基于群落发育的温带森林土壤碳截获及其对气候变化响应机制

Forest soil carbon sequestration represents one of the major uncertainties in predicting the global carbon budget. Temperate forests are very sensitive to climate change. For the wide distribution and young-stand dominance of temperate forest in China, it’s critical to explore the law, the trend, and the research methodology of soil carbon sequestration during forest community development, which is of great significance in the scientific assessment of forest ecosystem carbon sequestration potential under the changing climate. Taking dominant temperate forest types in China, broadleaved Korean pine mixed forest, Spruce-fir forest and Larch forest, as objects and three key biological parameters as litter decomposition, fine-roots turnover and community structure of soil microbe, this project, using method of chronosequences, dendroclimatology and joint determination of multiple isotopes, intend to study the kinetics and mechanism in soil carbon sequestration driven by changes in forest age and climate; to build the nested regional scale model on the basis of soil maps, community distribution maps and the climate maps, to interpret the pervasive role of the zonal climax forest in assessment of carbon sequestration potential of the natural forests. The output will provide scientific support to highlight the importance of carbon sequestration potential of the natural forest ecosystem which dominated by young stands in China.

温带森林对气候变化的响应非常敏感，森林土壤碳截获是全球碳收支不确定性的重要来源之一。我国温带森林幅员辽阔，且多以中幼林为主，探讨群落发育过程的土壤碳截获规律与气候变化背景下的土壤增碳趋势，对于科学评估我国森林生态系统固碳潜力意义重大。项目以温带森林为研究对象，采用年代序列样地法确定红松阔叶混交、云冷杉和落叶松群落发育序列，辅以年轮气候学和多种同位素联合测定，以凋落物分解、细根周转和土壤微生物结构变化为影响土壤碳截获的关键生物参数，揭示群落年龄结构变化和气候变化驱动的土壤碳截获规律、机制和动力学模型，构建基于温带森林土壤图件、群落分布图件和气候图件嵌套的区域尺度综合模型，诠释地带性顶极群落在量化天然森林固碳潜力评估中的普适作用，为科学体现我国中幼龄居多的天然森林生态系统固碳潜力提供科学支持。

采用空间代替时间研究方法，建立植物群落演自然替序列，比较土地利用（森林择伐或皆伐）的影响，系统研究了我国东北森林土壤碳截获及其对气候变化的响应机制。.基于东北地区栅格化的1450块林地资料，结合相关辅助数据以及过程模型，定量分析了我国温带和北方森林当前气候和采伐干扰情境下的碳截获恢复能力和恢复速率。研究结果显示，东北森林最大碳库容量平均为392.7 ± 10.8 tC ha-1，其中土壤碳库容量平均为240.7 ± 9.5tC ha-1，植被生物量碳库容量平均为134.9 ± 9.8 tC ha-1，死木和凋落物碳库容量平均为17.1 ± 1.5tC ha-1。东北森林恢复到99.9%干扰前碳库水平平均需要206 ± 23年，其中生物量碳库恢复需要214 ± 19年，土壤碳库恢复需要135 ± 13年，土壤碳库的恢复速度远快于生物量活性碳库。东北森林恢复到80%干扰前碳库水平平均需要90年，同期土壤碳库可恢复90%，生物碳库仅可以恢复63%。东北干扰森林碳库的恢复主要由土壤碳库贡献，这些结论与以往研究显著不同。当前，东北森林平均年龄53 ± 2 年，具有巨大的固碳潜力。.我国温带森林土壤活性碳库平均驻留时间（MRT）随土层加深而缩短，而缓效碳库MRT则随土层加深而延长；活性碳库MRT对温度升高的响应不甚明显，但缓效碳库MRT随温度升高而大幅度缩短。随着森林群落发育，土壤中积累的碳由大团聚体向微团聚体和土壤粘粉粒中逐渐转移，顶级群落中木质素主要集中在土壤粘粉粒中，群落发育至200多年的老龄林阶段土壤氮有较大损失。.生物性胶结物质对氮沉降与降水减少的响应比土壤化学性质来得敏感；施氮有增加有机碳稳定性的趋势，氮与降水减少协同作用则会使团聚体内有机质加速分解；氮添加和降水减少通过改变了细根形态特征、营养吸收策略的权衡，提高了植株水分胁迫抗逆性。.项目研究成果补充了温带森林建群种不同生境的异速生长方程；提出了濒危植物或保护植物的保护区和保护小区规划，提出了需要扩大现有保护区并未覆盖红松高优先保护的科学建议。