南亚热带森林土壤呼吸及其组分对增温的响应机理研究

Soil respiration is the main efflux of carbon pool from soil to atmosphere. Subtle change of soil respiration caused by warming can result in significant change in global carbon balance. Responses of soil respiration components to climate warming may be different, since the components differ in occurrence sites and sources of carbon. Thus, it is essential to partition and quantify soil respiration components and their contributions to soil CO2 emission for deeply understanding the carbon cycles in forest ecosystem under global warming. Basing on the translocation experiment at Dinghushan Forest Ecosystem Research Station, in situ CO2 flux from soil of three different subtropical forests was measured by using static chamber-gas chromatograph technique firstly. Then we aim to partition and quantify the soil respiration components (SOM-derived respiration and root-derived respiration) and their contribution to the total soil respiration by using the carbon isotope measurements, and their different of response pattern to warming was further compared. Finally, we will also try to clarify how the responses of these two components to warming in subtropical forest from the perspective on the morphological structure of plant roots, microbial community composition, extracellular enzyme activities and soil organic carbon components. The results will provide basis data support to carbon balance estimation, and give scientific basis for the ecosystem models verification under the effect of climate change.

土壤呼吸是土壤碳库向大气碳库输入的主要途径，而气候变暖会影响土壤呼吸从而改变全球碳平衡。由于土壤呼吸各组分发生的部位与所利用的碳源不同，其对增温的响应也存在显著差异。因此，准确区分和量化土壤呼吸组分及其对土壤CO2排放的贡献是深入了解气候变暖背景下森林生态系统碳循环过程的基础。本项目基于在鼎湖山森林生态系统定位研究站建立的野外大型模拟增温实验平台，首先应用静态箱-气相色谱法，研究增温对南亚热带不同森林类型土壤总呼吸的影响；进一步通过稳定同位素技术区分和量化土壤有机质呼吸和根源呼吸组分对土壤总呼吸的贡献，并探讨增温对两种组分贡献率的影响；最后从植物根系形态结构特征、微生物群落结构及酶活性、土壤有机碳组分等角度，阐明南亚热带森林生态系统土壤呼吸及其组分对增温的响应机理。研究结果将为气候变化条件下全球碳平衡的估算，以及生态模型参数的验证提供基础数据和科学依据。

自工业革命以来，全球气温上升了1℃。由大气中温室气体浓度增加导致的全球气候变暖可能促进土壤碳的排放，形成一个正反馈机制。热带亚热带森林在陆地生态系统的碳汇中发挥着重要作用，全球气候变暖已经对这些生态系统功能产生了显著的影响。土壤呼吸是陆地生态系统向大气输送二氧化碳的最大通量，逐渐加剧的全球气候变暖可能会影响森林土壤CO2排放量。目前土壤呼吸组分（自养呼吸及异养呼吸）对温度升高的敏感性和具体的响应机制的复杂性是准确评估全球碳循环应对未来气候变暖的主要挑战之一。因此，准确区分和量化土壤呼吸组分及其对土壤CO2排放的贡献是深入了解气候变暖背景下森林生态系统碳循环过程的基础。本项目选择位于鼎湖山森林生态系统定位研究站内的南亚热带典型森林为研究对象，并依托站内已经建立并延用多年的长期模拟增温实验平台，利用同位素13C自然丰度法区分和量化土壤呼吸及其组分（异养呼吸和根源呼吸），探讨不同组分对增温的响应规律及其变化机制；侧重研究增温如何通过影响相关驱动因子，从而改变不同组分在土壤总呼吸中的贡献量并调控土壤CO2的排放。研究结果表明，增温促进了山地林地表CO2排放，主要原因是增温促进了自养呼吸，这与植物细根生物量和产量的增加有关，由于土壤微生物在增温处理下的群落组成发生变化，可能出现了热适应，导致增温对异养呼吸没有影响。因此增温处理下自养呼吸比异养呼吸对增温的响应更敏感，自养呼吸的温度敏感性是土壤呼吸对增温正响应的主要驱动因素。此外，增温对地表CO2排放通量的促进作用可能会导致未来气候变暖情况下南亚热带森林大气温室气体浓度增加，进一步加剧全球温室效应。但随着长期升温时间的延续，可能会限制植物的生长和微生物的适应，最终会减弱这些效应。研究结果为准确定量评价我国森林生态系统碳收支，以及预测我国森林生态系统在未来气候变化中的碳动态提供数据支持和科学依据。