老龄林碳汇分配及其稳定性碳同位素的生态表征--以长白山阔叶红松林为例

Based on global network of eddy covariance tower sites （FLUXNET）, we have reached good understanding of the characteristics of carbon budget for the dominant forest types in the terrestrial ecosystem. However, there are still two key scientific questions need to be explored. Firstly, what is the allocation strategy for sequestered carbon to vegetation and soil carbon in old-growth forest? And secondly, what is the spatio-temporal pattern of stable carbon isotope in forest, and what are their ecological implications to climatic and environmental impacts in the process of carbon exchange? To explore these questions, we plan to conduct long-term online stable carbon isotope profile observation in the mixed forest of broadleaved and Korean pine forest, combining field investigation, laboratory analysis and long-term CO2 fluxes observation. This study aims to reveal the carbon allocation strategy of old-growth forest and weather the forest could take up carbon steadily over a long term. And moreover, we want to explore that what’s the ecological implication of 13C to climatic and environmental impacts in the process of carbon turnover in forest. The final results could deep the understanding of the stability of sequestered carbon in old-growth forest, and provide scientific guidance for the application of stable carbon isotope technique in study of carbon cycle.

通过多年基于通量站的区域联网观测，科学家对全球主要地带性植被的碳汇大小已有了初步定量认识，近年来同位素技术的运用又为碳通量过程的精准解析提供了可能。目前在森林碳循环研究领域仍有两个关键科学问题有待回答：（1）老龄林固定的碳在植被和土壤之间如何分配？（2）森林固碳过程中大气、土壤和植被的稳定性碳同位素如何变化及其对碳循环过程有何生态表征性？为回答这些问题，以长白山阔叶红松林为研究对象，在已有10余年碳通量观测的基础上，重点开展林内大气13C同位素廓线特征和生态系统各组成碳库13C丰度测定以及碳周转过程中13C分馏效应测定；通过碳汇形成及再分配过程中同位素分馏与廓线特征分析，揭示老龄林固定碳的碳汇流向、碳库组成以及森林循环过程中稳定性碳同位素对气候与环境影响的生态表征性。预期成果对评价气候变化情景下老龄林碳汇功能的稳定性具有重要意义，同时也为同位素技术在森林碳循环中的运用提供科学指导。

近年来同位素技术的运用为碳通量过程的精准解析提供了可能。本想研究针对森林固碳过程中大气、土壤和植被的稳定性碳同位素如何变化及其对碳循环过程有何生态表征性这个科学问题，以长白山阔叶红松林为研究对象，重点开展林内大气13C同位素廓线特征和生态系统各组成碳库13C丰度测定以及碳周转过程中13C分馏效应测定；通过碳周转过程中同位素分馏与廓线特征分析，揭示老龄林碳库组成以及森林循环过程中稳定性碳同位素对气候与环境影响的生态表征性。项目学术成果：在林分尺度上，系统的揭示了揭示了阔叶红松林的碳库组成及碳循环过程中的稳定性同位素13C分馏效应和变化特征，为解析森林大气、土壤和植被稳定性碳同位素分布特征提供了科学支撑；首次揭示了森林土壤自养呼吸和异氧呼吸过程中同位素分馏效应的差异，为定量评价森林土壤呼吸组分提供了新的思路，对土壤碳循环研究具有较高的参考价值；揭示了稳定性碳同位素在森林碳循环过程中对于气候与环境影响的生态表征，特别是通过树木年轮早晚材的同位素特征，发现相对于轮宽指数，树轮早晚材的13C丰度对森林生产力的表征性能更为显著。在区域尺度上，综合分析了不同区域树木叶片同位素变化，指出树叶δ13C与年平均降水量的关系仅在温带干旱气候区显著正相关，而在其他气候区显著负相关。在暖温带和极地气候区，树叶δ13C与年平均温度（MAT）显著负相关，而在暖温带与冷温带气候区，δ13C则与海拔高度呈正相关；在特定气候条件下叶片δ13C值的大小通常取决于其功能型；构建了一个包含MAT、MAP和海拔的简单回归模型，该模型可预测45%的树叶δ13C变化。上述成果对深入解析森林碳循环过程与机制，提高碳循环模拟精度提供了重要的理论依据，同时也为同位素技术在森林碳循环中的运用提供科学指导。具体成果：项目发表论文10篇 （SCI6篇），申请发明专利1项，培养博士研究生1名。