常绿阔叶林演替过程中凋落物和根系对土壤有机碳累积的影响及其机制

Forest succession with resource regeneration promotes soil organic carbon (SOC) accumulation, which plays an important role in maintaining carbon (C) sequestration in terrestrial ecosystems and alleviating global warming. However, SOC accumulation rates and the underlying mechanisms remain unclear along forest succession. In this study, the pattern and rates of SOC accumulation will be investigated along forest succession stages in subtropical broad-leaved forests with high C sequestration by long-term observation (1999-2021). Field manipulative experiments, 13C isotope tracer method, nuclear magnetic resonance (NMR) and plant biomarker will be used to explore how shoot and root litter contributes to SOC accumulation in different succession stages and how roots and associated fungi promote soil C stability. Meanwhile, soil incubation experiments combined with 13C isotope tracer method will be applied to explore priming effect from litter characteristic and soil feature. This study can help us better understand the underlying mechanisms of SOC accumulation and stability and may provide reliable scientific basis for forest C sequestration management.

伴随森林演替的进程和资源再生产，土壤有机碳含量随演替年限的增加显著提高，这对维持全球陆地生态系统碳汇功能和减缓全球变暖具有重要意义。然而，当前对森林演替过程中土壤有机碳累积速率及稳定机制的认识还十分匮乏。本研究将以固碳能力较高的亚热带常绿阔叶为研究对象，通过分析长期监测数据（1999 -2021年）研究群落演替过程中土壤有机碳的变化趋势以及不同演替阶段土壤有机碳的累积效率；通过结合野外控制实验、13C同位素示踪法、核磁共振和生物标志物技术，探讨凋落物和根系对土壤有机碳累积的相对贡献随演替阶段的变化规律，以及根系和菌根真菌对土壤碳稳定性的保护机制；再结合室内培养实验与13C同位素示踪法，阐明凋落物来源、性质和土壤性状对有机碳分解激发效应的影响。本项目将深化我们对亚热带常绿阔叶林土壤有机碳累积和稳定机制的认识，从而为该地区的森林碳汇管理提供可靠的科学依据。

土壤有机碳含量往往随森林演替进程显著增加。然而，目前针对森林演替过程中土壤有机碳累积速率的变化及其稳定性机制的认识尚不清楚。本项目以浙江天童森林生态系统国家野外观测研究站为依托，选择灌木-木荷-栲树和灌木-木荷-米槠两个森林演替序列为研究对象，通过长期定位监测土壤有机碳动态，结合野外控制实验、13C同位素标记和生物标志物技术，阐明土壤碳累积的调控机制。研究结果显示，2004-2018年演替早期阶段0-20 cm土层土壤有机碳增加了41%，平均累积速率为1.7 Mg C ha−1 yr−1，而演替中后期阶段土壤有机碳随时间无显著变化。森林演替早期土壤碳高速累积主要受根系和微生物来源碳输入驱动。森林演替过程中，土壤有机碳积累速率与细根周转量呈正相关，与凋落物生物量呈负相关。除细根周转外，根系通过改变团聚体稳定性和菌根真菌-腐生微生物养分关系影响土壤碳稳定性和分解过程。通过区分根际和非根际土壤发现，根系显著提高了演替早期阶段的土壤团聚体稳定性，有利于增强土壤有机碳的物理保护，促进了土壤有机碳累积。利用不同孔径尼龙网和壕沟法设置隔绝和保留菌根真菌的处理发现，菌根真菌显著抑制了森林演替早期的有机质分解，促进了土壤碳累积。菌根真菌抑制了演替早期阶段微生物生物量和碳降解酶的活性以及NH4+-N的矿化，说明菌根与微生物对氮素的竞争抑制土壤碳分解。相反，演替中后期氮竞争不显著，菌根真菌通过菌丝自身呼吸加速土壤碳排放。土壤碳累积过程还受到激发效应的影响，基于室内培养实验，发现森林演替后期阶段土壤激发效应显著高于演替早期和中期，且激发效应主要受微生物多样性及微生物碳氮比的影响。本项目进一步探明了常绿阔叶林演替过程中土壤有机碳累积长期模式，并从土壤团聚体保护、微生物竞争和激发效应等角度探讨主要调控机制。项目成果加深了对亚热带森林有机碳累积过程及其机制的认识，为我国森林土壤碳储量和碳汇潜力的估算提供坚实的数据基础与理论依据。