典型人工林碳输入方式对土壤碳循环微生物和有机碳组分的影响研究

The carbon (C) inputs from litter and root are key processes in plantations. The changes in amount and composition of C inputs directely influence C sink ability and productivity of plantations. However, it is still unclear that how changes in C inputs influence soil microbial community structure and functon, and orgnic C composition in plantations. There are few studies about the effects of changes in C inputs on soil C cycling microorganisms and organic C composition. Based on a high throughput functional microarray, this study will analyze how changes in C inputs influence C cycling genes in two approaches of typical plantations (Quercus variabilis Bl. and Pinus thunbergii Parl. plantations) in Yimeng mountainous area. This study will also analyze soil microbial C metabolic function and soil organic C composition. The aim of this study will quantitatively clarify the influence of C inputs on C cycling microorganisms and organic C composition, so as to provide theoretical bases for enhancing C sink ability and optimizing management of plantations.

凋落物和根系向土壤的碳输入是人工林生态系统的关键过程，输入量及组分的变化直接影响人工林土壤碳汇功能和生产力。然而不同人工林中碳输入方式引起土壤微生物群落结构与功能和有机碳组分变化的方向和程度还有争议，定量揭示人工林碳输入方式对土壤碳循环微生物和有机碳组分影响的研究尚不多见。本研究拟以沂蒙山区两种典型人工林（栓皮栎（Quercus variabilis Bl. ）林和黑松（Pinus thunbergii Parl.）林）为研究对象，以添加和去除凋落物及去除根系的方式改变碳输入，用高通量功能基因芯片分析人工林碳输入方式引起土壤微生物碳循环基因组成的变化，并分析土壤微生物碳源代谢功能及土壤有机碳组分（活性、慢性和惰性有机碳）特征。研究拟定量揭示典型人工林碳输入方式对土壤碳循环微生物和土壤有机碳组分的影响，探讨人工林对土壤有机碳的影响机制，为增加人工林土壤碳汇能力和人工林管理提供理论依据。

凋落物和根系向土壤的碳输入是人工林生态系统的关键过程，但在不同人工林中引起土壤有机碳组分和碳循环微生物结构和功能的变化还有争议。我们假设凋落物和根系在不同人工林中对土壤碳循环微生物群落结构和功能及有机碳组分的影响不同。本研究分析了碳输入途径对暖温带栓皮栎（Quercus variabilis Bl.）人工林和黑松（Pinus thunbergii Parl.）人工林）土壤碳循环微生物和有机碳组分的影响。结果表明，1. 碳输入方式显著改变了土壤碳代谢功能基因，栓皮栎人工林的无输入和切根显著升高AA（与碳水化合物一起工作的还原酶）。黑松人工林的切根和去凋显著降低CBM（附着到糖类化合物上的酶）；2.栓皮栎人工林和黑松人工林中的凋落物倍增都降低了有机碳组分的种类。在栓皮栎人工林中，去除凋落物和去除根系都增加土壤有机碳组分的种类，而在黑松人工林中则降低，趋势和双倍凋落物一致；3.（1）凋落物和根系碳输入对SOC及其代谢功能有促进作用。增加地上凋落物可增加SOC，减少地上和地下碳输入会抑制SOC代谢活性；地下碳输入是森林SOC库的重要来源。在栓皮栎中其重要性超过了地上凋落物的碳输入，但是地上凋落物对土壤微生物代谢多样性有重要影响，而根系碳输入的效应不明显；（2） 碳输入途径对SOC代谢活性（AWCD）影响因人工林类型而异：相对于黑松人工林，改变碳输入对栓皮栎人工林的土壤AWCD影响更明显；栓皮栎人工林的土壤AWCD主要受地上凋落物的影响，而黑松人工林的土壤AWCD主要受地下碳输入的影响；（3）改变碳输入主要影响到栓皮栎人工林土壤中同活性有机碳库相关的糖类代谢。而黑松人工林中受影响的主要是同土壤慢性有机库相关的聚合物类代谢；4（1）土壤养分可利用性影响土壤微生物碳循环基因组成；（2）速效磷和水分显著影响栓皮栎人工林不同碳输入途径微生物碳源代谢图谱。土壤铵态氮和硝态氮显著影响黑松人工林不同碳输入途径微生物碳源代谢图谱。全球变暖下，针叶树种黑松人工可能是碳汇，而阔叶树种栓皮栎人工林需进一步结合CO2释放情况来确定是碳源还是碳汇。