CO2升高对温带森林土壤氮循环多过程的影响机制

随着空气中CO2浓度的升高，森林氮循环如何响应及其变化对森林CO2固存的反馈影响，是近年国际上的研究热点。本研究以我国东北长白山温带森林为研究对象，以开顶箱系统为依托，研究CO2升高对典型树种红松、长白松和蒙古栎的氮循环过程的影响，其中包括总矿化作用，微生物固持，硝化和反硝化作用，植物氮吸收，和氮淋溶。本研究将采用氮的同位素添加示踪技术，通过氮循环模型，精确估算各个过程的总量(gross rate)和净量(net rate)，对多过程进行同步观测，以分析土壤无机氮和植物可利用氮量的实际控制过程。同位素示踪技术还可以直接显示在CO2升高条件下，植物吸收氮素的数量和形式的变化，以及氮素在土壤各个有机物库的分配过程和比例，具有很明显的优势和可行性。此类研究在我国温带森林地区从未开展过，项目的实施将促进学科发展，并且为全球变化下氮循环过程研究提供可靠的理论基础。

本项目采用开顶箱CO2熏蒸的方法，全面研究了CO2升高对温带森林典型树种蒙古栎地上地下碳氮循环过程的影响。本研究结果表明，CO2升高显著的促进了植物的光合作用，增加了碳的同化，并且增加了碳同化过程中的分馏作用，导致叶片的δ13C显著降低。增加的光合作用通过根际沉淀向土壤输入更多地碳，促进微生物量的增加，改变微生物群落结构。CO2升高促进土壤呼吸，增加了总的氮矿化和硝化速率，促进了硝态氮的增加，并在一定程度上促进土壤N2O释放。CO2升高缓解了可利用性碳对微生物的限制，增加了微生物氮固持，并维持微生物C/N不变。CO2升高条件下，微生物氮再矿化过程为植物和微生物提供58.31%可利用性氮，显著高于对照处理。尽管，CO2升高没有造成无机氮含量的显著变化，但是植物氮吸收受到限制，导致植物叶片C/N增加，存在氮限制的可能性。因此，CO2升高通过提高微生物活性，加速微生物周转速率，从而加快土壤碳氮循环过程。从长期的角度来看，该生态系统如果没有额外的氮输入，这些变化导致氮损失的增加将会造成生态系统进一步的氮限制。