生物炭对北方森林火后乔木群落构建影响机制研究

A large amount of fire-derived biochar exists in the soil of boreal forest ecosystem, which was frequently disturbed by wildfire. Biochar is rich in some nutrient contents (e.g. K, P), and have strong absorbability. The existence of biochar may lead significantly changes in soil nutrient cycling of boreal forest soil. As consequences, post-fire plant community dynamics may be affected by the changed nutrient cycling. However, we know little about role of biochar in post-fire plant community assembly and relevant mechanisms. In this research, we integrate in-situ biochar addition, pot experiment and control experiment in lab, and use isotopic tracing technology, to further understand effect of biochar addition on plant nutrient competition and allelopathy, which are two key mechanisms control post fire recruitment in boreal forest. By considering plant-soil feedback system as a cohesive whole, we aimed to further understand the response of boreal forest ecosystem structure and function dynamics to the disturbance of wild fire. In the meantime, this research can also provide scientific suggestions on forest ecosystem restoration and forest soil improvement.

由林火产生的生物炭（未完全燃烧的植物残体）大量存在于火干扰频繁发生的北方森林土壤中。生物炭富含K、P等养分元素，并具有极强的吸附性，它的存在对北方森林土壤养分元素循环有重大影响，并很可能通过“植物-土壤”反馈系统改变北方森林火后群落构建过程。然而，我们对生物炭在北方森林火后植被动态中起到的重要作用及相关机理尚缺乏足够的认识。本项目拟采用野外原位添加、盆栽实验以及温室控制实验相结合的研究方法，利用养分元素同位素示踪等先进技术，对生物炭添加对植物养分竞争和化感作用这两个在北方森林火后植物群落构建过程中的关键环节的影响开展研究。本研究针对我国北方森林中实际存在的科学问题，以“植被-土壤”反馈系统为整体，研究其对生物炭添加的响应机理，可以加深我们对干扰与生态系统结构及功能动态之间关系的理解，同时也可以为制定合理的森林生态系统恢复以及森林土壤改良措施等生产实践提供科学参考。

由林火产生的生物炭（未完全燃烧的植物残体）大量存在于火干扰频繁发生的北方森林土壤中。生物炭的存在对北方森林土壤养分元素循环有重大影响，并很可能通过“植物-土壤”反馈系统改变北方森林火后群落构建过程。本项目采用野外原位添加、盆栽实验以及温室控制实验相结合的研究方法，量化了落叶松、白桦火后更新（种子萌发与幼苗生长）调控因子相对重要性；探明了生物炭对植物-土壤养分周转的影响等北方森林群落构建关键过程，揭示了北方森林“植物-土壤”系统对生物炭添加的响应规律，明确了生物炭在北方森林乔木群落构建过程中的重要作用以及影响机理，对生物炭添加对植物养分群落动态和养分循环等在北方森林火后植物群落构建过程中的关键环节的影响进行了深入研究。研究结果表明：（1）落叶松火后种子萌发在不同地形( 环境条件) 下的限制因子不同，人工辅助需因地制宜采取相应措施，才能更有效地促进种子萌发与森林恢复。（2）生物炭在不同物种（落叶松白桦）的不同生长阶段（种子萌发和幼苗生长）作用不同。生物炭对白桦种子萌发有抑制作用，其中落叶松叶炭抑制作用最大，苔藓炭抑制作用最小; 生物炭对白桦幼苗生长有促进作用，显著地增加了植物高度，其中以苔藓炭作用最为显著。生物炭对落叶松种子萌发和幼苗生长没有显著影响。（3）生物炭添加显著的增加了白桦幼苗株高、根长、碳含量和总生物量。生物炭对白桦幼苗的促进作用与生物炭对土壤水分的作用密切相关。（4）兴安落叶松种子和白桦种子混播时，白桦种子的存在并不影响兴安落叶松种子的萌发。而由生物炭引起的土壤水分散失速率变化会促进白桦种子的萌发，抑制兴安落叶松种子的萌发。本研究加深对干扰与生态系统结构及功能动态之间关系的理解，同时也可以 为制定合理的森林生态系统恢复以及森林土壤改良措施等生产实践提供科学参考。