森林土壤食物网结构对氮沉降的响应机制研究

As a component of climate change, the effects of atmospheric nitrogen (N) deposition on forest ecosystems are substantial. Most previous studies of N deposition focus on aboveground ecosystems. In belowground ecosystems, most studies of N deposition focus on changes in soil microbial communities, the few studies that have been conducted suggest that soil fauna at higher trophic levels could also be affected by atmospheric N deposition. Studies on the responses of underlying processes of belowground ecosystems to atmospheric N deposition at soil food web levels are poorly documented. Soil is the habitat which probably harbors the greatest biodiversity on the planet. Soil biodiversity plays a significant role in maintaining carbon dynamics and nutrient cycling of terrestrial ecosystems. The information on the responses of belowground ecosystems to atmospheric N deposition will be vital for atmospheric N deposition research. However, the effects may not be accurately predicted from many manipulated field experiments in which N is often added directly onto understory and/or forest floor. In fact, there are many important processes of N in the forest canopies, including N uptake, retention, leaching and conversion of N from one form to another by biota and abiota actions in the canopy layer. To evaluate the effects of N deposition on soil food web accurately, we will carry out a large-scale Canopy Addition N in a mixed forest in central China. Our aims are to analyze the effects of N deposition on belowground ecosystem at soil food web levels based on the multitrophic interactions within soil food webs. The result will provide new understanding on the responses of belowground ecosystem to environmental changes, and the useful information to sustainable forest and environmental management.

生态系统对大气氮沉降的响应与适应是全球关注的重大科学问题。然而相关研究多数是关于地上生态系统的，地下生态系统中相关的研究又大多数关注的是土壤微生物的变化，更少的研究关注了更高营养级的土壤动物。而在土壤食物网水平上研究土壤生态系统对大气氮沉降的响应则未见报道。土壤生态系统是地球上生物多样性最丰富的生境，土壤生物多样性在维持陆地生态系统碳氮循环方面具有重要的作用。因此，土壤生态系统对氮沉降响应的信息是至关重要的。以往关于氮沉降的研究普遍采用林下模拟氮沉降的方法，忽略了冠层的吸收、转化和截留等重要过程，这可能未能正确评估氮输入的影响。本项目拟借助国内首个"林冠模拟氮沉降"野外控制实验平台，研究氮沉降对土壤食物网中主要的类群的影响以及这些类群在生态系统中的功能，进而根据这些生物的相互作用关系在食物网水平上分析土壤生态系统对大气氮沉降的响应机理。

大气氮沉降是全球变化的重要组分之一，对全球氮素循环产生了重大影响。土壤生态系统是地球上生物多样性最丰富的生境，土壤生物多样性在维持陆地生态系统碳氮循环方面具有重要的作用。然而以往氮沉降对土壤生态系统的研究主要是普遍针对土壤食物网中某一类群进行研究，而这些类群在食物网中受到其它类群的直接和间接的影响。单一类群与土壤食物网对大气氮沉降的响应可能完全不同。另外，国内外大多数森林生态系统的氮沉降研究主要依赖的手段是林下施氮的方式，而忽视了森林冠层过程，从而不能准确评估大气氮沉降带来的影响。本项目通过在北亚热带向暖温带气候过渡区落叶阔叶混交林生态系统布置大型的野外控制实验，研究了林冠施氮、林下施氮在不同浓度氮水平对土壤食物网的直接和间接影响。研究对象是土壤食物网中几类重要的组分，包括土壤微生物、土壤线虫、土壤小型节肢动物和蚯蚓，以期在食物网水平上分析氮沉降对地下生态系统的影响机理。我们研究主要的假设是：1）林下施氮高估了氮沉降对土壤食物网的负面影响；2）高浓度的氮添加可能会对土壤食物网有更强的负面影响；3）考虑到土壤生物巨大的多样性，一些类群可能受到氮沉降的负面影响而密度减小，另一些类群则可能密度增加或不变，土壤生物群落组成因此发生转变并可能影响到土壤生物多样性。结果发现林下施氮对土壤食物网影响较大，且基本为负面影响。与林冠施氮相比较，林下施氮降低了土壤线虫的多样性。而高浓度施氮降低了蚯蚓的多度和生物量。但浓度的高低对土壤食物网其它组分没有明显的影响，说明森林冠层在氮素的截留、吸收与转化方面可能有重要的作用，少数生物类群对氮沉降水平响应敏感。总之，氮沉降深远的影响了森林生态系统的命运，研究结果提供了冠层过程对缓解大气氮沉降对土壤食物网影响的重要信息，表明准确评估氮沉降对森林土壤食物网的影响，森林冠层过程必须要考虑。