改变碳输入对杉木林土壤碳库构成及CO2通量的影响

凋落物和根系是森林土壤有机碳的主要来源。然而，迄今为止，对凋落物分解和根系周转这两种碳输入途径如何影响土壤碳库和碳循环的有限理解，限制了我们深入研究森林生态系统碳循环对全球气候变化的响应与反馈。本项目以我国亚热带广泛分布的杉木林为对象，应用NMR、δ13C丰度法、生物学等方法，通过DIRT定位实验来改变土壤碳输入，观察杉木人工林土壤碳库各个组分(微生物量碳、水溶性碳、轻重组碳、活性碳、总有机碳)、土壤碳释放过程(微生物呼吸、凋落物呼吸、根系呼吸、土壤呼吸) 及土壤碳结构类型与稳定性的变化，来区分和量化凋落物和根系对土壤碳库和呼吸的相对贡献，探讨碳输入改变对土壤碳库和循环的影响，深入剖析土壤碳释放与碳库组分及碳稳定性的关系。本项目的实施不仅有助于揭示在全球变化背景下亚热带人工林生态系统土壤碳库和碳循环的响应机制，还能为预测其未来变化动态以及对全球气候变化的反馈提供参数估计和模型校正。

根据项目研究计划，经过三年的实施，该项目完成了预定的研究内容和目标，并额外研究了土壤微生物学机理，使得该项研究能更深入地揭示全球变化背景下我国亚热带杉木人工林土壤碳循环的生物学响应机制。主要研究了以下三个方面的内容：1）定期采集土壤样品，分析微生物量碳、水溶性碳、活性有机碳、难分解有机碳、全碳等碳库组分，并测定了全氮、全磷、速效氮、有效磷、pH等土壤基本化学性质；测定了土壤有机碳的13C NMR图谱和δ13C；2）长期定期定点测定土壤呼吸、凋落物呼吸、根系呼吸，分析了其动态变化和各组分对土壤总呼吸的相对贡献，同时测定了土壤温度、含水量等土壤环境参数；3）测定了土壤微生物群落结构、土壤线虫等的变化。.在全球变化背景下，森林生态系统生产力和凋落物生产的变化会影响土壤碳循环。该项目主要针对我国南方杉木人工林生态系统，采用残落物添加与去除长期控制实验，研究了土壤碳库各组分释放的变化，区分和量化了地上凋落物和地下根系对土壤碳库各组分、土壤呼吸和微生物的相对贡献。该项目在三年内主要取得了以下几方面的研究成果。1）添加凋落物增加了土壤中微生物量碳、可溶性有机碳等活性有机碳和难分解有机碳的含量，而减少凋落物输入对土壤碳库各组分的影响存在差异。2）添加凋落物促进了土壤CO2的释放，而去除凋落物、去除根系和无碳输入均降低了土壤CO2的释放。在杉木林中，地上凋落物呼吸对土壤总呼吸的相对贡献为15.6%，根系呼吸为13.3%，矿质土壤呼吸为71.1%。加倍添加凋落物后刺激了土壤中原有有机碳的分解，即产生了正激发效应。凋落物添加与去除处理没有改变土壤呼吸的季节变化规律。土壤呼吸的季节变化与土壤温度基本一致。凋落物输入对土壤呼吸温度敏感的影响与季节有关，表现为在生长季的影响低于非生长季节。土壤呼吸与土壤温度呈极显著正相关，土壤呼吸与土壤含水量呈显著负相关。3）增加或减少土壤碳输入都降低了土壤微生物总量，以及三大菌群细菌、真菌和放线菌的生物量，其中单独去除根系对它们降低的强度最大。减少碳输入增加了细菌/真菌的比例和细菌中革兰阴氏/革兰阳氏细菌的比例。添加凋落物和无碳输入处理降低了食细菌线虫和植物寄生类线虫的数量，而去除凋落物或根系却增加了食真菌线虫的数量。