有机质在酸性森林土壤缓冲酸沉降中的贡献及调控机制

Elevated anthropogenic acid deposition can aggravate acidification processes of forest soils, and thus exerts adverse impacts on the stability of those affected forest ecosystems and their services. However, the existing studies have mainly concentrated in the weathering and dissolution of soil minerals and ion exchange reaction, much less attention has been paid to the effects of soil organic matter (SOM) on acid buffering in the context of elevated anthropogenic acid deposition, particularly in the subtropical and tropical forest regions. These forest soils are highly weathered with low pH and base saturation, but the underlying acid buffering mechanisms remain largely unknown and controversial. Basing on the physical and chemical responses of metal cations to acid treatment, and choosing two natural forest soils from a subtropical succession series, this project will explore the contributions and regulation mechanisms of SOM in acid buffering through the method of long-term simulated acid rain experiment in the field. Results from this project will provide some references to forest management and water quality protection in catchment in the context of elevated anthropogenic acid deposition in southern China.

人为增加的酸沉降会加剧森林土壤的酸化进程，进而影响整个森林生态系统的稳定与生态服务功能。然而，目前关于森林土壤对酸沉降响应模式与缓冲机理的研究更多关注的是酸沉降导致土壤矿物风化、溶解以及阳离子交换反应的层面，对土壤有机质在酸缓冲进程中的贡献与调控机制的研究还比较缺乏，特别是对那些位于高强度酸沉降区、土壤矿物高度风化、盐基饱和度与pH均较低的热带、亚热带酸性森林土壤。因此，本项目拟以我国南亚热带两个不同演替阶段的酸性森林土壤为研究对象，借助野外长期模拟酸沉降实验平台，在研究酸性物质输入与土壤缓冲物质输出的同时，重点探究土壤有机质在这些酸性森林土壤缓冲酸沉降中的贡献及调控机制，以期为我国南亚热带森林的合理经营与集水区水质保护提供科学借鉴。

长期高强度人为酸沉降加速了我国南方森林土壤的酸化进程，但并未导致森林生产力和碳汇功能的降低。这些深度酸化的森林土壤如何持续缓冲酸化并积累有机碳是尚未解决的科学问题。本项目综合运用野外模拟酸、氮沉降实验、区域尺度森林样地调查与观测、以及大数据整合分析等研究手段，系统探究了森林土壤缓冲酸化过程与有机碳积累过程的关系，取得如下主要研究结果：1）酸性森林土壤较高的铁、铝氧化物在缓冲酸化的同时也能与有机碳产生矿质吸附作用，增加土壤碳吸存；2）氮沉降加速了森林土壤酸化，促进了土壤颗粒有机碳、腐殖质有机碳以及抗性有机碳的积累；3）酸沉降不仅能减少植物碳输入，也能抑制微生物呼吸，降低碳输出，从而转变生态系统碳循环过程；4）氮磷交互作用有效缓解了氮导致的土壤酸化效应，提高了微生物碳利用效率，增加了微生物生物量对土壤有机碳积累的贡献；5）成熟天然林较低的土壤pH与较高的黏粒含量是其能维持较高土壤碳储量的关键。本项目研究成果主要发表在Science of the Total Environment、Soil Biology and Biochemistry、Forests、生态学报以及应用生态学报等生态与环境领域重要期刊上。这些研究成果为深入理解酸沉降背景下森林生态系统碳循环过程与调控机理提供了理论基础，对有关部门制定科学的营林政策、以及森林碳汇功能提升与集水区水质保护都具有参考价值。