大气CO2浓度升高，N沉降与重金属交互作用下亚热带森林生态系统碳储存相关问题研究

Rising atmospheric CO2 concentration, elevated nitrogen(N) deposition and heavy metals contamination are of significant environmental issues, particularly in the subtropical area where has been experiencing rapid urbanization and industrialization. Knowledge about the interactive impacts of those factors on forest growth and ecophysiological aspects, is essential for understanding carbon sequestration capacities of forest ecosystems in the region.. This project aims to establish open-top growth chambers (OTCs) in field with the major tree species of typically subtropical evergreen broadleaved forests, to explore the interactive impacts of rising CO2 concentration, elevated N level, and heavy metals(Pb,Cd) contamination on leaf photosynthetic carbon assimilation, whole-plant carbon allocation, and carbon sequestration in soils. In addition to traditional techniques of measuring biomass carbon content and allocation, we use stable carbon isotope techniques to identify the kinds and amounts of specific photosynthetic carbon compounds that are distributed throughout plant, soil and microbial communities of forest ecosystems. Based on the measurements of soil aggregates and carbon fractions, we further clarify these interactive impacts on soil carbon storage, organic carbon stability, and soil nutrient availability that play feedback roles to photosynthetic carbon assimilation.. Results from this study will provide scientific fundamentals for forest management practices to promote forest nutrient utilization and ecosystem carbon sequestration under the combining impacts of elevated CO2 concentration, high N deposition and heavy metals contamination. We also hope that the results will be useful implications for the selection of tree species that are highly tolerant to (Pb,Cd) stress and efficient in photosynthetic carbon assimilation and nitrogen use.

本项目针对我国亚热带地区快速城市化和工业化过程中大气CO2浓度升高、N沉降增加和重金属污染问题，选择亚热带代表树种构建实验林，以森林土为生长基质和田间开顶生长箱的近自然法，开展CO2浓度升高、N沉降及重金属(Pb,Cd)交互作用对植物叶片光合作用碳固定、整株植物碳分配和土壤有机碳储存的影响研究。. 在传统生物量碳测定方法的基础上，采用稳定碳同位素技术界定光合碳产物向特定碳组分以及向土壤、土壤微生物中的分配；通过土壤团聚体和有机碳组分的测定，进一步阐明上述交互作用对土壤碳储存、有机碳稳定性及土壤养分有效性的影响。. 研究结果为受CO2排放、N沉降和重金属污染影响较严重地区寻求提高树木养分利用、促进森林生态系统碳储存的管理措施提供科学依据，也为选育耐受重金属胁迫和对CO2、N有效利用的资源树种提供启示。

本项目针对大气CO2浓度升高、N沉降增加和重金属污染问题，选择亚热带5个代表性造林树种（大叶相思、樟树、海南蒲桃、红椎、枫香）构建实验林，近自然开顶生长箱法，开展Cd污染及其与大气CO2、N的复合作用对植物叶片光合作用碳固定、整株植物碳分配和土壤碳储存的影响研究。.重要结果包括：（1）Cd添加显著抑制所有树种的光合作用（Ci/Ca比值上升, Vcmax、光捕获能力、胁迫防御能力均下降），大气CO2增加和N添加对Cd抑制具有缓解作用，并且显著提高水分利用效率尤其CO2+N复合处理最显著。（2）Cd添加抑制所有树种的生长，N添加能有效地缓解Cd抑制，甚至促进枫香、海南蒲桃、樟树的生长和生物量积累，大气CO2浓度增加对缓解Cd胁迫的作用有限，表明Cd污染土地植被修复与重建，施氮肥可以促进这些树种群落的快速建成。（3）Cd或CdCO2处理降低了樟树、枫香和红椎衰老叶中的N含量，从而提高N再利用效率；Cd污染，或Cd与大气CO2浓度升高、N沉降复合污染环境条件均不利于N的回归再利用，它们的再生长需要投入更多资源到根系获取养分，根系养分获取能力弱的树种或个体将被淘汰消亡。（4）N添加使得土壤明显酸化，Cd污染下土壤容重显著增加。（5）单一Cd添加显著降低土壤呼吸，N添加进一步加剧Cd对土壤呼吸的抑制作用，CO2浓度升高则部分地抵消Cd对呼吸的抑制作用；细根生物量、碳降解水解酶、β-葡萄糖苷酶能够很好地解释CO2、N介导调控土壤呼吸的变化，其中对土壤水解酶（尤其是βG、CBH）活性的影响是导致SR在处理间变化的关键。其它成果包括：（1）筛选出2个抗性/耐受性树种（大叶相思、海南蒲桃），可作为重金属（例如Cd）开采矿山污染土地修复和生态重建的目标树种。（2）Cd处理下的樟树、红椎生长缓慢甚至停止，但适当施氮（N:Cd=10:1）能显著提高其生长和生物量，因此提出氮肥补充是重金属污染土地恢复及群落构建早期非常重要的管理策略。（3）研发了一项通过群落快速构建减少地表径流和土壤渗透淋溶水及由此引起养分流失、污染物扩散转移，实现源头治理的集成技术。.本项目所取得的成果可为重金属污染严重地区寻求提高树木养分利用、促进土壤碳储存和土壤改良的管理措施及抗重金属污染树种的筛选提供科学基础，也可望在金属矿山开采、金属冶炼等污染土地的综合治理和绿化建设中进行中试和推广应用。