升温和氮沉降对我国东北森林典型树种菌根真菌介导的植物氮吸收和碳分配的影响

As main global change factors, temperature rising and nitrogen (N) deposition will inevitably alter the N cycle and carbon (C) balance of forest ecosystems. Aboveground plant litter quality and decomposition rates have been proposed as the fundamental determinants of long-term soil organic matter accumulation. Nevertheless, recent evidences from boreal forests and meta-analysis showed the critical role of roots and associated fungi in soil C stabilization and storage. Mycorrhizal associations affect plant productivity and belowground C allocation through mediating plant nutrient acquisition. Still, we know rather little about the magnitude and direction of this mediation of mycorrhizal fungi on forest carbon sequestration under global climate change, which limit our predictions about future scenarios of forest C exchange. In this proposed project, we will label two ectomycorrhizal tree species (ECM trees) and two arbuscular mycorrhizal tree species (AM trees) typical in northeast China with high 13CO2 and 15N tracer to study the link between plant C allocation to mycorrhizal fungi and the transfer of N from fungi to plants and their responses to soil warming and nitrogen addition. The results of the proposed project will improve our understanding on the mediating role of mycorrhizal fungi on plants belowground C allocation and thus potential soil C sequestration under the context of global warming and elevated N deposition, which is expected to be valuable from the perspectives of both forest management and soil C storage.

升温和氮沉降将深刻影响森林生态系统氮循环和碳固定。以往全球变化研究强调地上部凋落物输入对土壤碳吸存的贡献。近期研究表明菌根真菌对土壤碳稳定性和碳吸存至关重要。菌根真菌可通过调节植物氮供给影响植物氮吸收和生产力。然而全球变化背景下我们对于植物—菌根真菌氮竞争格局变化及其对植物生产力、地下碳分配的调控机制并不清楚，严重制约我们预测森林固碳潜力及土壤碳吸存对全球变化的响应。为此本项目拟选取我国东北温带森林典型外生菌根（ECM）树种和丛枝菌根（AM）树种各2种，采用时空精度较高的13CO2、15N双标记法结合磷脂脂肪酸13C分析（13C–PLFA），来研究植物–菌根真菌氮竞争对植物碳固定和地下碳分配的调控作用及二者对野外模拟升温和氮沉降的响应，从而揭示ECM和AM树种响应和适应全球变化的能力及菌根真菌的介导作用，为评估和预测升温和氮沉降背景下森林物种组成变化、固碳潜力和土壤碳吸存提供理论依据。

升温和氮沉降将深刻影响森林生态系统氮循环和碳固定。森林物种组成是决定森林生产力和碳固定的关键因素。森林植物氮吸收可能表现不同偏好进而减少竞争促进共存。有关我国东北森林主要植物是否具有氮吸收偏好性，将如何适应氮沉降引起的氮饱和等方面研究较少；同时以往氮偏好研究多以幼苗或植物根系为对象，我们并不清楚成年大树野外实际氮吸收特点。基于此，依托本项目，申请者（1）以我国东北次生林内常见树种红松、落叶松、蒙古栎、胡桃楸等四种幼苗为研究对象，揭示了不同树种幼苗对不同形态氮（NH4+-N、NO3--N和有机氮）的吸收和转运，发现除红松以外，另外三个树种幼苗氮吸收均以硝氮为主，硝氮吸收占其总氮吸收的68~88%，并以较快的速度运输到叶片；而红松通过根系优先吸收有机氮（甘氨酸），有机氮利用比例为43%，36%的有机氮（甘氨酸）未经其他转化以完整形态被吸收 (Zhu et al., 2019 Frontiers in Plant Science)；（2）创立了成年大树15N成对标记法研究成年大树原位氮吸收偏好，发现在标记后第四天对大树叶片进行采样即可判断其氮吸收偏好。该方法原理直观，操作简便，已被多家科研单位推广使用(Zhu et al., 2021 Tree Physiology)；（3）采用成年大树15N成对标记法研究了东北人工林4个典型针叶树种野外原位条件下氮吸收偏好，发现其均能高效吸收硝酸盐，与传统基于水培实验的针叶树种喜铵的结论不同。本项目从树苗和大树2个阶段揭示了我国北方森林常见优势树种（针叶为主）具备高效吸收利用硝酸盐的能力(Zhou et al., 2021 New Phytologist)。从植物养分供给和吸收角度来看，这暗示着氮沉降加剧和硝态氮比例增加等全球变化未必对其生长不利，我们可能需要重新评估针叶树种对全球变化的响应和适应性，为模型预测和森林养分管理提供数据和机制更新。未来我们将对更多的针叶和阔叶树种进行类似的研究以检验森林植物硝态氮利用是否具有普遍性。项目执行期间发表SCI论文4篇（New Phytologist，Tree Physiology，Frontiers in Plant Science，Ecological Processes），取得推广证明1项，培养中科院青促会会员1名（王盎），硕士研究生1名。