氮磷交互作用对林地土壤碳循环关键生物地球化学过程的影响

The process of soil organic carbon (SOC) accumulation and decomposition is strongly influenced by the intensity and interaction of atmospheric nitrogen and phosphorus deposition, which thereby may affect the SOC turnover in the forest ecosystem. The project will be based in the forestland ecosystem of Yintan Ecological Experimental Station of Red Soil and Changshou Ecological Experimental Station, Chinese Academy of Sciences. The influence of different intensities of nitrogen and phosphorus deposition on the change of SOC and its reactive fractions will be studied. Soil CO2 and CH4 emission fluxes and litter decomposition rate will be determined in situ to evaluate the effect of nitrogen and phosphorus interaction on soil CO2 and CH4 emission fluxes and litter decomposition. Soil denisity and particle size fractionation method and 13C NMR technique were used to study the influence of nitrogen and phosphorus input on SOC content in different physical fractions and on organic functional groups, to reveal the physical chemistry mechanism of nitrogen and phosphorus input on soil carbon cycle. 454 pyrosequencing technology and enzyme activity analysis method were used to analyze the impact of different intensities of nitrogen and phosphorus input on the fungal and bacterial community structures and emzyme activities, to clarify the microbiological mechanism of nitrogen and phosphorus interaction on soil carbon cycle. By clarifying the influence and trend of exogenous nitrogen and phosphorus inputs on the key biogeochemical processes of soil carbon cycle in the forestland, the aim of this project is to provide scientific evidence for forestland management.

大气氮磷输入强度及其交互作用强烈地影响着土壤有机碳积累与分解关键过程，进而改变森林生态系统土壤有机碳循环规律。本项目以中国科学院鹰潭红壤生态试验站和常熟生态试验站人工林生态系统为基地，定位研究不同林地土壤有机碳及活性组分对不同强度氮磷输入的响应；野外原位测定土壤CO2和CH4排放通量及凋落物分解速率，解析氮磷交互作用对凋落物分解、土壤CO2和CH4排放的影响效应和强度；运用土壤密度和粒径联合分级方法及13C NMR技术，研究氮磷输入对不同物理组分有机碳含量及有机功能团的影响，从物理化学角度揭示氮磷输入对土壤碳循环的影响机制；利用454焦磷酸测序技术及酶活性分析技术，分析不同强度氮磷输入对真菌/细菌群落结构及酶活性的影响，从微生物学角度揭示氮磷交互作用对林地土壤碳循环的影响机理；研究结果有助于揭示外源氮磷输入对人工林土壤碳循环关键生物地球化学过程的影响及可能趋势，为人工林管理提供理论依据。

大气氮磷输入强烈地影响着土壤有机碳积累与分解关键过程，进而改变森林生态系统土壤有机碳循环规律。本项目依托中国科学院鹰潭红壤生态试验站人工林生态系统研究基地，围绕氮磷交互作用对林地土壤碳循环关键生物地球化学过程的影响及其机理进行了研究。结果表明，养分输入对凋落物分解的影响在分解的不同阶段不尽相同，这主要由于分解的不同阶段微生物可利用性碳及微生物群落结构对外源养分输入的响应显著不同。氮磷添加显著降低了表层土壤有机碳特别是惰性有机碳的含量，而这种降低主要是通过对微团聚体作用引起的。通过固态13C CPMAS NMR光谱技术对有机功能团的分析可以看出，养分添加显著降低了烷氧碳及乙缩醛碳的含量而显著增加了烷基碳、甲氧基/含氮烷基碳、芳香碳及羰基碳。通过对土壤微生物群落结构的分析得出，养分输入初期显著增加了真菌的生物量，但真菌的活性随后显著降低，养分输入后期促进了微生物群落从真菌为主向细菌为主的转变。通过对土壤酶活性的分析发现，氮磷处理对转化酶活性没有显著影响，但是显著提高了β葡萄糖苷酶和纤维素酶的活性，说明氮磷输入在一定程度上促进了活性碳的分解转化；同时氮磷输入促进了多酚氧化酶的活性，进而促进了土壤惰性有机碳的分解，从而导致土壤有机碳含量降低。通过对NMR有机碳化学结构与微生物群落的相关分析可以看出，真菌/细菌比与甲氧基碳显著正相关。而革兰氏阴性菌、放线菌、革兰氏阴性菌与革兰氏阳性菌的比例以及总的细菌的丰度与含氧烷基碳、乙缩醛碳、含氧烷基碳与烷基碳的比例、亲水碳与疏水碳的比例、以及酚基碳与羰基碳的比例显著正相关，因此，外源氮磷养分的输入刺激了真菌的生长，而其分解产物为细菌提供了能源物质从而进一步促进了细菌对有机物质的分解。总之，不同氮磷养分输入处理对凋落物分解、有机碳活性和化学结构、土壤微生物群落结构都产生了显著的影响。研究结果为亚热带典型红壤人工林管理提供了科学依据。