。增温使0~30cm土层总有机碳库显著降低16.89%，这与增温降低土壤表层活性有机碳库组分中微生物生物量碳（microbialbiomasscarbon,MBC;14.02%）、颗粒有机碳（particulateorganiccarbon,POC;16.67%）、轻组分有机碳（lightfractionorganiccarbon,LFOC;19.96%）含量、大团聚体（250~2000μm）有机碳比例（8.67%）及惰性有机碳库组分中重组分有机碳（heavyfractionorganiccarbon,HFOC;12.39%）含量有关。增温处理土壤中微团聚体和矿物复合体碳矿化量分别增加15.08%和10.98%，大团聚体碳矿化量降低24.60%，土壤碳矿化总量降低22.61%。土壤碳矿化总量降低主要与大团聚组分占比高、对土壤呼吸贡献率高，而增温显著降低大团聚体碳矿化量有关。增温提高了深层土壤有机碳库含量，总体未显著降低0~100cm土层总有机碳库，支持了增温短期内不会造成全球尺度土壤碳损失的观点。 （3）氮添加显著提高0~10cm土层含水量，但未显著影响0~100cm土层土壤含水量和pH值。中氮（50kgN/ha/year）和高氮（100kgN/ha/year）添加使高寒灌丛1米土壤有机碳库分别增加10.37%、28.2%，其中活性碳库分别增加11.36%和23.42%，惰性碳库增加11.07%和48%。中氮和高氮添加使土壤活性碳库增加主要与占土壤质量比例高、有机碳贡献率大的大团聚体有机碳含量分别增加17.35%和21.31，LFOC、POC、微团聚体含量增加有关。土壤惰性碳库增加主要与中氮和高氮添加使HFOC含量分别增加11.56%和27.74%及＜53μm团聚体有机碳含量增加有关。高氮添加显著增加了水溶性有机碳（water-solubleorganiccarbon,WSOC）含量，加速了土壤碳的流失，但WSOC含量和比例在土壤碳库中占比少（3%），对土壤碳库无显著影响。高氮添加使土壤碳矿化量增加11.41%，这与高氮添加显著增加土壤大团聚体和矿物复合体组分矿化量和呼吸贡献率有关。 结果表明，西南山地灌丛生物量分配与海拔、经纬度、温度和降水显著相关，灌丛群落通过层片生物量的不同分配方式以适应异质环境。西南山地灌丛群落地上地下生物量分配符合等速生长关系。增温可显著提高高寒灌丛生物量尤其是地下生物量分配以适应环境。表层土壤有机碳组分对增温和氮添加响应敏感，增温未显著影响0-100cm土层碳库；氮添加显著增加0~100cm土层碳库和相关碳组分含量，明确了增温和氮添加下高寒灌丛1米土壤碳汇的功能。
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