增温背景下亚热带森林土壤水与磷有效性的关系及其生物化学调控机制

There is evidence that drying induced by warming is likely responsible for driving the climax community into a transition with more shrub individuals in monsoon evergreen broadleaved forests. Phosphorus constrains plant growth and other ecological processes in the majority of tropical and subtropical forests. Thus, changes in nutrient availability may be closely related to this trend. Basing on the translocation experiment at the Dinghushan Forest Ecosystem Research Station, this project aims to study the relationships between soil moisture and P availability under warming, and to reveal the mechanisms of microbial processes, plant regulations and iron redox that contribute to the relationships. This project tries to clarify the mechanisms of the trends in community structures in subtropical forests from the perspective on the interactions between soil temperature and moisture, and nutrient availability. The project results would have important implications on the sustainable utilization of resource and ecosystem management in subtropical forests.

近期研究表明，气候变暖引起的土壤水分变干极有可能导致了南亚热带常绿阔叶林群落向着灌丛化方向发展。在热带与亚热带地区，磷常常成为植物生长与其它生态过程的限制因子。因此，气候变暖背景下南亚热带地区群落结构的趋势性改变势必与生态系统养分资源有重要关联。本项目通过野外大型增温实验，研究在气温上升影响下，土壤水分与磷有效性的关系，揭示水和磷作用关系的微生物、植物和铁氧化还原反应的调控机理，试图从土壤温度、水分和养分效应联合角度阐明全球变化如何驱动南亚热带森林生态系统趋势性变化这一科学问题，为森林资源可持续利用和生态系统管理提供科学依据。

热带亚热带森林在陆地生态系统的碳汇中发挥着重要作用，全球气候变暖已经对这些生态系统功能产生了显著的影响。磷通常是热带亚热带森林中植被生产力的重要限制性营养元素，磷循环过程的变化可调节碳过程对气候变暖的反馈。然而，目前对增温背景下热带亚热带地区森林的磷循环过程的认识还相对缺乏。本研究以位于南亚热带鼎湖山的主要森林为研究对象，分别用海拔移位增温和红外增温法来模拟增温，测定植物、凋落物、非根际和根际土壤、地表水和渗透水的磷组分、植物生长、土壤酸性磷酸酶活性、微生物群落结构和铁氧化物等指标，以探究增温对模拟南亚热带森林生态系统磷循环的影响及其机理。主要结论为：增温对植物磷含量和土壤磷的影响因生态系统类型和树种的不同而不同。1）对于山地林，增温促进了红枝蒲桃、木荷和鼠刺的生长，但抑制了短序润楠的生长，这与促进了红枝蒲桃、木荷和鼠刺的光合速率和光合磷利用效率有关，与短序润楠光合速率和光合磷利用效率降低有关。鼠刺和短序润楠的磷生产力在增温条件下显著下降，表明鼠刺和短序润楠逐渐丧失竞争磷的优势；在个体水平上，增温背景下不同优势树种的磷获取能力主要取决于根际磷活化和利用而不是能量分配和植物磷利用效率的变化；在系统水平上，增温可维持植物加速生长较高的磷需求，但不影响生态系统磷输出总量；增强的植物对磷的重吸收、凋落物磷分解、土壤磷矿化和溶解是维持增温背景下植物加速生长的磷需求的重要因素。2）对于混交林，在增温下植物整体表现为叶片磷浓度上升，而C/P和N/P下降，这主要由于凋落物磷输入土壤增加和土壤有机质分解增加导致的有效磷增加，结果说明该生态系统的磷限制状态因气候变暖而减缓。3）对于季风林，增温促进了红锥和海南红豆的生长，降低了木荷和红枝蒲桃的生长。增温显著降低了木荷细根、红锥茎干和海南红豆枝的磷含量，增加了木荷茎干N/P和海南红豆的细根N/P。