臭氧污染下杨树人工林叶和细根凋落物分解对氮沉降的响应差异机制

Litter decomposition is the key biogeochemical process of forest ecosystem carbon and nutrient cycling. Ground-level ozone (O3) pollution and the increase of atmospheric nitrogen (N) deposition are two prominent problems under global environmental change, affecting litter decomposition and carbon and nutrient cycling. However, the combined effects of O3 pollution and N deposition on litter (including leaves and fine roots) decomposition and their difference mechanism are unclear. This project aims to select poplar plantation as the research object, since poplar is widespread planting in northern China, and explore long-term combined effects of O3 and N on the decomposition rate of foliar and fine root litter and dynamic changes of their chemical composition, through the Free Air Ozone Concentration Enrichment system (O3-FACE) coupling with artificial nitrogen addition and Litterbag technique. Moreover, litter quality, soil microbial community structure, soil functional enzyme activity and their interactions, will be analyzed to reveal the controlling factors and driving mechanisms of the inter-annual response and difference between foliar and fine root litter decomposition, accompanied with using ecological stoichiometry method and molecular ecology techniques. Knowledge gained from this project could provide better parameters for calibrating the biogeochemical model and improve understanding of different decomposition processes of foliar and fine root litters.

凋落物分解是森林生态系统碳和养分循环的核心过程。人类活动引起的地表臭氧污染和大气氮沉降增加是全球环境变化的两大突出问题，影响凋落物分解及其碳和养分的循环过程，但目前尚不清楚两者的复合作用对叶和细根凋落物分解的影响及其差异机制。本项目拟选择我国北方广泛种植的杨树为研究对象，利用研究组建立的亚洲首个最接近自然环境的大型O3浓度增加模拟系统（O3-FACE），采用人工施氮和分解袋法，结合生态化学计量学和分子生态学技术，探究O3和N增加对杨树人工林叶和细根凋落物分解速率及其化学组成成分动态变化过程的长期影响，重点研究凋落叶和细根分解和养分释放的年际响应规律及差异，并进一步分析凋落物质量、土壤微生物群落结构和土壤功能酶活性变化之间的相互作用，可望揭示O3和N影响叶和细根凋落物分解速率的控制因素和驱动机制，并为校正模拟凋落叶和细根不同分解过程的生物地球化学模型提供参数。

凋落物分解是森林生态系统碳和养分循环的核心过程。人类活动引起的地表臭氧污染和大气氮沉降增加是全球环境变化的两大突出问题，影响凋落物分解及其碳和养分的循环过程。本项目设置5个O3处理水平（过滤大气、环境大气NF、NF + 40 ppb[O3]、NF + 60 ppb[O3]、NF + 80 ppb[O3])和4个N添加水平（0，50，100，200 kg N hm-2 a-1）的实验，发现(1)O3显著降低而N显著增加了杨树细根、粗根和地上生物量，但O3和N并未出现显著交互作用；细根对O3和N的响应大于粗根。根冠比随着施N梯度显著降低，但未受O3梯度升高的影响。O3升高下的树木生物量分配符合“等速分配”理论，即地上和地下生物量等比例降低；而不符合“最优分配”假说。N增加下的树木生物量分配符合“最优分配”理论，即随着N量增加，分配于地上部分的生物量越多。O3诱导的地下生物量降低随着O3浓度的增加显著增大，且这种O3的负效应未能被土壤N添加所缓解，说明N添加没有改变根的O3敏感性。(2) 沿着O3梯度，细根生物量是叶片生物量降低幅度的2倍。相比于叶片，凋落细根中含有更多的难分解成分，包括高木质素、缩合单宁、C:N和木质素: N，这些性状都导致了细根比叶片的凋落物分解速率慢；而凋落叶中含有更多易分解的成分，包括更高的NSCs、N含量和高N:P。O3显著降低凋落叶中易分解成分的含量而增加了难分解成分的含量，导致凋落叶随着O3浓度不断升高越来越难分解；而O3对细根凋落物中各化学成分的影响并不显著。各水平的N添加并未对叶和细根凋落物的化学性状产生显著影响，表明N添加并不能缓解O3对杨树叶和细根凋落物功能性状的负效应。(3)O3显著降低杨树根际土壤细菌、真菌、丛枝菌根真菌和真菌:细菌比，N添加以及O3和N的交互作用均未对土壤微生物产生显著影响。结构方程模型显示土壤pH直接解释了O3诱导的根际土壤微生物群落组成的变化，而O3诱导植物特征的变化对根际土壤微生物群落组成的变化未起到影响。O3浓度升高使得土壤碱性化直接改变了土壤微生物群落特征。