利用稳定同位素技术研究土壤动物对森林土壤碳截获的影响及作用机制

Soil animals have irreplaceable influence on the forest carbon cycle. The quantification of their contribution and understanding of the mechanisms are key issues of the global change biology. With the use of stable isotopes, this project combines field experiments with laboratory controlled experiments to study the influence and mechanism of soil animals on carbon sequestration of forests under different succession stages in the low subtropics of China. The main research contents are as follows: 1) Investigating the distribution characteristics of soil carbon, also the community composition and trophic levels of soil animals in different forests; 2) Estimations of metabolic rates of different soil animals, and calculating the total annual biomass of different soil animals with data from field investigation; 3) Labeling the potted plants with 13CO2 to obtain litter enriched with 13C, thus to investigate the influence and mechanisms of soil animals on the sequestration of root-derived carbon by adding different soil animals to the pots; and 4) Carrying out laboratory controlled experiments with litter enriched with 13C, thus to explore the influence and mechanisms of soil animals on the sequestration of litter-derived carbon. In sum, it aims at illustrating the contribution and mechanism of soil animals to the soil carbon cycle in forests under different succession stages in the low subtropics of China.

土壤动物对森林生态系统碳循环有难以替代的影响，其贡献的量化及作用机制的解析是全球变化研究的重要方向之一。本项目以稳定同位素技术为主要研究手段，结合野外和室内控制实验探讨土壤动物对南亚热带不同演替阶段森林土壤碳截获过程的影响及作用机制。主要研究内容包括：1）不同演替阶段森林土壤碳分布特征、土壤动物群落组成及营养级特征的野外调查，以分析土壤动物与碳分布的关系和作用途径；2）通过野外控制实验估算主要土壤动物类群的代谢速率，测定不同土壤动物类群的年生物量累积量；3）通过温室盆栽实验，利用13CO2对植物（荷木）进行同位素标记以获得13C信号富集的凋落物，同时通过添加不同土壤动物类群，研究其对根系输入碳的截获过程及作用机制；4）利用标记好的凋落物在室内进行控制实验，研究不同土壤动物类群对凋落物碳的截获过程及作用机制。从而揭示主要土壤动物类群在我国南亚热带不同演替阶段森林碳循环中的作用机制和贡献。

本项目以室内微宇宙系统为平台，利用稳定碳同位素标记与示踪方法，系统研究了：1）模式跳虫（Folsomia candida）在土壤凋落物碳转化过程中的作用；2）两种生活型蚯蚓—表栖类的环毛蚓（Amynthas sp.）（本地种）和内栖类的南美岸蚓（Pontosocolex corethrurus）（外来种）—对南亚热带森林凋落物和土壤碳转化过程的影响；3）通过“植物×蚯蚓”双因素室内控制试验，揭示了蚯蚓对根系来源碳转化及其转化过程的影响，以及蚯蚓对不同碳源（根系来源碳、SOC、凋落物碳）转化过程的影响。其主要研究结果如下：. 1. 跳虫和土壤微生物都更倾向于优先利用凋落物碳；跳虫会刺激土壤微生物利用土壤碳，进而激活土壤碳库，改变其结构。随着凋落物培养时间的延长，跳虫对相对较易利用的凋落物碳的矿化的影响远小于其对相对较不易利用的土壤有机质的矿化的影响。总之，在土壤动物和微生物的作用下，凋落物新碳很快进入碳循环，但新碳也很容易通过呼吸作用释放回到大气；土壤跳虫在食物网中的作用明显，对土壤微生物具有显著的调控作用；碳活性越弱，跳虫对其转化的影响越大。. 2. 两类蚯蚓都显著促进凋落物碳向土壤中团聚体（250-2000μm）和大团聚体（>2000μm）的转移，其中环毛蚓的促进作用显著强于南美岸蚓，但南美岸蚓对土壤大团聚体（>2000μm）形成的促进作用显著强于环毛蚓。环毛蚓的存在显著提高了土壤细菌和真菌的生物量，而微生物生物量的增加又进一步促进凋落物的分解，内栖类蚯蚓则对细菌和真菌生物量没有显著的影响；两类蚯蚓均显著提高了土壤的真菌细菌比，可能增加土壤微生物与凋落物之间的接触，促进凋落物中碳的分解。. 3. 13CO2标记结束后，蚯蚓的13C丰度显著升高，但蚯蚓并没有直接取食根系来源碳。其中，外来种的南美岸蚓显著提高土壤中与根系来源碳代谢密切相关的革兰氏阴性菌和菌根真菌的生物量，进而显著地促进了根系来源碳在土壤中的持留。总之，外来种南美岸蚓显著改变了根际微生物群落，进而改变了入侵地的碳动态。. 总之，本项目的开展及所取得的成果较好地揭示了不同土壤动物类群（蚯蚓和跳虫）对森林土壤和凋落物碳的截获过程及作用机制，为今后进一步开展土壤动物类群在我国南亚热带不同演替阶段森林碳循环中的作用机制与贡献的研究打下了良好基础。