004模拟增温对矮嵩草草甸土壤有机-矿质复合体形成及稳

申请代码A0802受理部门收件日期受理编号国家自然科学基金申请书(2010版)资助类别：联合资助基金项目亚类说明：面上项目附注说明：大科学装置联合基金项目名称：模拟增温对矮嵩草草甸土壤有机-矿质复合体形成及稳定性的影响申请人：崔骁勇电话：[phone]依托单位：中国科学院研究生院通讯地址：北京市石景山区玉泉路甲19号邮政编码：100049单位电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]申报日期：2010年2月20日国家自然科学基金委员会11079055国家自然科学基金申请书2010版第2页版本1.001.987基本信息3l0qJmgpWzE申请人信息姓名崔骁勇性别男出生年月1970年11月民族汉族学位博士职称教授每年工作时间（月）7电话[phone]电子邮箱[e-mail]传真国别或地区中国个人通讯地址北京市石景山区玉泉路甲19号工作单位中国科学院研究生院/资源与环境学院主要研究领域生态学，土壤学，环境科学，植物营养学依托单位信息名称中国科学院研究生院联系人王艳电子邮箱[e-mail]电话[phone]网站地址上海光源C0311:土壤生态学基地类别研究年限2011年1月—2013年12月研究属性基础研究申请经费40.0000万元摘要(限400字)：气温升高对土壤有机质稳定性的影响直接关系到大气温室气体浓度的变化，目前急需阐明主要生态系统土壤有机质稳定性对增温的响应及其机理。本项目以对气候变化敏感的青藏高原高寒矮嵩草草甸为研究对象，采用同位素示踪、基于同步辐射光源和微谱学的STXM-NEXAFS联用等技术，通过野外人工增温、海拔梯度取样和室内培养等手段，对比分析不同温度下青藏高原高寒矮嵩草草甸生态系统主要植物地上部凋落物分解过程中产生的溶解有机质（DOM）的化学结构特征、DOM与提取人工合成的铁铝矿物作用形成的有机-矿物复合体的表面成分、DOM与土壤中提取的粘土矿物作用形成的有机-矿物复合体的表面成分、土壤微团聚体中有机质的化学成分、土壤有机质中新碳与老碳的分子组成变化，从微观尺度探索温度升高对该类重要生态系统土壤有机-无机复合体的形成与稳定性的影响，为准确把握全球变化下高寒草甸生态系统的碳收支变化提供基础。关键词(用分号分开，最多5个)土壤有机碳；稳定性；增温；高寒草甸；青藏高原国家自然科学基金申请书2010版第3页版本1.001.987项目组主要参与者（注:项目组主要参与者不包括项目申请人，国家杰出青年科学基金项目不填写此栏。）编号姓名出生年月性别职称学位单位名称电话电子邮箱项目分工每年工作时间（月）1吴静1971-3-3女高级工程师硕士中国科学院研究生院[e-mail]样品制备102谭红朝1982-1-9男博士生硕士中国科学院研究生院[e-mail]上机试验103李鹏1984-3-6女博士生硕士中国科学院研究生院[e-mail]野外采样84吴伊波1983-10-25女博士生学士中国科学院研究生院[e-mail]室内培养65张妍1986-1-6女硕士生学士中国科学院研究生院[e-mail]矿质合成56李玉爽1987-11-8女硕士生学士中国科学院研究生院[e-mail]数据分析6789总人数高级中级初级博士后博士生硕士生720032说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请人负责填报（含申请人），总人数由各分项自动加和产生。国家自然科学基金申请书2010版第4页版本1.001.987经费申请表（金额单位：万元）科目申请经费备注（计算依据与说明）一.研究经费30.30001.科研业务费18.2000（1）测试/计算/分析费7.5000土壤性状分析、DOM性质的分析、14C年代测定等（2）能源/动力费2.0000分担增温试验平台耗电的部分费用（3）会议费/差旅费5.5000到青藏高原取样和到上海分析的差旅费及6人次国内会议费（4）出版物/文献/信息传播费2.8000论文出版费、资料费、文献检索费、专业通信费等（5）其他0.40002.实验材料费7.2000（1）原材料/试剂/药品购置费6.6000浸提、配置铁铝矿质和密度梯度离心等用试剂，过滤等用的耗材，样品运输费用（2）其他0.60003.仪器设备费4.2000（1）购置2.4000恒温培养箱1台、台式离心机1台（2）试制1.8000有机物分解过程中产生的DOM提取装置4.实验室改装费0.70005.协作费0.0000二.国际合作与交流费3.20001.项目组成员出国合作交流1.85002人次赴澳大利亚合作交流2.境外专家来华合作交流1.3500接待1名境外专家三.劳务费4.5000课题组中的在校研究生的劳务性费用四.管理费2.0000按5%计算合计40.0000与本项目相关的其他经费来源国家其他计划资助经费0.0000其他经费资助（含部门匹配）0其他经费来源合计0.0000国家自然科学基金申请书2010版第5页报告正文（一）立项依据与研究内容：1.项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）⑴研究意义CO2、N2O等温室气体排放造成的全球气候变暖已经成为人类目前面临的最严峻的挑战之一（IPCC2007）。土壤有机质（SoilOrganicMatter，SOM）是地球陆地表面最大的有机碳、氮库，是大气碳库的3.3倍，生物碳库的4.5倍，每年由SOM分解（“矿化”）释放的CO2量比人类活动释放的总量还多（IPCC2007）。自然生态系统的氮素98%来自于土壤有机质的矿化（Lambersetal.2008）。气温升高条件下土壤有机质稳定性的微小变化就有可能引发大气中CO2浓度的大幅改变和生态系统氮营养的改变；模型运行的结果也证明，SOM循环过程的微小不确定性都会对GCM对未来气候变化的预测产生很大的影响（Friedlingsteinetal.2006）。试验也证明，有机质矿化和氮营养的改变是控制很多生态系统对全球变化的响应的关键因素（Elseretal.2007）。因此阐明重要生态系统土壤有机质的稳定性机制及其对温度升高的响应对于准确把握大气温室气体浓度的变化和气候变化的趋势具有重要的科学意义。虽然土壤有机质对温度变化的敏感性的重要意义已经广为知晓，但是目前还缺乏有效的试验手段，有限的研究结果也并不一致，甚至相互矛盾（Fangetal.2005;Fengetal.2008）。造成这一问题的重要原因在于土壤有机质本身是高度异质化的复合体，它的各种组分对温度的响应差异极大，大部分的有机质是通过植物凋落物或根系以已知结构的化合物的形式进入土壤的，而且大部分在几个月内就会被矿化，将碳素以CO2的形式重新排放进入大气圈，并提供生物氮素。但是还有一部分有机质会通过和土壤矿质颗粒表面的相互作用而稳定下来，有的甚至可以稳定数千年。但是，现有的技术尚不能对所有的组分逐一分离研究，只能采用物理、化学的方法将SOM粗略地分为少数几个组分（Zhouetal.2010），并认为各组分是相对均一的。但正如Fengetal.（2008）报道的那样，被归入易降解有机质（labileorganicmatter）的两个组分：叶片表皮中浸出的碳（cuticularcarbon）和木质素碳（lignincarbon）对温度升高有着完全相反的响应，前者随着温度的升高分解速率加快，而后者正相反，表明在分子水平上SOM不同组分稳定性的温度敏感性也不同。其他一些研究看到SOM各组分的降解对温度的响应却是相似的，没有显著差别（Fangetal.2005）。更为复杂的是，52%~98%的SOM是以有机-矿质复合体的形式存在的，而不是单纯的化合物，而对有机-矿质复合体中SOM矿化的温度响应还鲜有报道。因此，深入探究SOM的结构、解析SOM各组分与土壤矿质颗粒的相互作用对阐明SOM稳定性的机制、深入理解生态系统和全球尺度上碳氮等重要生命元素的生物地球化学循环及温室气体排放有着很重要的意义，可为寻求提高SOM的稳定性和增加稳定性SOM数量的方法提供参考。国家自然科学基金申请书2010版第6页⑵国内外研究进展在上个世纪全球平均气温增加了0.6℃，预计这个世纪还将升高1.4~5.8℃（IPCC2007）。在地质历史上三叠纪与侏罗纪的过渡期大气CO2浓度升高导致气温上升了3~4°C，并引起了生物物种组成的巨大改变，有研究预测气温升高引起的生态系统碳收支变化将进一步加剧温度升高的趋势（Friedlingsteinetal.2006），因此气温升高对生态系统碳、氮周转的影响受到了极大的关注，今年美国生态学会年会上就有300多篇关于增温的研究报告，其中一半以上与碳过程相关，其中又有相当部分关注土壤有机质的变化。多年来在Nature、Science等著名期刊上也持续刊登温度升高与土壤有机碳、氮的文章，其中大部分是基于模型的计算（如Piaoetal.2008），或者是综合分析温度不同的生态系统的土壤碳、氮过程（如Yangetal.2008），而最近10多年以来在生态系统水平上的温度控制试验受到了越来越多的重视（Kimball&Conley2009），其研究结果加深了我们对温度升高与碳、氮周转关系的理解。但无论是模型研究还是试验研究，所得结果之间的差异很大（Huetal.2009）。①土壤有机碳的形成与稳定性在地球表层1m深的土壤中约含有1500Pg（1015g）的有机碳，3m深度内的土层约含有2300Pg有机碳，比大气与全球生物的碳储量之和还要多。传统认为气候变化、土地利用方式的变化等主要影响土壤表层30cm范围内的有机质含量，而对下层土壤有机质在影响甚微，因为其在小于100年的时间尺度上是很稳定的。基于这一观点，很多生态系统生物地球化学循环模型只考虑表层20-30cm深度内的土壤对各种因子的响应。但是近来有研究发现有机质在土壤中的分布深度远大于植物根系，30cm以下土层中的有机质在控制土壤碳储存能力、稳定性以及对环境因子的响应上可能有着重要作用。根据其形成过程可以把SOM分为两个部分：上层土壤中的SOM是直接来自于植物地上和根系的凋落物，经过微生物降解而形成的（包括四种可能的途径：木质素蛋白质假说；化学聚合假说；细胞自溶假说；微生物合成假说），这主要是一个生化过程；下层土壤中的SOM可能是上层淋溶下来的以及微生物原位活动产生的溶解有机质（DissolvedOrganicMatter，DOM），与土壤中的粘土矿物吸附稳定而形成的，这主要是一个物理过程。目前对前一个过程的了解已经相当详尽，但对第二个过程则较少，有证据表明该过程在SOM的存储和周转中起决定性作用。SOM主要来自于植物地上和地下部凋落物，根分泌物和土壤微生物等的残体也提供了部分碳和其他元素（Zhouetal.2010）。不同来源产生的DOM在土体中的迁移是有机物形成、剖面分布和稳定化的主导过程。DOM在迁移过程中可以被土壤矿物或原有的土壤有机质吸附，稳定化并形成新的SOM，这一过程在长的时间尺度上可能控制着土壤有机质的固持能力和容量。例如，Baisden&Parfitt（2007）测定大规模核爆炸试验前后三个时期（1959、1974和2002年）同一地点的土壤样品，发现40-100cm下层土壤的14C富集已经累计