氮沉降增加背景下长白山阔叶红松林土壤磷素周转特征及生物学机制

Phosphorus is one of the most important growth-limiting nutrients in forest ecosystem. In general, increased atmospheric nitrogen deposition changed the phosphorus cycling in forest ecosystem, but there is no consistent conclusion about its effect yet. At present, there are limited reports about phosphorus cycling in temperate forest, and also ambiguity exists about the biological mechanism of soil phosphorus turnover. This study aims to focus on the effect of nitrogen deposition gradient on forest phosphorus cycling based on the simulated nitrogen deposition experiment (nitrogen addition) in a temperate forest at Changbai Mountain. We use chemometrics method to investigate the phosphorus allocation among plants, soil and microbes and the potential correlation of phosphorous with carbon and nitrogen. We also analyze the pattern of soil phosphorous in different forms under increased nitrogen deposition, and the correlations between soil phosphorus forms and soil physical and chemical characteristics (especially exchangeable cations, such as Fe and Al ). Moreover, based on quantitative PCR and high-throughput sequencing, we test the abundance, community composition and diversity of several function genes which are related to soil phosphorus processes, to explore the biological mechanism in forest soil phosphorus turnover. These results will help to predict if temperate forests in Northeast China will sustain a healthy development under future increased nitrogen deposition, and will also provide theoretical guidance to establish forest management policies.

磷是森林生态系统重要的限制营养元素之一。氮沉降增加能够改变森林生态系统中的磷循环，而多数的研究并没有形成统一的结论。目前针对温带森林磷循环的研究还较少，并且土壤磷转化过程的生物学机制还不够清楚。本项目针对我国温带长白山阔叶红松林为供试对象，采用不同氮添加量模拟不同氮沉降程度，研究不同氮沉降程度对森林土壤磷周转的影响。利用化学计量学比较不同氮沉降程度下磷在植物、土壤、微生物中的分配以及与碳、氮元素的潜在联系，同时比较土壤磷素形态对氮沉降量的响应，分析磷素形态与土壤阳离子（Fe、Al）等理化性质的变化规律和相关性。通过土壤酶学测定土壤磷酸酶活性，基于定量PCR和高通量测序的分子生物学技术分析土壤磷转化功能基因的丰度、群落组成及多样性，探讨森林土壤磷素转化的生物学机制。本项目的研究结果对预测未来全球变化下我国东北温带森林生态系统能否持续健康发展提供重要数据支持，为森林管理策略的制定提供理论指导。

磷（P）是森林生态系统重要的限制营养元素，对森林生态系统生产力的影响仅次于营养元素氮（N）。在全球变化背景下，不断增加的N沉降能够改变森林生态系统的P循环，但多数研究并没有形成统一的结论，而且针对温带森林生态系统的P循环研究相对较少，对于磷转化过程的生物学机制认识也不够清楚。为此，我们开展本实验以温带长白山阔叶红松混交林为研究对象，设置对照（CK, + 0 kg N ha-1·yr-1）、低氮添加（LN, + 25 kg N ha-1·yr-1）、中氮添加（MN, + 50 kg N ha-1·yr-1）和高氮添加（HN, + 75 kg N ha-1·yr-1）四个梯度尿素添加量模拟不同氮沉降水平，通过土壤微生物性质、土壤P形态和植被N、P分配在不同N添加水平下的差异，揭示（1）土壤微生物群落组成和功能对N沉降增加的响应；（2）氮沉降增加对P在森林土壤中的迁移和转化的影响；（3）植物N、P养分利用对氮沉降增加的响应。本研究的主要结果有：N添加处理降低了微生物生物量和真菌细菌比（F/B），贫营养型物种丰度显著降低，富营养型物种丰度明显增加，细菌和真菌群落的物种组成均逐渐转向具有更高有效养分利用潜力的类群。施氮增加了磷获取酶的资源投入，减少了C、N获取的资源投入，说明土壤微生物的相对P限制。酶活性的向量分析同样表明本区微生物活动受P限制，且施N量越多，受到的P限制增强，对有效碳源需求的制约加剧。施N改变了微生物群落组成和功能潜力，即N添加提高了细菌C循环功能类群丰度，降低共生真菌丰度、提高腐生真菌丰度，这些变化预示着施氮加速有机磷的矿化，使土壤中无机磷占比升高，土壤中的中等易变性P组分能够不断向有效磷组分转化，增加有效P含量，缓解土壤供磷不足的状况。另外，植物叶片N/P的范围和施N处理引起的P的重吸收效率的增高，证明了植物生长存在P限制，为土壤P组分向有效性提高的方向转化提供了另一种解释。本研究结果对预测未来N沉降持续增加下我国东北温带森林生态系统能否持续健康发展提供重要数据支持，为森林管理策略的制定提供理论指导。