温带森林土壤呼吸组分特征及其环境变化的响应机制

基于森林土壤呼吸组分对大气氮沉降增加和气候变化的响应研究十分缺乏，极不利于认识我国森林土壤碳循环过程及源/汇特征。本项目拟在长白山成熟阔叶红松林及其演替次生林实施氮沉降模拟、降水变化和凋落物/根系控制实验，通过土壤呼吸分离观测、林地碳氮湿沉降和淋溶通量观测、实验室模拟实验和分子生物学研究手段，定量评估我国温带典型森林土壤呼吸及其组分(异养呼吸和根系自养呼吸)及贡献率；建立土壤呼吸及其组分与土壤温度、水分、土壤活性碳氮库和碳氮淋溶通量等因素之间的定量关系；阐明土壤呼吸相关联的微生物主要功能群种群结构与基因多样性以及对降水和氮沉降改变及森林类型的响应；探讨氮沉降和降水改变及森林类型对温带森林土壤异养呼吸和根系自养呼吸的影响机制。研究结果增进我们认识我国森林土壤碳循环过程及源/汇特征以及对气候变化和大气氮沉降增加的响应，为寻求全球变化情景下我国北方温带森林减排增汇的适宜对策提供科技支撑。

基于森林土壤呼吸组分对大气氮沉降增加和气候变化的响应研究十分缺乏，不利于认识我国森林土壤碳循环过程。本项目依托我们在长白山森林样地构建的野外实验观测平台，围绕我国北方阔叶红松混交成熟林和次生白桦林土壤二氧化碳(CO2)排放以及有关环境因素开展数据收集工作。模拟施氮处理包括硫酸铵、氯化铵和硝酸钾三种氮素形态，两种施氮剂量为每年每公顷22.5和45公斤；在阔叶红松混交成熟林内构建了林地穿透雨减少25%和50%以及增加25%的实验处理。通过地下50厘米开沟切断根系、去除凋落物以及模拟施氮和森林穿透雨改变实验处理，研究温带森林土壤总呼吸及其组分的季节性变化规律以及模拟氮沉降和森林穿透雨改变的影响。基于野外控制实验多年观测结果，显示我国北方阔叶红松混交成熟林和次生白桦林在生长季土壤总呼吸分别为4272~5371 (平均值4693）和 3772~3961（平均值3866）kg CO2-C ha-1 yr-1，其温度效应Q10值分别为2.10~4.36（平均值3.02）和2.07~2.28（平均值2.17）。阔叶红松混交成熟林和次生白桦林地表凋落物层对林地生长季土壤总呼吸的多年平均贡献率分别为28.9%和12.9%。模拟施氮处理使得阔叶红松混交成熟林和次生白桦林生长季土壤总呼吸分别降低22.2%和5.4%、异养呼吸分别降低26.8%和14.7%，并降低两林分异养呼吸Q10值。根据森林穿透雨增加/减少控制实验四年观测，指出生长季林地穿透雨增加25%的实验样地CO2排放累积量平均增加33.3%，穿透雨减少25%和50%的实验样地却分别减少16.4%和19.9%。显示季节性干季湿润后林地CO2排放量及其Q10值均随土壤湿度增加而增大，揭示了葡萄糖对温带森林土壤异养呼吸和微生物碳的刺激效应依赖于植被类型、湿度、氮供给及其形态，分析了氮素添加、水热条件和凋落物对温带森林土壤微生物呼吸和微生物量及其代谢熵的影响。通过整合野外控制实验林地CO2排放和有关环境因素观测以及实验室系列模拟实验，分析了上述两种林分土壤总呼吸及其组分特征，以及与土壤温度和水分等因素之间的定量关系，初步探讨了氮沉降和降水改变对温带森林土壤总呼吸及其组分的影响。这些研究结果增进了我们认识我国温带林地呼吸及其组分对气候变化和大气氮沉降增加的响应规律。