基于组分区分的亚热带森林土壤呼吸对氮-硫复合沉降的响应机制

The increase of nitrogen (N) availability and soil acidification are two important ecological processes undergo forest ecosystems in the background of N deposition and sulfur (S) deposition. Subtropical forest ecosystems are under the double impact from N deposition and S deposition, and these two processes and their coupling changes obviously disturb the soil respiration, further making important influences on the carbon budget and carbon sequestration in forests. Until now, it's rarely studied how the coupling effects of N deposition and S deposition on soil respiration and its main components. Taking a subtropical Plantation in China as the research object, this project aims to make a quantitative study the root autotrophic respiration, microbial heterotrophic respiration to the varying N availability and soil acidification by field simulation control experiment, based on the distinction of different components of soil respiration. Through these researches, a preliminary exploration will be made into the biogeochemistry and microbiology mechanism. It will be not only of great scientific significance in perfecting the mechanism study of forest soil respiration process, improving the precise estimation of CO2 emission flux from China's forests, and effectively reducing the uncertainty of carbon budget prediction, but also of practical significance in inproving the management level of subtropical forest under environmental stress and promoting regeneration and succession for plantations.

在全球氮沉降和硫沉降增加的背景下，土壤氮素可利用性的增加和土壤酸化是陆地生态系统正在经历的两个重要生态学过程。亚热带森林生态系统正面临着氮沉降和硫沉降的双重影响，二者之间的耦合变化很有可能对土壤呼吸产生一定的扰动作用，进而对森林碳收支和碳吸存产生重要影响，而目前关于氮-硫复合沉降对土壤呼吸影响效应的相关研究还鲜见报道。本项目拟以我国亚热带典型森林生态系统为研究对象，通过野外模拟控制试验，在区分土壤呼吸不同组分的基础上，定量研究与比较根系自养呼吸和微生物异养呼吸对氮沉降和硫沉降的差异响应，初步探讨与揭示影响上述过程的生物地球化学与微生物学机理。研究结果对于完善森林土壤呼吸过程机制研究，提高我国森林土壤呼吸的估算精度，有效降低我国森林碳收支预测的不确定性具有重要科学意义，同时对提高环境胁迫下亚热带森林的管理水平，促进其更新演替也具有重要的现实意义。

氮沉降和硫沉降已成为全球重要的环境问题。本项目以亚热带湿地松人工林生态系统为研究对象，通过野外模拟控制试验，在利用壕沟法区分土壤呼吸不同组分的基础上，定量研究了土壤根系自养呼吸和微生物异养呼吸对氮沉降和硫沉降的差异响应，分析了氮硫沉降对pH值、有机碳库（总有机碳TOC、可溶性有机碳DOC和微生物量碳MBC）、有效氮库（铵态氮NH4+、硝态氮NO3-、可溶性有机氮DON、微生物量氮MBN）含量以及土壤脲酶和蔗糖酶活性的影响，并通过综合分析，初步揭示了土壤呼吸对氮硫沉降响应的生物地球化学机理与微生物学机理。结果表明：1）不同处理下，土壤呼吸速率峰值都出现在7月或8月，冬季则相对较小，总体而言氮硫添加没有明显改变土壤呼吸的季节变化模式。2）第一年，不同处理之间土壤呼吸速率年均值表现为（均值±标准误，n=40，μmol/(m2•s)）：CK（3.91±0.22）>LN（2.30±0.15）>HN（1.73±0.11）；CK（3.91±0.22）>LS（2.90±0.13）>HS（2.70±0.13）；施氮或施硫后，土壤呼吸速率明显受到抑制。并且氮硫复合沉降处理也显著降低了土壤呼吸速率。氮硫处理后一年，土壤呼吸速率没有受到明显影响。土壤异养呼吸速率对氮硫沉降的响应与土壤总呼吸速率基本一致。3）异养呼吸在土壤总呼吸中比例的季节动态总体上没有受到氮硫沉降的影响，不同处理下基本上表现出基本一致的季节模式。2015年，季节动态没有明显的变化模式，但在2016年则明显表现为冬高夏低的趋势，这说明氮硫沉降减弱了这种变化趋势。不同氮硫沉降模拟也会显著降低异养呼吸的占比，但是在第二年这种抑制作用会逐渐减弱。4）氮硫沉降对0-5cm和5-10cm两个土壤层次的TOC、DOC、DON、NH4+、NO3-的含量基本上都没有显著影响，但是部分HN和HS处理降低了MBC和MBN含量。氮硫添加降低了土壤pH值，而土壤酸性环境的改变引起土壤脲酶和蔗糖酶活性的明显降低，这是氮硫沉降对呼吸作用抑制的微生物学机制。研究结果对完善森林土壤呼吸过程机制研究，有效降低我国森林碳收支预测的不确定性具有重要科学意义，同时有助于提高环境胁迫下亚热带森林的管理水平。