土壤水分和氮沉降影响下典型温带森林光合作用对土壤呼吸的调控规律研究

Forest soil respiration is an important source of atmospheric CO2. Previous researches always stressed the impacts of soil temperature and soil moisture on the soil respiration and neglected the supplies of recent photosynthate on soil respiration. So these approaches were with shortcoming in mechanism and impacted the precision of the estimation and prediction of soil respiration. The fluctuation in rainfall and increase in nitrogen deposition, which are the two main aspects of global change, also increase the uncertainty of conventional methods of estimating soil respiration. This proposal will aim at the broad-leaved Korean pine mixed forest in Changbai Mountain. Under the different artificial conditions of soil moistures and nitrogen addition to the three dominant tree species (Pinus koraiensis, Fraxinus mandshurica, Quercus mongolica), the effects of meteorological factors, soil moisture and nitrogen and tree species and height on the regulating characteristics of recent photosynthesis on soil respiration will be studied by monitoring soil CO2 flux and its carbon isotope concentrations following the crown shade and/or isotope label on photosynthesis, combining the measurements on meteorological factors, root features and the simulation of crown and canopy photosynthetic productivity. Time lag and contribution of photosynthesis on soil respiration (together called response fuction) will be used as the regulating indexes of recent photosynthesis on soil respiration. The empirical formula of the regulation will be established for dominant tree species, and then integrated to that of forest canopy. The formula will be tested and verified with the longterm measurements at sites. This study is expected to provide more elaborate scientific basis for carbon release from forest sites.

土壤呼吸是大气CO2的重要来源，以往土壤呼吸研究中强调了土壤温、湿度的影响，忽略了光合作用提供的新近光合产物对土壤呼吸的调控作用，导致机理性缺陷，影响了土壤呼吸估算和预测的准确性，随着全球变化影响下降水的波动和氮沉降增加，加剧了土壤呼吸传统计算方法的不确定性。针对上述热点科学问题，本申请拟以长白山阔叶红松林为研究对象，通过主要树种（红松、水曲柳、蒙古栎）不同水分和氮添加条件下树冠遮光实验和同位素标记实验，测定根区土壤自养和异养呼吸及其碳同位素的动态变化，结合根系、气象要素以及光合生产力的观测，以根源呼吸对光合作用的响应强度和时间分布（合称响应函数）为评价指标，探讨主要树种光合作用对土壤呼吸的调控特征与气象条件、土壤水氮含量、树种和树高的定量关系，并根据森林群落结构，整合建立森林冠层的光合作用调控土壤呼吸的经验公式，利用森林样地长期观测数据进行检验，为准确理解森林土壤碳排放机制提供科学基础。

土壤呼吸是大气CO2的重要来源，以往土壤呼吸研究中强调了土壤温、湿度的影响，忽略了光合作用提供的新近光合产物对土壤呼吸的调控作用，导致机理性缺陷，影响了土壤呼吸估算和预测的准确性，随着全球变化影响下降水的波动和氮沉降增加，加剧了土壤呼吸传统计算方法的不确定性。针对上述热点科学问题，本项目以长白山阔叶红松林为研究对象，通过主要树种不同水分和氮添加条件下树冠遮光实验和同位素标记实验，测定根区土壤自养和异养呼吸及其碳同位素的动态变化，结合根系、气象要素以及光合生产力的观测，对光合作用影响土壤呼吸的特征进行了研究，得到如下结果：.（1）生长季初期与中期，遮荫导致土壤呼吸日总量降低了25—40%，生长季末期土壤呼吸对遮荫响应不明显，施氮对此下降率的影响也不明显。.（2）光合产物的不同阻断方法（摘叶、环剥）对土壤呼吸均有明显的降低效应， 3个月的实验期间，摘叶和环剥的土壤呼吸最大降低率分别为44%、56%，平均降低率分别为32%及40%。.（3）主要树种叶片昼夜呼吸存在明显差异，对林冠总初级生产力计算结果有显著影响，Kok和Laisk两种方法得到的叶片暗呼吸的光下抑制率分别介于31%—71%和32%—68%之间（平均值分别为55.9%、52.6%），两者无显著差异。日间呼吸相对于夜间呼吸的抑制率随光照强度增加按指数规律下降，随土壤有效水分的增加近似线性降低。将此结果扩展应用到长白山原始阔叶红松林，结果表明，如果忽略日间叶片呼吸的抑制性，林冠呼吸Re和总初级生产力GPP高估20.4% 和 4.6%。.（4）光合作用影响土壤呼吸的滞后时间随树高按双曲线函数上升，光合作用对土壤呼吸的贡献率随生长季进程发生变化，呈生长季初期和末期低、中期高的特征，进而得到森林冠层的光合作用调控土壤呼吸的经验公式，模拟结果与实际观测值的相关系数为0.68。