亚热带森林生物多样性对土壤呼吸的影响及机制研究

Most studies about biodiversity and ecosystem function are focused on ecosystem productivity, while less on other functions, e.g., soil respiration and other ecosystem carbon cycling processes. There are several indirect pathways that biodiversity may regulate soil respiration, e.g., ecosystem productivity, quantity and quality of substrates in soil, microbial biomass and community structure. However, previous studies about soil respiration only care about the influence from quantity, but not the quality, which is closely related to aboveground biodiversity. In this case that the complex community structure is mixed into one single individual roughly, the influence of biodiversity on soil respiration can never be revealed. Based on a 50-ha permanent forest plot in Heishiding in Guangdong province, we are planning to measure soil autotrophic and heterotrophic respiration in 200 sample points. We will also conduct a lab manipulation experiment about soil organic matter and microbial community structure at the same time. Our goal is to illuminate the mechanisms that biodiversity regulates soil respiration through the various pathways, e.g., productivity, litter and soil organic matter and their quality, microbial community structure, by using structure equation modeling. This project will improve our understanding on how biodiversity affects soil respiration and offer some insights on the further development of process models about carbon cycling.

目前生物多样性与生态系统功能关系的研究主要集中于生产力，而对其他功能的研究涉及较少，尤其对土壤呼吸等碳循环过程的影响还鲜有报导。生物多样性可能会通过生产力、底物的量与质量、微生物总量和结构等间接过程来调控土壤呼吸。现有的研究主要考虑了这些过程总量的影响，而很少涉及与生物多样性密切相关的底物质量和微生物群落结构，这就相当于把群落中多种物种当成一个整体来研究，对揭示土壤呼吸的发生机制和过程是远远不够的。本项目拟借助于广东省黑石顶50公顷森林大样地平台丰富的本底数据，通过监测土壤自养和异养呼吸的空间变化，结合室内底物和微生物群落结构的控制试验，旨在研究生物多样性对土壤呼吸的调控机制这一关键科学问题。采用结构方程模型为核心的方法阐明生物多样性如何通过生产力、凋落物和土壤有机质的量与质量、微生物群落结构等过程调控土壤的自养和异养呼吸，并比较不同过程的相对贡献，为碳循环过程模型的深入发展提供理论依据。

本项目以亚热带森林生态系统为主要研究对象，在小尺度上探讨土壤呼吸的空间分布格局及其受生物多样性等生物非生物因子影响机制，主要取得了三方面的研究成果。（1）揭示了生物多样性和地形对亚热带森林土壤碳循环空间分布格局的影响机制。基于广东省黑石顶森林大样地的4公顷样方，连续监测了野外217个采样点的土壤呼吸速率和室内土壤微生物呼吸速率及其温度敏感性数据，以及多种地上地下生物非生物因子。结果发现，土壤呼吸、土壤微生物呼吸及其温度敏感性均呈现出巨大的空间异质性。土壤呼吸的空间变化主要由地形和地上植物群落结构驱动。海拔通过影响树种多样性、生产力和土壤含水量，进而影响土壤碳含量、粘土含量、真菌:细菌比、凋落物生物量和细根生物量等，最终作用于土壤呼吸。土壤微生物呼吸由土壤田间持水量和土壤有机质含量主导，而温度敏感性还受到地上植物群落结构和微生物群落结构的影响。该研究对准确评估区域尺度土壤碳循环过程及向大尺度推演具有重要指导意义。（2）研发了一套室内土壤微生物呼吸速率自动测定装置。该设备包含一套独特的换气系统，能够实现32个样品呼吸速率及其温度敏感性的全自动测定；培养期间所有培养瓶内环境均能维持在正常大气水平，从而保证了测定的自动化、高效率和准确性，有助于推动土壤碳循环研究的发展。（3）揭示了植物群落结构调节土壤呼吸对降水变化的响应。基于野外降水变化控制实验，发现异养呼吸对降水变化的响应强度显著大于自养呼吸。部分可能原因是降水增加后浅根系植物的比例显著提高，从而增加了表层根系含量，进而通过激发效应增强异养呼吸对降水变化的响应，这可能会在短期内影响土壤碳库的大小和稳定性。.完成两套数据集的收集：（1）野外4公顷森林样方连续两年土壤呼吸的空间分布数据集；（2）土壤微生物呼吸速率及其温度敏感性的空间分布数据集。这些数据集均包含对应的地上群落结构、土壤环境、土壤质地、土壤理化性质以及土壤微生物群落结构等数据。