养分驱动的杉木林地下碳分配格局与土壤有机碳生物稳定性机制

As the third largest carbon flux in the terrestrial ecosystem, the belowground carbon allocation (BCA) through plant roots is the major source of soil organic carbon (SOC),the largest carbon pool in the world. To a large extent, the stability of SOC depends on biological processes driven by BCA. We will conduct this project in Chinese fir plantation forest in the subtropical China to understand the driving factors for BCA, and the mechanism for how BCA pattern affect SOC stability. Firstly, we aimed to find out how the BCA pattern changes along the gradients of availability of Nitrogen and Phosphorous, and how the changes occur within the SOC pool and its components, based on an established long-term fertilization experiments in the Chinese fir plantations and a newly built large experimental facility specifically for the belowground ecological processes. Secondly, we focus on the contribution of fine root turnover, root exudation and hyphae activities to the BCA, and rhizosphere priming effects on the mineralization of SOC using 13C tracer techniques with both natural and labeled abundance. Lastly, we examine the spatial heterogeneity of BCA, determines the difference in the role of biological factors for accumulation and mineralization of SOC during the development of Chinese fir plantation, discusses the basis of biological control on SOC for the plantation forest management, based on the investigation of large-size permanent plot and plots representative of different stages of Chinese fir plantation forests. This project will deepen our understanding on the interaction of belowground carbon allocation and soil organic carbon stability in plantation forest and its biological mechanism.

地下碳分配是陆地生态系统第三大碳通量，也是全球最大碳库土壤有机碳的主要来源，而土壤有机碳的稳定性很大程度上取决于地下碳分配驱动的生物学过程。本项目以亚热带杉木人工林为研究对象，围绕地下碳分配格局与过程的驱动机制，以及地下碳分配格局对土壤有机碳稳定性的影响等科学问题开展试验研究。依托杉木人工林长期试验和地下生态过程试验平台，分析在土壤氮磷养分有效性对地下碳分配格局、土壤有机碳库及其组份的影响；采用控制试验结合13C同位素技术分析细根周转以及菌丝活动对地下碳分配的贡献，以及根际激发效应对土壤有机碳矿化过程的影响；同时结合杉木人工林大样地、典型区域样地调查，分析地下碳分配格局和土壤有机碳的空间分异规律，揭示不同发育阶段土壤有机碳积累/矿化过程的生物控制因素。最终阐明人工林地下碳分配格局对土壤有机碳稳定性影响的生物学机制，丰富陆地生态系统碳循环的理论，并为人工林高效可持续经营提供科技支撑。

杉木是我国亚热带地区最重要的造林树种，在木材生产与森林固碳方面发挥着极其重要的作用。然而，由于不合理的经营措施，杉木人工林土壤有机碳水平低下，严重制约着生态服务功能的发挥。本项目以亚热带地区最具典型性的杉木人工林为研究对象，围绕杉木人工林土壤有机碳的分布格局、在林分发育过程中的变化、地下碳分配对土壤有机碳的贡献、激发效应对土壤有机碳周转的影响以及对氮沉降和经营措施的响应等方面开展了系统的研究。经过5年的努力顺利完成了任务书中规定的各项科研任务，主要取得了以下几方面的成果。.1）借助大范围野外调查研究了湖南省杉木人工林土壤有机碳在林分发育过程中的变化动态，发现杉木人工林土壤有机碳在林分发育前期处于土壤碳消耗状态，而在造林27年后才能恢复到造林前水平，我们建议应适当延长轮伐期使土壤有机碳得以恢复；通过杉木大样地113个样方的调查，我们建立了土壤有机碳与土壤氮磷养分之间的关系，并且发现杉木木材生产与土壤固碳之间的权衡关系；.2）依托杉木人工林大样地调查，评估了植物细根、菌根真菌菌丝碳以及球囊霉素等地下碳分配过程在土壤有机碳积累和稳定性维持中的作用并建立了与土壤氮磷养分之间的关联；通过对杉木凋落物分解过程中通过选择性保留形成土壤有机碳组分的评估以及与地带性阔叶树种的对比，揭示了杉木凋落物的高分解极限是杉木生长不利于土壤固碳的重要原因之一；.3）通过13C同位素示踪技术和文献收集系统地研究了杉木凋落物、凋亡细根、根系分泌物以及黑炭对土壤有机碳的激发效应，建立了植物功能属性与（根际）激发效应之间的关联，揭示了凋落物的碳质量、植物吸收根直径以及杉木种植密度对激发效应方向和强度的调控作用；通过与地带性阔叶林的对比，发现杉木诱导的高激发效应是导致杉木生长和土壤碳积累之间权衡关系的重要原因。.4）通过控制实验揭示了氮沉降背景下杉木人工林土壤呼吸的升高源于杉木生长磷限制的出现；而间伐处理后短期内土壤呼吸的升高则是由于间伐后杉木种内竞争的减弱引起土壤氮磷有效性的改善和微生物活性的提高。..项目成果发表论文26篇，其中SCI收录论文18篇，项目骨干1人入选中国科学院青年创新促进会会员并晋升为研究员，2人晋升为副研究员。培养研究生13名，其中2人博士研究生国家奖学金。