The impact of precipitation changes on carbon and nitrogen storage and retention rates in desert steppe ecosystems

doi:10.11686/cyxb2025241

Abstract

Abstract:

As an important contributor to carbon and nitrogen sinks in terrestrial ecosystems， grassland ecosystems play a crucial role in regulating global carbon and nitrogen sources， sinks， and cycling processes. This ongoing experiment is located on temperate desert grassland in Yanchi County， Ningxia， on the southern edge of the Mu Us Desert. The experiment treatments simulate five levels of precipitation using rain shelters and manual water replenishment （33%， 66%， 100%， 133%， and 166% of natural precipitation， coded as R₃₃，_{R₆₆， CK，_{R₁₃₃，_{R₁₆₆， respectively）. Here we report changes in vegetation， soil carbon and nitrogen storage， and retention rates from 2018 to 2024 under the different precipitation regimes. After this six year period of precipitation control： 1） The carbon and nitrogen storage of surface soil （0-10 cm） has responded more than at depth to changes in precipitation； decreased precipitation has led to a decrease in surface soil carbon and nitrogen storage with this effect increasing with the number of years. Conversely， increased precipitation has led to increased surface soil carbon and nitrogen storage. 2） Increased precipitation has led to increased， vegetation carbon and nitrogen storage and this effect has significantly increased over time. 3） Under water addition treatment， the proportion of vegetation carbon storage in the total carbon storage of the grassland ecosystem shows an upward trend over time， peaking in 2024； while the opposite （depletion） has occurred in the 33% and 66% precipitation regimes. Therefore， an increase in precipitation contributes to an increase in carbon and nitrogen storage and sequestration rates in vegetation and soil components of this ecosystem， while a decrease in precipitation exacerbates carbon and nitrogen loss. These research results provide quantitative data and enhance understanding of the response patterns of key links in the carbon and nitrogen cycling process of steppe ecosystems in response to precipitation change.}}}

Key words: desert steppe, precipitation gradient, carbon and nitrogen storage, carbon and nitrogen sequestration rate

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Figures/Tables 12

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年份Year	降水量Precipitation （mm）
2018	360.0
2019	323.1
2020	205.2
2021	226.0
2022	313.2
2023	264.1
2024	332.4

年份Year	降水量Precipitation （mm）
2018	360.0
2019	323.1
2020	205.2
2021	226.0
2022	313.2
2023	264.1
2024	332.4

降水梯度 Precipitation gradient	土层深度Soil depth （cm）	土壤有机碳固持速率 Soil organic carbon sequestration rate （g·m^-2·a^-1）			土壤全氮固持速率 Soil total nitrogen sequestration rate （g·m^-2·a^-1）
降水梯度 Precipitation gradient	土层深度Soil depth （cm）	2018-2021	2021-2024	2018-2024	2018-2021	2021-2024	2018-2024
R₃₃	0~10	-1.66±0.03b	-0.64±0.06a	-1.15±0.02ab	-0.19±0.00a	-0.27±0.01a	-0.23±0.00a
	10~20	0.53±0.04a	-3.56±0.08c	-1.51±0.04b	0.03±0.00b	0.20±0.01a	0.10±0.00b
	20~30	-0.39±0.05a	-0.73±0.03a	-0.56±0.02a	-0.09±0.01a	-0.10±0.00a	-0.09±0.00a
R₆₆	0~10	-1.36±0.04b	-0.61±0.02a	-0.99±0.03ab	-0.27±0.03a	-0.13±0.00a	-0.20±0.01a
	10~20	-1.56±0.04a	-1.54±0.03a	-1.55±0.02a	-0.46±0.01a	-0.18±0.01a	-0.27±0.01a
	20~30	0.01±0.06a	-1.49±0.09b	-0.75±0.02ab	-0.15±0.00a	-0.12±0.00a	-0.13±0.00a
CK	0~10	-0.26±0.02b	0.39±0.02a	0.17±0.02ab	-0.09±0.01b	0.07±0.00a	0.02±0.00ab
	10~20	0.48±0.04a	-0.05±0.04a	0.32±0.02a	0.07±0.01a	-0.50±0.02c	-0.22±0.01b
	20~30	1.11±0.06a	0.22±0.01a	0.65±0.04a	0.08±0.01a	-0.05±0.00a	0.02±0.00a
R₁₃₃	0~10	1.69±0.03c	3.57±0.01a	2.63±0.02b	0.16±0.01b	0.35±0.01a	0.26±0.01ab
	10~20	-0.61±0.03c	3.02±0.05a	1.32±0.01b	0.16±0.01a	0.09±0.01a	0.12±0.00a
	20~30	1.16±0.02a	1.33±0.07a	1.24±0.05a	0.02±0.00a	0.04±0.01a	0.01±0.00a
R₁₆₆	0~10	1.96±0.08c	5.56±0.05a	3.76±0.03b	0.27±0.01a	0.05±0.01b	0.16±0.01ab
	10~20	-0.79±0.07c	5.20±0.02a	2.39±0.03b	0.06±0.01a	0.14±0.01a	0.07±0.00a
	20~30	1.25±0.04b	2.32±0.04a	1.78±0.01ab	0.10±0.00a	0.12±0.01a	0.12±0.00a

降水梯度 Precipitation gradient	土层深度Soil depth （cm）	土壤有机碳固持速率 Soil organic carbon sequestration rate （g·m^-2·a^-1）			土壤全氮固持速率 Soil total nitrogen sequestration rate （g·m^-2·a^-1）
降水梯度 Precipitation gradient	土层深度Soil depth （cm）	2018-2021	2021-2024	2018-2024	2018-2021	2021-2024	2018-2024
R₃₃	0~10	-1.66±0.03b	-0.64±0.06a	-1.15±0.02ab	-0.19±0.00a	-0.27±0.01a	-0.23±0.00a
	10~20	0.53±0.04a	-3.56±0.08c	-1.51±0.04b	0.03±0.00b	0.20±0.01a	0.10±0.00b
	20~30	-0.39±0.05a	-0.73±0.03a	-0.56±0.02a	-0.09±0.01a	-0.10±0.00a	-0.09±0.00a
R₆₆	0~10	-1.36±0.04b	-0.61±0.02a	-0.99±0.03ab	-0.27±0.03a	-0.13±0.00a	-0.20±0.01a
	10~20	-1.56±0.04a	-1.54±0.03a	-1.55±0.02a	-0.46±0.01a	-0.18±0.01a	-0.27±0.01a
	20~30	0.01±0.06a	-1.49±0.09b	-0.75±0.02ab	-0.15±0.00a	-0.12±0.00a	-0.13±0.00a
CK	0~10	-0.26±0.02b	0.39±0.02a	0.17±0.02ab	-0.09±0.01b	0.07±0.00a	0.02±0.00ab
	10~20	0.48±0.04a	-0.05±0.04a	0.32±0.02a	0.07±0.01a	-0.50±0.02c	-0.22±0.01b
	20~30	1.11±0.06a	0.22±0.01a	0.65±0.04a	0.08±0.01a	-0.05±0.00a	0.02±0.00a
R₁₃₃	0~10	1.69±0.03c	3.57±0.01a	2.63±0.02b	0.16±0.01b	0.35±0.01a	0.26±0.01ab
	10~20	-0.61±0.03c	3.02±0.05a	1.32±0.01b	0.16±0.01a	0.09±0.01a	0.12±0.00a
	20~30	1.16±0.02a	1.33±0.07a	1.24±0.05a	0.02±0.00a	0.04±0.01a	0.01±0.00a
R₁₆₆	0~10	1.96±0.08c	5.56±0.05a	3.76±0.03b	0.27±0.01a	0.05±0.01b	0.16±0.01ab
	10~20	-0.79±0.07c	5.20±0.02a	2.39±0.03b	0.06±0.01a	0.14±0.01a	0.07±0.00a
	20~30	1.25±0.04b	2.32±0.04a	1.78±0.01ab	0.10±0.00a	0.12±0.01a	0.12±0.00a

降水梯度Precipitation gradient	部位 Compartment	植被碳固持速率 Vegetation carbon sequestration rate （g·m^-2·a^-1）			植被氮固持速率 Vegetation nitrogen sequestration rate （g·m^-2·a^-1）
降水梯度Precipitation gradient	部位 Compartment	2018-2021	2021-2024	2018-2024	2018-2021	2021-2024	2018-2024
R₃₃	地上Aboveground	-1.58±0.11a	-2.33±0.21b	-1.95±0.14ab	-0.09±0.00a	-0.10±0.01a	-0.10±0.00a
R₃₃	地下Underground	0.83±0.15a	-4.15±0.10c	-1.66±0.07b	-0.04±0.00a	-0.15±0.00c	-0.09±0.00b
R₆₆	地上Aboveground	-0.93±0.25a	-1.69±0.21b	-1.31±0.13ab	0.09±0.00a	-0.16±0.00c	-0.04±0.00b
R₆₆	地下Underground	2.77±0.10a	-1.99±0.19c	0.39±0.06b	0.11±0.03a	-0.12±0.02c	0.00±0.01b
CK	地上Aboveground	2.08±0.26a	-0.93±0.25c	0.58±0.01b	0.01±0.01a	-0.21±0.00c	-0.10±0.00b
CK	地下Underground	0.54±0.21c	3.43±0.13a	1.99±0.15b	0.05±0.00a	-0.10±0.01c	-0.02±0.00b
R₁₃₃	地上Aboveground	6.72±0.11a	1.02±0.24c	3.87±0.09b	0.27±0.01a	0.01±0.00c	0.14±0.00b
R₁₃₃	地下Underground	10.10±0.09a	6.30±0.70c	8.20±0.37b	0.41±0.01a	0.07±0.02c	0.22±0.02b
R₁₆₆	地上Aboveground	6.50±0.19a	3.59±0.22c	5.05±0.21b	0.30±0.01a	-0.03±0.01c	0.14±0.00b
R₁₆₆	地下Underground	9.48±0.26c	15.82±0.16a	12.65±0.21b	0.48±0.08a	0.28±0.10a	0.38±0.01a