增温和氮沉降对杉木人工林土壤有机质结构和组成的影响机制

Soil organic carbon pool is 2 times that of the atmosphere，as an important part of the earth's carbon cycle. Tiny changes of soil organic matter, therefore, will have significant effects on global carbon cycle, which have strong feedback effects on climate change. At present, the study on the impact of climate change on soil organic matter is mainly carried out in the temperate zone, but little research in subtropical regions. Therefore, this project uses geochemical methods and molecular ecology (Biomarker, XANES and NMR) combined with PID automatic temperature control means to carry out the experiment, and probes into the influence of artificial warming and nitrogen deposition on soil organic matter composition and structure of different sources of Chinese fir plantation, to explore the stability mechanism of soil organic matter from the perspective of soil-microbes-environmental factors, providing research reference for soil organic matter turnover mechanism under the tendency of environment change. The study will promote the progress and development of soil science and global change science in China, and elevate research status in the international academia; promote the ecosystem service function of soil carbon, as well as providing scientific support for greenhouse gas emission strategy in China and climate change negotiations.

土壤有机质其碳库容量是大气的2倍，是地球碳循环的重要组成部分。因此，土壤有机质的微小变化都将对全球碳循环造成显著性影响，进而对气候变化产生强烈的反馈作用。当前，研究气候变化对土壤有机质影响的研究主要开展于温带，而对亚热带地区研究甚少。因此，本项目运用地球化学和分子生态学方法（Biomarker、XANES和NMR）结合PID自动控温手段开展实验，深入探讨增温与氮沉降对不同来源杉木人工林土壤有机质组分及结构的影响，以土壤-微生物-环境因子的视角探究土壤有机质的稳定机制，为未来环境变化趋势下，土壤有机质周转机制的研究提供依据。本项研究将推动我国土壤科学和全球变化科学的进步和发展，提升我国在国际学术界的地位；为提升土壤碳的生态系统服务功能、制定我国温室气体减排增汇策略和气候变化谈判对策提供科学支撑。

全球变暖及氮沉降是当今气候变化的两大主题。土壤有机质（Soil organic matter, SOM）其碳库容量是大气的两倍，是地球碳循环的重要组成部分。因此，SOM的微小变化将会对碳循环造成显着性影响。本项目结合生物标志物手段及固态13C 核磁共振研究SOM在分子水平上的组分变化及分解程度，以便更好地探究SOM对气候变化的响应机制。本实验以杉木人工林土壤为实验对象，共设有4个处理，分别为对照（CT），增温（W, 温度增加5 ℃），施氮（AN, 施加40 kg N ha-1 yr-1）及增温施氮交互（WN, 温度增加5 ℃, 施加40 kg N ha-1 yr-1），每个处理5个重复。经过四年的气候变化模拟实验，研究结果表明：.1. 增温处理显着抑制MBN和MBP积累，尽管MBC并无显着影响，但也表现出下降的趋势。增温处理显着抑制土壤中总PLFA量及各微生物种群生长（p<0.05），而其他处理间并无显着差异。这表明增温抑制了微生物生长。微生物量化学计量比结果表明，增温处理显着提高了MBC:MBN的比值，同时降低了MBN:MBP的比值（p<0.05），这表明增温处理下土壤微生物处于氮限制状态；.2. 13C NMR结果表示，土壤中主要以烷基碳为主，增温处理降低土壤中的羧基碳与羰基碳含量，降低幅度达到1.09%。不同处理下，芳香度并未发生太大变化，整体而言，SOM的结构并未发生太大的改变；.3. 增温处理显着降低土壤中游离脂质（短链烷酸、环状脂肪族化合物及碳水化合物和与酯键相连的脂质（短链脂肪酸，长链脂肪酸，角质及木栓质），（p<0.05）。然而施氮处理仅降低土壤中与酯键相连的脂肪酸（p<0.05）。土壤中木质素含量在处理间无显着差异，这表明未来气候变化下，SOM中易分解有机质组分容易受到影响，而难分解有机质组分相对稳定；.4. 回归分析结果表示，土壤中游离脂和与酯键相连的脂质含量与土壤温度具有显着负相关（p<0.05）；这表明土壤中易分解有机质组分主要受到温度的影响，然而在增温和施氮的交互作用对SOM组分的影响中，施氮处理为主导效应，主要由于施氮处理缓解了底物限制及微生物量氮限制的问题而影响着微生物过程。