土壤有效N影响油松非结构性碳水化合物分配的机制

The increasing soil available nitrogen, caused by raising N deposition, is altering the plant growth and nutrient cycle of the whole forest ecosystem through influencing the non-structural carbohydrate (NSC) allocation among tree organs. It is not clear about the effect of the soil available N on NSC concentration and storage for the study gaps in theory and deficient methods. Based on the 13C stable isotope pulse labeling, pot experiments and field experiments, the following key questions will be researched: (1) effect of soil available N on the physiological characteristic of Pinus tabuliformis and soil properties; (2) effect of physiological characteristic on the concentration and storage for both NSC and structural carbohydrate (SC); and (3) effect of coupling changes of NSC and SC on the plant growth rates. We hope to clarify the mechanism of the effect of soil available N on the NSC allocation in theory, and to predict the effect of increasing N deposition on plant growth, and to provide a reference for pinus tabuliformis cultivation and management in the Loess Plateau.

在全球大气N沉降持续增加的背景下，土壤有效N升高通过影响树木体内非结构性碳水化合物（NSC）的分配过程调节植物的生长、发育、衰老等生理过程，并对森林生态系统的物质循环和能量流动产生深远影响。受理论和研究方法的限制，目前对土壤有效N影响植物体内NSC分配的过程和机制不是十分清楚。本项目以油松为研究对象，以林地和盆栽施肥实验为基础，采用传统方法和13C稳定同位素标记相结合，重点研究：（1）土壤有效N对油松生理特征（光合速率、呼吸速率、氮代谢特征、次生代谢特征）和土壤理化性质的影响；（2）生理特征和土壤理化性质对植物不同器官中NSC和结构性碳水化合物（SC）含量的影响；（3）不同器官中NSC和SC的协同变化对植物生长的影响。本项目期望在理论上阐明土壤有效N变化影响NSC在油松不同器官中的分配机制；在实践上预测氮沉降对油松生长的潜在影响，提出通过施N肥提高油松林管理的可能性和策略。

在全球大气氮（N）沉降背景下，土壤有效N升高如何通过影响非结构性碳水化合物（NSC）和结构性碳水化合物（SC）在不同器官中的分配，从而影响植物异速生长的机制尚不清楚。本研究以油松为对象，以林地和盆栽N添加实验为基础，结合13C同位素标记等方法，研究了N添加影响油松NSC和SC在不同器官（叶、茎和3级细根（0-0.5，0.5-1，1-2mm）和粗根）分配的机制。结果表明：1）N添加提高了油松净光合速率，增加了油松地上、地下和整株生物量；降低了根冠比、细根/粗根生物量比。2）N添加显著改变了各器官中C、N和P含量及其化学计量比值，低N促进而高氮抑制了各器官生长速率。否定了生长速率假说。3）N添加对不同器官内源激素和次生代谢物质含量的影响不同。低氮和中氮添加促进了促生长类激素含量增加，单宁含量无显著变化，总酚含量随N添加先增后降。4）总酚和单宁的合成受多种内源激素调控，在茎中与GA3负相关，与w(GA3+ZR+IAA)/w(ABA)比值正相关，与碳氮比无相关关系，否定了碳/营养平衡假说。5）N添加对油松林内不同植物叶片中NSC、SC及其组分含量的影响因植物种类的不同存在明显差异。6）N添加增加了各器官同化的δ13C含量，但对不同器官中可溶性糖、淀粉、纤维素中δ13C含量的影响不同。7）油松不同径级细根中可溶性糖、淀粉、纤维素、木质素含量差异显著，对N添加的响应也不相同。8）随N添加增加，土壤大团聚体和微团聚体中有机碳和活性有机碳含量先增后降；9）土壤中不同C降解微生物功能基因丰度、纤维二糖水解酶及β-葡糖苷酶等酶活性对N添加的响应总体表现为低N促进而高N抑制。因此，全球N沉降可能通过影响植物特征（光合生理、化学计量特征、内源激素和次生代谢过程）和土壤理化性质（养分有效性、团聚体含量、微生物功能基因和土壤酶活性）共同调节NSC、SC及其组分在不同器官中的分配，从而影响植物不同器官的异速生长。依托项目已经发表学术论文12篇，其中SCI论文8篇，中文论文4篇。