南亚热带地带性森林土壤有机碳形态结构对降水格局改变的响应

Changes in soil organic carbon (SOC) fractions play crucial roles in soil carbon sequestration in forests. Under global climate changes, it is essential to understand how SOC fractions would respond to such changes for reckoning forest soil carbon sink potential unbiasedly. To date, significant changes in precipitation pattern (intensity and frequency) but not in annual precipitation have been recorded in the subtropical region in southern China for decades. Consequently, soil moisture and some hydrologic processes have been changed in the subtropical forests in this region. Such changes are very likely to bring about variations in soil organic carbon configuration, and subsequently modify soil carbon cycle in these forests. Therefore, we would carry out a field experiment in southern China, with manipulated changes in precipitation intensity and frequency or in the amount of precipitation in a monsoon evergreen broadleaved forest which is mostly sensitive to change changes. We aim to study changes of SOC fractions, by means of physical separation, chemical separation, solid-state 13C NMR and PLFA, in response to precipitation changes in this typical climax forest in subtropical China. The results will provide scientific data supports for understanding the mechanisms of SOC accumulation in forests and estimating soil carbon sink potentials in forests in southern China.

土壤有机碳形态结构特征是解释森林土壤碳积累的关键之一，了解土壤有机碳形态结构与环境变化的关系是预测未来气候变化条件下森林土壤碳汇潜力的基础。长期的观测数据表明，在过去三十年里，我国南亚热带区域年降雨总量变化不大，但降雨频度和强度发生明显变化。降雨格局改变及其引发的土壤和水文过程的变化极有可能引起土壤有机碳形态结构发生变化，从而影响该区域森林土壤碳积累过程。据此，本项目选择对气候变化敏感的南亚热带季风气候区的地带性森林作为研究对象，依托鼎湖山的降水格局改变人工控制实验平台（实验处理：a.全年总降水量不变，降水次数增加；b. 年降水量减少50 %；c. 对照），运用物理分组、化学分组、分子技术（13C固体核磁共振）和磷脂脂肪酸等测定方法，研究南亚热带森林在降雨强度、频度改变格局下土壤有机碳形态结构特征，为揭示森林土壤有机碳积累机制和估算降水变化背景下森林土壤碳汇潜力提供数据支撑和科学依据。

近几十年来，我国南亚热带地区年均降雨量变化不大，但降水格局和季节性分配正在发生变化。南亚热带常绿阔叶林是目前我国最大的“碳汇”，对整个区域的碳平衡起着至关重要的作用。因为水是生态系统中物质循环的驱动因子，那么在降水变化的背景下，其碳汇潜力将如何变化，当前的研究仍然不能给出令人满意的答案。据此，本项目选择对气候变化敏感的南亚热带常绿阔叶林作为研究对象，进行野外人工降雨操作改变降雨强度（降雨频率增加但总降雨量不变）和降雨量（降雨量减少50%），采用多种有机碳分组方法和微生物群落分析等技术，探索南亚热带常绿阔叶林土壤有机碳组分对降水变化的响应。(1) IRF处理下土壤湿度高于AR，DRA处理的土壤湿度低于AR；降水处理的土壤pH值均低于AR；降水处理的土壤有机碳、全氮和全磷含量高于AR；(2) 土壤总有机碳、惰性有机碳和活性有机碳具有明显的土壤垂直剖面分布规律，随着土壤深度加深，各有机碳组分含量降低。降水强度和降水量的改变，均能引起土壤中有机碳组分积累的变化，降水强度变小，使土壤侵蚀变弱，有利于土壤中有机碳组分的积累。旱季，土壤中可溶性有机碳减少，土壤中微生物活动减弱，土壤中的有机碳对比雨季呈积累趋势，并且土壤中的活性有机碳（易氧化有机碳、轻组有机碳）比重降低，惰性有机碳（不易氧化有机碳、重组有机碳）比重升高。不同的降水改变处理对土壤有机碳矿化过程具有显著不同的影响；(3) 短期的降水改变处理不影响土壤微生物量，但影响各土壤微生物功能群的相对丰度，进而影响土壤微生物群落结构（如真菌细菌比等）和功能（有机碳分解），这些变化与降水操作引起的土壤性质和养分供应变化有关。由于土壤微生物是土壤有机碳分解的主要驱动者，不同的微生物类群对碳基质的偏好不同，因此，微生物群落的变化极有可能直接导致土壤有机碳库存及储存形态的变化。研究结果将为估算降水变化背景下南亚热带常绿阔叶林碳汇潜力提供科学依据和数据支撑。