亚热带-温带过渡区森林土壤有机碳固持机制及其微环境制约

As a key component of terrestrial ecosystems, forests play a critical role in global carbon cycling and mitigating the impacts of greenhouse gases. However, soil carbon sequestration in forest ecosystems is a highly complex process because of the interactive effects of vegetation, soil, microbial community, and climate. This project focus on the soil carbon accumulation processes and controlling mechanism of micro-environments in a typical forest ecosystem of the subtropical and temperate transitional zone. By combining field investigations and controlling experiments, the objectives of the study are to determine and elucidate (1) the interrelations among vegetation, soil carbon accumulation, and soil carbon turnover, (2) the role of specific microbial functional groups and their activities in soil carbon metabolisms, (3) the forest soil carbon accumulation processes and environmental controls, and (4) formation and regulations of the biophysical and physiochemical stability of soil organic carbon. By addressing the abovementioned issues, we aim to elucidate the operating mechanisms of the interactive controls of the aboveground plants and belowground microbial communities on soil carbon sequestration, the predominant sources of soil carbon, and mechanisms of carbon stability and regulations. The outcomes of this study is anticipated to advance the scientific knowledge on the sequestration processes and maintenance of stability of forest soil carbon, and to help with reducing the uncertainty in predicting the trajectory of forest soil carbon stocks and sequestration potential under changing environments.

森林作为陆地生态系统的重要组成部分，在全球碳循环和减缓温室气体效应等方面发挥着至关重要的作用，但其土壤碳固持由于受到植被、土壤、微生物类群以及气候等因素的综合影响，是一个及其复杂的过程。本项目从揭示土壤碳积累过程及其微环境调控机制的目标出发，以典型的亚热带-温带过渡区森林为研究对象，采用野外过程监测结合控制试验的方法，重点探究：①植被、土壤微生物生态功能与土壤碳积累和周转的相互关系；②微生物特定功能群及其活性与土壤碳代谢之间的关系；③森林土壤碳积累过程及其环境制约；④土壤有机碳的生物物理和物理化学稳定性形成和调控机制。通过对上述问题的研究，拟阐明地上植物和地下微生物群落在土壤碳固持中的作用机制、土壤碳来源以及碳稳定机制及其调控过程，补充和完善森林土壤碳固持过程及其稳定性形成机制的科学理论，为提高森林土壤碳库受环境变化影响的未来运行轨迹预测精度和准确评估森林土壤固碳潜力提供实证数据。

本项目在执行过程中，针对研究目标，按照计划书中设计的研究方案，开展了系统性研究。研究中的重要发现包括以下几个方面：（1）基于文献数据，揭示了由新鲜有机碳输入引发的激发效应的时间动态规律及其影响因素。研究结果显示，在新鲜碳源输入的20天内，平均激发效应（PE）可从67%下降到7.6%，此后保持相对稳定；瞬时PE大小与相对应的瞬时土壤碳含量呈显著正相关，并在给定土壤碳含量条件下在不同生态系统类型间存在差异显著。（2）确定了在给定条件下温度、土壤基质和微生物群落对土壤有机碳矿化的相对影响。温度对碳矿化速率的影响最大，土壤基质的影响次之，而土壤基质对累积碳矿化量的影响最大，培养温度的影响次之，微生物群落变化对碳矿化速率和累积碳矿化量的影响较小。（3）确定了在区域尺度上气候对土壤有机碳含量和组分的影响。气候对土壤有机碳的影响主要体现在矿化速率方面，而对土壤碳的物理组分和化学成分的影响相对较弱。根据本研究中获取的森林土壤碳含量温度响应系数推算，当大气平均温度增加1 ~ 4℃时，全球森林0 ~ 20 cm土层对将向大气中排放6.58 ~ 26.3 Pg C，其中将近一半(相较于2.87 ~ 11.5 Pg C)的贡献量来自于0 ~ 5 cm的矿质土壤中。.本项目的实施，对于系统了解土壤碳的固碳过程和关键调控因素，尤其是从生物化学角度揭示了土壤碳的转化及稳定机制，对于准确理解森林碳循环的机制和预测全球碳平衡趋势具有重大意义。基于本项目研究发表研究论文7篇，培养研究生6名。