热带山地雨林土壤有机碳库对氮磷添加的响应及其微生物学机制

Tropical rainforests play an important role in maintaining global carbon budget and regulating climate. The formation and decomposition of soil organic carbon (SOC) are the crucial regulating steps of soil carbon balance. Preliminary understanding of the effects of nitrogen and phosphorus addition on the dynamics of SOC pools has been gained, yet we know little about the role of the main functioning groups of soil microorganisms. Here we proposed to use a field experimental facility of nitrogen and phosphorus addition in a tropical montane rainforest at Jianfengling, Hainan, combining the cutting-edge techniques in the studies of soil carbon and microbiology. We will investigate the effects of nitrogen and phosphorus addition on the dynamics of SOC pools and soil microbial activities and functioning. We will also quantify the relative importance of biotic and abiotic factors on the dynamics of SOC pools. The designed research contents are the effects of nitrogen and phosphorus addition on the relative content of different physical fractions, chemical components and turnover of SOC pools, and on the community activities, components and functioning of the main functioning groups of soil microorganisms. The project will illustrate the microbial regulating mechanisms of the effects of nitrogen and phosphorus addition on the dynamics of SOC pools, and will improve our theoretical understanding of the responses of the SOC formation and decomposition to global change.

热带雨林在维持全球碳平衡和调控气候等方面发挥着极其重要的作用。土壤有机碳的形成和转化是重要的调控环节，外源氮磷添加对土壤碳库动态的影响已有初步认识，但缺少土壤微生物功能群的证据。本申请利用在海南尖峰岭热带山地雨林建立的“氮磷添加”控制实验平台，结合土壤碳和微生物研究最新技术，试图回答：1)氮磷添加如何影响土壤碳库动态；2)氮磷添加如何影响土壤微生物群落活性和功能；3)生物和非生物因子对不同组分土壤碳库动态的相对解释率。为此，设计的研究内容为：1)氮磷添加对不同组分土壤碳库的相对含量、化学组成和周转的影响；2)氮磷添加对土壤微生物主要功能群的群落活性、组成和功能影响。通过这些研究，揭示外源氮磷添加对土壤碳库动态影响的微生物学机理，为加深认识热带雨林SOC形成和转化对全球变化的响应提供理论依据。

土壤有机碳周转是调控全球碳平衡的重要环节。土壤微生物在有机碳形成和分解过程中起关键作用。近年，全球变化日益加剧，如大气二氧化碳浓度升高、活性氮沉降增加、全球变暖以及降雨格局的改变，研究土壤微生物主要功能群的活性和功能及其如何驱动并控制有机碳的动态变化具有重要的科学意义。本项目利用多种方法评估了土壤有机碳对外源养分添加响应的微生物机制，以海南尖峰岭热带山地雨林为研究对象，同时与亚热带山地雨林、高寒草地生态系统及其他的生态系统对比，采用联网实验和荟萃分析结合的方法，系统研究了外源氮磷添加对土壤微生物群落功能的影响，外源氮磷添加对土壤微生物群落碳和养分限制的影响以及生物多样性和生态系统功能的关系。结果发现土壤微生物群落活性对外源氮磷添加以及其他的全球变化因子无显著响应，表明土壤微生物活性并不能很好的表征土壤有机碳变化。尽管如此，土壤微生物分泌的胞外酶活性能很好的表征大尺度土壤微生物碳和其他养分限制，同时我们发现外源养分的添加对土壤微生物微生物碳和养分限制的贡献很小。该项目还发现控制不同组分外源碳的输入对土壤微生物群落组成的影响取决于微生物类群，同时会降低微生物群落功能，说明微生物群落结构和功能耦合关系比较弱。理论研究同样发现，生物多样性和生态系统功能的关系有正，有负，也有不相关。本项目对于探寻土壤有机碳分解的微生物机制提供了新的证据，同时也揭示了生物群落结构和功能耦合关系的复杂性。