植物多样性对森林土壤有机碳库组成和周转的影响

Soil organic carbon (SOC) is a key component in global carbon cycles and terrestrial ecosystems. Under global changes, rapid loss of plant biodiversity has direct and indirect consequences for SOC turnover and storage. However, it is largely unknown how SOC composition and stability respond to biodiversity shifts in forests, which severely constrains an accurate assessment of forest SOC dynamics in the future. To fill the knowledge gap, we propose to make use of the soil sampled from the comparative study plots setup in the BEF-China project in Gutianshan National Nature Reserve (GNNR), which encompass a natural plant biodiversity gradient with a stable and homogeneous community structure. Employing source-specific biomarker, natural-abundant 14C in combination with soil fractionation methods, we propose to investigate the effects of plant biodiversity shifts on the biological origin, composition and turnover of SOC at different depths in this subtropical forest. Coupled with long-term monitoring data of environmental parameters, we will utilize pathway analysis to disentangle mechanisms regulating the response of SOC to plant biodiversity changes. The results of this project will reveal dynamic changes to the composition and turnover of forest SOC under plant biodiversity variations, providing theoretical basis for an accurate estimate forest SOC stocks in the future.

土壤有机碳（SOC）是全球碳循环和陆地生态系统的重要组成部分；在全球变化背景下，植物多样性的锐减直接和间接的影响着SOC的周转和固存。然而植物多样性的下降对森林SOC组成和稳定性的影响尚不明确，这严重制约了对未来森林土壤碳库变化的准确评估。本项目拟利用古田山BEF-China实验平台上具有稳定物种组成的天然多样性梯度，以不同深度的土壤为研究对象，运用自然丰度14C和生物标志物，结合土壤碳库的综合分组方法，研究森林植物多样性对表层和深层SOC的生物来源、碳库组成及周转的影响；结合样地长期监测的环境数据，利用路径分析的统计方法，阐明植物多样性对土壤碳周转的影响机制。本项目将在机理上系统地揭示森林SOC的组成和周转对植物多样性改变的响应，为精确计量和预测森林土壤碳汇潜力奠定重要的理论基础。

众所周知，植物多样性对生态系统碳汇功能具有重要影响。土壤比地上植被储存了更多的有机碳，对调控生态系统碳的固持和影响全球碳循环有至关重要的作用。尽管已有大量研究发现，在草地生态系统中，植物多样性显著提高了土壤有机碳（SOC）的储量，然而植物多样性对森林SOC组成和稳定性的影响尚不明确，这严重制约了对未来森林土壤碳库变化的准确评估。本项目利用古田山BEF-China实验平台上具有稳定物种组成的天然多样性梯度，以不同深度的土壤(表层：0-10cm；底层：30-40cm)为研究对象，运用自然丰度14C和生物标志物，结合土壤碳库的综合分组方法，研究了森林植物多样性对表层和深层SOC的生物来源、碳库组成及周转的影响，阐明了植物多样性对土壤碳周转的影响机制。.主要研究结果如下：（1）在森林土壤中，表底层的SOC含量均随植物多样性的增加而提升；（2）指示植物来源的生物标志物——木质素酚含量仅在表层土壤随植物多样性增加；而指示微生物来源的生物标志物——氨基糖含量在表底层土壤均随植物多样性提升；（3）植物碳主导的组分——轻质组分（LF）和颗粒有机质组分（POM）以及微生物碳主导的组分——矿物结合有机质组分（MAOM）的有机碳含量均随植物多样性增加；（4）植物多样性调控土壤有机碳在两个深度的保存路径有很大差异。在表层土壤，植物来源的成分更重要的贡献了土壤有机碳的增加，而且凋落物性质对表层有机碳的积累有重要作用，因此植物路径主导了表层土壤有机碳随植物多样性的积累。相比之下，在底层土壤中，植物多样性通过调控底物的可利用性，显著提高了微生物组分的浓度，而植物组分不受植物多样性的影响，因此微生物来源的成分调控了底层土壤有机碳的积累，即微生物路径；（5）植物多样性加速了表层POM中有机碳的周转。本项目在机理上系统地揭示森林SOC的组成和周转对植物多样性改变的响应，深入理解生物多样性与森林生态系统碳汇功能的关系提供了新的证据。