亚热带森林土壤氮梯度、植物养分与土壤有机质来源变化耦合关系

Nitrogen deposition is one of the important environmental issues in China. Nitrogen deposition can increase the nitrogen concentration in leaves in forest ecosystems and therefore could increase the productivity if the growth is limited by soil nitrogen under these forests. On the other hand, nitrogen deposition often acidifies forest soils and leads to the loss of soil cations and the fixation of soil phosphorus. Soils under subtropical forests in China are highly wearthered and the growth of the subtropical forests can be limited by soil phospherus and cations. As the result, the nitrogen depostion may impair the forest productivity and/or change the allocation pattern of biomass between underground and aboveground, and therefore alter the sources and quantity of soil organic matter. In this proposal, we will monitor the productivities of subtropical boadleaved forests along the gradients of soil nitrogen, the foilar nutrients and the sources of soil organic matter. We also set up a nitrogen addition experiment in a broadleved natural regenerated forest in order to understand the correlations among nitrogen additions, plant nutrients and the sources of soil organic matter. This potential study may help to understand the mechanisms of soil carbon cycling in terrestral ecosystems and the key processes of soil carbon cycling as well as the driving forces for carbon sources and sinks.

氮沉降是当今中国的一个重要的环境问题，氮沉降到森林生态系统能增加植物的叶氮含量，因而在植物生长受氮限制的地区，氮沉降可促进森林植物生产力。另一方面，氮沉降可能造成土壤酸化，导致阳离子流失和土壤磷的固定而活性铝离子的增加。亚热带森林由于土壤高度风化，土壤磷和钙镁等阳离子缺乏，因此氮沉降有可能对森林生长不利，或改变植物光合作用在地上地下部分的分配。而森林生产力的下降或森林地上地下部分有机质对土壤输入的改变都可能影响土壤有机质的来源和数量。本研究通过监测不同土壤氮水平的亚热带次生常绿阔叶林的生产力，植物养分浓度和土壤有机质来源的变化，结合控制实验，试图阐明大气氮沉降，植物养分与森林土壤有机质来源变化的耦合关系，为深入开展陆地生态系统土壤碳循环机制、关键过程和碳源汇格局及其驱动机制的研究提供理论支持。

过去60年，我国大气氮沉降水平一直在增加，而氮沉降如何改变我国森林的生产力、土壤的碳和养分含量，是目前林学科研工作者关注的重要课题。在本项目的支持下，我们研究了过去60年来我国亚热带森林植物与土壤中有机碳含量、养分含量及养分计量化学比的变化，以及这些变化和大气氮沉降的关系。发现过去60年，我国亚热带森林土壤中磷含量出现显著下降，碳磷比和氮磷比都显著上升，而氮沉降是驱动土壤磷含量下降的关键因子。对于森林植物，氮沉降显著降低了叶片中镁的浓度，但增加了叶片中钾的浓度。亚热带次生林土壤中执行自氧硝化过程的主要微生物是铵氧化古菌，而不是铵氧化细菌和完全硝化菌。土壤中铵氧化古菌的丰度是铵氧化细菌的20倍左右，也比完全硝化菌的丰度高出100倍，氮沉降增加了土壤中铵氧化古菌和完全硝化菌的丰度，但降低了铵氧化细菌的丰度。还项目组还研究了森林采伐剩余物对土壤有机碳的影响，发现在粘粒含量高的土壤中，采伐剩余物对土壤有机质的提升效果不明显，而对沙粒含量高的土壤，保留采伐剩余物则能显著提升土壤的有机碳水平。相关的研究结果对于指导我国亚热带森林的经营，提升亚热带森林的生产力和土壤碳汇、氮保留能力等生态系统服务具有较为重要的参考价值。