光合产物供应对树干表面CO2通量及其温度敏感性影响的机理研究

Stem CO2 efflux, an important component of the forest ecosystem carbon cycle, has received considerable attention. However, there remains a lot of uncertainty about the impact of photosynthate supply on stem CO2 efflux and its temperature sensitivity. Additionally, based on the Michaelis-Menten equation, apparent temperature sensitivity of respiration is controlled by substrate availability. However, the theory has not been well verified in the field experiment. We will conduct this project in the Chinese fir plantation, which is the most widely distributed in subtropical China. We will alter the substrate availability via pruning of canopy and girdling of stem, and measure stem CO2 efflux and non-structural carbon. The study will be conducted from the multi- position (up and down position of stem), muti-orientation (the north and south orientation), multi-stage (growing season and non-growing season), and multi-species (evergreen and deciduous tree species) to study deeply the impact of pruning and girdling on non-structural carbon transmission, distribution, further stem respiration process and its temperature sensitivity. The objectives of this project are to investigate the response of the stem respiration to substrate availability, reveal the impact of substrate availability on the temperature sensitivity of stem respiration, which are crucial to understanding the mechanisms of forest ecosystem carbon cycles, estimating forest carbon balance, improving the process-based carbon cycle model.

树干呼吸作为森林生态系统碳循环的重要组成部分受到广泛关注。然而，光合产物供应对树干呼吸的影响及其机制依然存在很大的不确定性。此外，基于Michaelis-Menten方程的理论认为底物供应影响呼吸的温度敏感性，但是在实验中并没有得到很好的验证。本研究拟以杉木人工林（纯林和混交）为例，通过修枝和环剥改变光合产物供应，测定树体中非结构性碳的格局与动态变化，监测树干表面CO2通量，从不同部位（树干上下位置），不同方位（南向和北向），不同阶段（生长季和非生长季）等角度探讨修枝和环剥对非结构性碳的传输、分配及转化的影响，进而对树干表面CO2通量的影响，验证基于Michaelis-Menten方程理论的科学假设。本项目旨在阐明底物供应对树干表面CO2通量影响的内在机制，揭示树干表面CO2通量温度敏感性对底物供应的响应机理，为森林生态系统碳循环研究提供理论基础，为改进和完善碳循环估算模型提供数据支撑。

树干呼吸作为森林生态系统碳循环的重要组成部分受到广泛关注。作为树干呼吸重要组分的树干表面CO2通量，其与光合产物供应的关系还存在很大的不确定性。此外，基于 Michaelis-Menten 方程的理论认为随着底物供应的增强，呼吸的温度敏感性也将随之增加，然而这并未在树干呼吸研究中得到验证。本项目以杉木人工林（纯林和混交林）为研究对象，通过修枝和环剥改变光合产物供应，研究其对树干表面CO2通量以及温度敏感性的影响机制。结果发现修枝显著降低了树干表面CO2通量。相比于对照，修枝导致树干表面CO2通量下降14%，其原因可能是修枝降低了光合产物供应和分配，导致树干下部生长的降低，进而降低了树干表面CO2通量。尽管如此，本研究并未发现修枝对Q10值的影响，其原因可能是修枝对光合产物供应的影响是有限的。为加大光合产物供应改变的强度，本项目采用环割的方法彻底阻断光合产物向下传输，并将树种扩展到杉木和枫香两个树种，并在不同季节进行环剥。结果发现，环剥对树干表面CO2通量及其Q10值的影响因树种和季节而变。对枫香而言，在生长季进行环剥，非结构性碳含量和树干表面CO2通量均呈现出在环剥位置以上增加而在环剥位置以下轻微下降的趋势，而且环剥位置以上的Q10值（4.6±0.4）相比于对照（2.4±0.5）显著增加，而环剥位置以下（1.3±0.4）虽统计不显著，但下降明显，这验证了基于Michaelis-Menten方程的科学假设。在非生长季进行环剥，非结构性碳含量和树干表面CO2通量及其Q10值均未显著变化。对杉木而言，在生长季进行环剥，树干表面CO2通量呈现出在环剥位置以上先增加后降低而在环剥位置以下则轻微下降的趋势，而非结构性碳含量和树干表面CO2通量的Q10值均没有显著变化。在非生长季进行环剥，树干表面CO2通量呈现与生长季类似的变化趋势，但环剥位置以上的淀粉含量显著增加。此外发现，相比于对照，环剥位置以上的Q10值显著增加，而环剥位置以下则没有显著差异。本项目的实施阐明了光合产物供应对树干表面 CO2通量及其温度敏感性的影响机制，验证了基于Michaelis-Menten方程的科学假设，建议在树干呼吸估算模型中考虑底物有效性对温度敏感性的影响，可有效改进和完善碳循环估算模型的精度。