杉木凋落物诱导的激发效应对酸雨的响应及其微生物学机制

Since the capture of atmospheric CO2 by forest vegetation has confirmed to be weaken by acid rain, it is meaningful to study how the acid rain affect forest soil carbon turnover, which is critical for the sustainability of carbon sink in forest ecosystem under acid rain. However, the effects and mechanisms of acid rain on plant litter decomposition and soil organic carbon (SOC) mineralization remains highly uncertainty due to the interaction between litter and soil. We will combine the sustainable management in Chinese fir plantation and global research on acid rain, focus on the coupling relationship between the litter decomposition and SOC mineralization, use 13C stable isotope tracer technique to distinguish the CO2 derived from litter and SOC, and quantify the priming effect; trace the fate of litter carbon in different soil carbon pools during decomposition; use 13C-PLFA and High-throughput sequencing technology to reveal the relative contributions of different groups of microbes in the soil carbon turnover, elucidate the effect of Chinese fir litter on SOC turnover and its microbial mechanisms under acid rain. The current project will deepen our understanding on the role of priming effect in the formation and maintenance of soil carbon sink in Chinese fir plantation ecosystem, and provide theoretical basis and scientific support for sustainable management in Chinese fir plantation under acid rain.

在酸雨背景下，森林植被截获大气CO2的能力被严重削弱，森林土壤碳周转就决定着森林碳汇功能是否可以继续维持。酸雨如何影响凋落物和土壤有机碳分解仍存在很大的不确定性，而对激发效应的忽略则是难以阐明该问题的主要原因之一。本项目将结合我国南方杉木人工林可持续经营的现实需求和全球酸雨研究的前沿问题，抓住凋落物分解和土壤有机碳矿化的耦合关系这一科学问题，利用13C稳定同位素示踪技术区分来源于凋落物和土壤有机碳的CO2并量化激发效应；追踪凋落物碳在分解过程中的去向及对土壤不同碳库的贡献；借助13C-PLFA和高通量测序技术识别在土壤有机碳激发效应中发挥作用的主要微生物类群；旨在阐明酸雨背景下杉木凋落物对土壤有机碳矿化和土壤碳收支的影响及其微生物学机理。本项目的实施将有助于深入认识激发效应在杉木人工林土壤碳汇形成与维持中的作用，为实现酸雨背景下杉木人工林的可持续经营提供科学依据。

为了研究酸沉降背景下我国南方杉木人工林土壤凋落物分解和土壤有机碳矿化的耦合关系及其微生物学机理，本项目利用13C稳定同位素示踪技术研究了凋落物碳在分解过程中的去向及对土壤不同碳库的贡献；借助13C-PLFA和高通量测序技术识别了在土壤有机碳激发效应中发挥作用的主要微生物类群。结果表明：模拟酸雨处理下降低了凋落物和土壤有机碳的分解速率，但是在不同类型的凋落物（叶凋落物和凋亡细根）中有所差异。添加叶凋落物和凋亡细根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；叶凋落物诱导的激发效应，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；模拟酸雨不同酸雨强度和酸雨类型下，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，具体表现在低pH值酸雨下较低的酶活性降低了激发效应强度，表明微生物活性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；硫酸型酸雨对激发效应有显著的抑制作用，这表明人工林经营过程中，我国产能结构变化导致的酸雨类型由硫酸型酸雨向硝酸型酸雨转变的趋势下，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。发表论文6篇，其中5篇为SCI收录论文。培养了3名研究生，有1名硕士研究生在本项目的资助下完成毕业论文。