典型森林土壤碳氮循环关键过程对可利用氮响应的同位素示踪研究

生态系统碳氮循环过程，特别是土壤碳氮循环对可利用氮动态的响应及其内在机制是全球变化研究的科学前沿之一。本项目选择我国东部南北样带上两个地带性森林-北方寒温带针叶林(可利用氮匮乏)和南方亚热带常绿阔叶林(可利用氮富集)，以土壤碳氮循环关键过程为切入点，在前期工作基础上，采用野外控制实验、13C和15N双标记技术和同位素原位观测等技术手段，对比研究不同气候区地带性森林碳氮分配、氮素转化和土壤温室气体(CO2、CH4和N2O)排放等过程对可利用氮动态的响应。拟解决的关键科学问题有：1) 可利用氮含量增加如何影响森林土壤碳氮循环关键过程及其相互作用？2) 控制森林土壤温室气体排放比例的内在机制是什么？3) 可利用氮含量增加对不同N富集水平森林碳分配和氮素运移的影响有何异同？4) 可利用氮动态如何改变土壤微生物群落组成与活性？本研究对解析全球和区域尺度上生态系统碳源汇空间变异和不确定性具有重要意义。

土壤碳氮循环对可利用氮的响应及其内在机制是近年来生态学研究的热点。本项目选择位于不同气候区的北方寒温带华北落叶松林和南方亚热带湿地松林为研究对象，以土壤碳氮循环关键过程为切入点，采用控制实验、13C和15N双标记技术和同位素原位观测等技术手段，对比研究不同气候区地带性森林碳氮分配、氮素转化和土壤温室气体排放等过程对可利用氮动态的响应。取得的重要研究成果包括：第一，发现了可利用氮增加降低了光合产物向湿地松地下和地上部分的分配，尤其是施加硝态氮；同碳分配相比，铵态氮、硝态氮及两者同时添加的组合处理均显著降低了氮在湿地松地上与地下部分的分配。第二，揭示了硝化作用与土壤酸化的循环往复正反馈过程是亚热带人工林土壤碳氮气体通量响应的核心，其他过程均受这个反馈过程的影响或控制。1）两种森林土壤有效氮的积累与损耗取决于施氮的类型和剂量。2）土壤CO2，CH4和N2O通量对增氮的响应也取决于施氮类型、剂量和持续时间；3）自然情况下水分非饱和土壤N2O排放主要受硝化过程驱动，氮素富集情景下反硝化过程对土壤N2O排放的变化贡献更大。第三，提出了土壤可利用氮增加对南北方森林土壤氮矿化过程影响不同。1）NH4+沉降并不会刺激亚热带森林土壤NO3-生产和削弱NO3-固持能力，NO3-沉降增加会刺激亚热带自养硝化和抑制NO3-固持，加剧生态系统N损失风险。2）高氮添加抑制NH4+固持，进一步加剧NH4+富集风险。第四，阐明了可利用氮增加对南北方森林土壤碳氮循环关键过程相关微生物的影响存在趋同和分异。1 ）N添加对南北方森林土壤碳水解酶活性、催化效率没有明显影响；2）N添加增加温带森林土壤有机氮水解酶活性，但酶与底物的结合程度降低；N添加降低亚热带森林土壤有机氮水解酶活性，但酶与底物的结合程度增强；3）N添加后，南北森林土壤微生物均将氮用于分泌磷酸酶，促进土壤中磷素循环，微生物酶活性表现出氮、磷循环耦合机制。本项目共发表论文55篇，其中SCI论文33篇，顺利完成了项目的预期目标。