氮素和杉木凋落物对土壤有机碳矿化及稳定性的影响

As an important measure of carbon sink enhancement and long-term productivity maintenance in plantation forest, fertilization has been gaining widespread attention at home and abroad. However, the effects and mechanisms of nitrogen fertilization on soil carbon cycling and stability remains highly uncertainty, especially in subtropical Chinese fir plantation ecosystem. The interaction between litter and soil, and the nitrogen form heterogeneity in different research make it difficult to elucidate the effects of nitrogen and litter on soil carbon mineralization and stability. This project takes subtropical Chinese fir plantation soil as research object, via adding 13C-labeled Chinese fir litter and different form of nitrogen（KNO3、NH4Cl、NH4NO3 and urea） in incubation experiment, combined with 13C Stable Isotope Tracing, Differential Scanning Calorimetry (DSC) and PLFA technology, to study the allocation pattern of litter carbon in different carbon pools during decomposition; the effects of 13C-labeled Chinese fir and nitrogen on soil organic carbon mineralization and stability; soil microbial biomass carbon and community structure dynamics. This project aims to elucidate the effects and mechanisms of different nitrogen forms on litter-soil interaction, and provide basic data and theoretical support for evaluation of carbon sink function in Chinese fir plantation forest.

施肥作为人工林生态系统增汇减排和维持长期生产力的重要措施受到国内外广泛关注。然而，施加氮肥对人工林土壤碳循环和有机碳稳定性的影响及其机制仍然存在很大不确定性，针对亚热带杉木人工林生态系统的研究更是缺乏。凋落物与土壤之间的耦和关系及研究者采用氮素的不一致是难以阐明该问题的重要原因之一。本项目以我国亚热带杉木人工林土壤为研究对象，通过添加13C标记杉木凋落物和不同形态氮素，采用室内模拟实验，结合13C稳定同位素示踪、示差扫描量热法和PLFA技术，研究不同氮素条件下，杉木凋落物在不同碳库中的分配格局；杉木凋落物对土壤有机碳矿化动态及稳定性特征的影响；土壤微生物碳来源及群落结构的变化动态。本项目旨在阐明不同形态氮素对凋落物-土壤耦合关系的影响，揭示施加氮肥和凋落物对杉木人工林土壤有机碳库矿化和稳定性的影响机理，为准确评价杉木人工林碳汇功能和建立杉木人工林长期生产力提供基础数据和理论支持。

为了研究我国亚热带地区人工林土壤有机碳库稳定性及其机理，本项目利用13C稳定同位素示踪技术研究了氮素和凋落物添加对土壤有机碳分解动态的影响及其控制因素，追踪凋落物在分解过程中在土壤各碳库中的分配，并利用13C-PLFA技术研究了微生物各类群在土壤有机碳分解及激发效应中发挥的作用。结果表明：与表层土壤有机碳相比，深层土壤有机碳具有较低的分解水平，但是添加凋落物后，深层土壤有机碳的分解速率显著提高，甚至达到表层土壤有机碳的分解水平，表现出更为强烈的正激发效应。该结果暗示缺乏新鲜凋落物输入是深层土壤有机碳维持其稳定性的重要机理之一。人工林经营过程中，将深层土壤翻到林地表层，可能会通过增强的激发效应加速杉木人工林土壤碳的损失；添加杉木、马尾松和火力楠凋落物均会引起土壤有机碳分解速率的显著变化，表明激发效应在人工林生态系统中是普遍存在的。激发效应强度与培养时间有关，一般来说，激发效应的最大值均出现在培养前期，并随着培养时间的延长，呈逐渐降低趋势；在培养后期，甚至出现负激发效应。激发效应强度与凋落物性质有关，一般来说，高质量的凋落物具有更快的分解速率，同时也会诱导更强烈的激发效应；氮磷养分添加不仅会改变凋落物和土壤有机碳的分解速率，还会改变凋落物与土壤有机碳之间的相互作用，具体表现在养分添加降低了激发效应强度，表明微生物对养分的需求是维持土壤有机碳稳定和导致激发效应产生的一个重要机理；凋落物在分解过程中，大部分凋落物碳（47.4%）以CO2的形式释放到大气中，只有3.6%和1.0%的碳分别进入微生物和可溶性有机碳，其余部分则让存留在土壤中；13C-PLFA结果表明：16:0和18:1ω9c脂肪酸所指示的微生物对新加入有机碳的利用效率高于其他微生物，此外，该比例并没有因为氮磷养分的添加而改变。该结果表明细菌和真菌在激发效应过程中均发挥重要作用。发表论文6篇，其中4篇为SCI收录论文。项目组人员1人晋级为副研究员， 另有1名硕士研究生在本项目的资助下完成毕业论文。