中国东北不同纬度阔叶红松林地下有机碳形成机制

The formation mechanisms of belowground organic carbon in forest ecosystems are largely unknown. Therefore, we will use the knowledge of global change biology, pedology and ecology to study the formation mechanisms of belowground organic carbon in broadleaved Korean pine (Pinus koraiensis) forests along a latitudinal gradient in Northeast China. More specifically, soil density fractionation method, minirhizotron technique, litterbag method and phospholipid fatty acids (PLFAs) technique will be used to study the spatiotemporal variations of soil light fraction and heavy fraction organic carbon content, forest floor mass, biomass of coarse roots and live and dead fine roots of different parts of belowground organic carbon, and the processes of input and output of the belowground organic carbon in different broadleaved Korean pine forests along a latitudinal gradient in Northeast China. Additionally, we will also discuss the interactions between biological and environmental factors, such as structure and function of soil microbial organism, forest community structure, air temperature and soil temperature and water content, etc., and the spatiotemporal patterns and the processes of input and output of belowground organic carbon. Thus, we will illustrate the predominant factors controlling these formation processes of belowground organic carbon, and finally reveal the formation mechanism of belowground organic carbon in different broadleaved Korean pine forests along the latitudinal gradient in Northeast China. Through above researches, we hope to provide sound knowledge for predicting the potential capacity of carbon sink and emission of broadleaved Korean pine forests in Northeast China and their responses and adaption to the future global warming.

本项目拟选择中国东北不同纬度阔叶红松林为研究对象，围绕不同纬度阔叶红松林地下有机碳形成机制这一关键科学问题，应用全球变化生物学、土壤学及生态学等领域的知识，利用土壤组分分离法、微根窗法、网袋法、磷脂脂肪酸法等技术，比较研究不同纬度阔叶红松林土壤轻组与重组有机碳含量、地面凋落物残留量、粗根与活的和死的细根生物量等不同地下有机碳组成部分时空变化规律以及地下有机碳输入与输出量及过程，探讨土壤微生物结构与功能、森林群落结构、气温、土壤温度与含水量等生物环境因素与地下有机碳时空分布、输入与输出量及过程之间的相互关系，阐明影响不同纬度阔叶红松林地下有机碳形成过程的主要因素，揭示不同纬度阔叶红松林地下有机碳形成机制，为准确预测阔叶红松林生态系统碳排放与固存以及对未来全球气候变暖的响应与适应提供科学依据。

地下有机碳是陆地生态系统碳分配与转化的核心部位，了解地下有机碳输入与输出过程以及形成机制对准确评估全球陆地生态系统碳循环具有重要意义。阔叶红松林作为中国东北地区主要林型，由于缺乏对其地下有机碳形成机制的认识， 严重制约了我们对阔叶红松林碳循环及对未来气候变化响应的预测能力。本项目以阔叶红松林为对象，比较研究了不同纬度不同海拔阔叶红松林群落结构，土壤轻组、重组和总有机碳含量、地面凋落物残留量、细根生物量等不同地下有机碳组成部分时空变化规律以及地下有机碳输入与输出量及过程，探讨了土壤微生物结构与功能、群落结构、土壤含水量等生物环境因素与地下有机碳时空分布、输入与输出量及过程之间的相互关系。研究结果发现：随着纬度的增加，红松的密度升高而榆和桦的密度和胸面积减少。在长白山，细根生物量和生产力随着海拔升高而降低。凋落物量随着海拔升高而降低，而地面凋落物残留量则相反。叶和细根凋落物分解速率随着海拔升高而降低。随着纬度增加，阔叶红松林细根周转率，以及叶和细根凋落物，土壤轻组、重组和总有机碳分解率逐渐减少，主要原因是纬度的增加，导致气温和土壤含水量逐渐降低，土壤真菌与细菌磷脂脂肪酸含量比值逐渐增加，使得随着纬度的增加而降低了土壤养分的矿化率，减少了土壤养分有效性，最终降低了细根周转率以及叶和细根凋落物，土壤轻组、重组和总有机碳的分解率。此外，群落胸面积、土壤微生物Ｃ和Ｎ，土壤细菌、真菌和总磷脂脂肪酸含量显著影响细根生物量和生产量，凋落物量和地面凋落物残留量，土壤轻组、重组和总有机碳含量，以及地下有机碳输入与输出量。总之，通过本项目的研究，阐明了不同纬度不同海拔阔叶红松林地下有机碳重要组成部分时空动态规律，揭示了不同纬度不同海拔阔叶红松林地下有机碳形成机制，为准确预测阔叶红松林生态系统碳排放与固存以及对未来全球气候变暖的响应与适应提供科学依据。