降水季节变化对亚热带常绿阔叶林土壤生态过程的影响机制研究

亚热带常绿阔叶林目前是我国最大的植被C汇，在区域C平衡中发挥着极其重的作用；亚热带地区降水格局的未来变化趋势也存在很大的不确定性；但目前关于降水格局变化对森林生态系统影响的研究主要集中在温带森林和热带雨林。本项目拟利用野外穿透水隔移控制实验来模拟降水量在干季和湿季分配格局的变化，通过观测土壤理化性质、土壤微生物群落结构、细根动态和土壤温室气体排放对8种降水处理的响应，并利用同位素技术解析不同降水处理下常绿阔叶林优势树种资源分配策略的变化和温室气体在土壤剖面的产生与扩散过程，深入揭示亚热带常绿阔叶林土壤生态过程对降水量及其季节分配格局变化的响应行为和内在机制；同时结合机理模型分析常绿阔叶林土壤C的长期动态、源汇关系及其对未来降水格局变化的可能响应。研究结果对于深入认识我国常绿阔叶林与气候变化之间的相互作用及反馈机制有重要的科学意义。

降水格局变化是全球变化生态学研究的一个重要方面，它不仅包括降水量的变化，也包括降水季节性和降水强度的变化。相对于干旱区和温带森林生态系统而言，热带和亚热带森林开展的降水格局变化控制实验为数不多，尽管这些森林在全球碳平衡中扮演着重要角色。我们在中国南亚热带的一个常绿阔叶混交林内设计一下较大型的降水季节分配变化野外控制实验，做了两种干季减水处理（干季更干和延长干季），但湿季均增加大强度降水而保持年降水量不变。实验的主要目的是为了刻画一些关键土壤生态过程（如凋落物分解、氮矿化、温室气体排放、细根动态）及主导这些过程的土壤微生物群落如何对本地区未来的降水季节变化格局做出响应。经过为期5年的研究，我们发现减少67%的干季穿透水可使土壤含水量下降17-24%，但湿季加水对含水量影响不大。土壤微生物生物量、磷酯脂肪酸PLFA指示的微生物群落结构，以及土壤酶活性对干季减水和湿季加水的响应均不显著。但是利用高通量测序分析得出的结果显示，一些稀有细菌群落和两种优势真菌群落对干季减水或湿季加水均有明显的响应，表明土壤微生物群落组成可受降水季节变化的影响。植物茎干生长、蒸腾和凋落物生产均对干季减水产生了负响应，土壤氮矿化与凋落物分解过程也如此，并且这些减少量没有在湿季加水时得到补偿。但是，干季减水刺激了细根生产和土壤CO2排放；而湿季时细根死亡最也大，CO2排放也有一定增加。因此，本实验中的干季更干、湿季更湿实验处理整体上导致了常绿阔叶混交林土壤固碳能力的下降。这一研究结果对于预测我国亚热带森林对区域降水格局变化的响应具有重要的理论意义。我们的研究也启示在开展降水格局研究时，降水季节性和降水强度的变化可能比降水量的变化对陆地生态系统造成更深远的影响。通过本项目的研究，课题组共发表论文13篇，其中有11篇SCI论文和2篇中文核心期刊论文。有20位学者参与了本项目的研究，其中有9位研究生获得了博士或硕士学位。