森林生态系统功能形成过程与机理

锐意探索，揭示森林土壤碳积累机理及其驱动机制，为森林生态系统碳平衡及碳汇功能的科学评估提供理论依据

为探讨森林土壤有机碳积累过程和机理，鼎湖山站研究团队进一步提出 2 个假说：（1）酸化作用驱动机制假说——土壤酸化影响土壤微生物活性，影响有机质的分解速率，活化盐基离子尤其是 Al³⁺ 的活性，刺激大分子有机物络合物的形成，有利于土壤碳的积累；（2）碳-氮耦合驱动机制假说——氮沉降的增加，一方面可以加速土壤的酸化，另一方面则增加了土壤氮的有效性，刺激与碳的耦合，形成大分子有机化合物，降低土壤有效态有机碳的含量，减少有机碳的排放与流失，增加土壤的碳积累。为了验证这 2 个假说，鼎湖山站选后建立模拟酸沉降、模拟氮沉降、开顶箱 CO₂ 倍增+氮添加（碳-氮交互作用）、降水变率、全封闭集水区（准确控制输入输出）等系列长期控制实验，并得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院的大力支持。集成分析长期监测资料和实验数据，在森林土壤有机碳积累机理方面取得了一系列的重要结论。

模拟实验结果揭示森林土壤有机碳积累机理

模拟氮沉降控制实验表明，高氮处理显著降低了成熟森林土壤呼吸速率，降低作用主要发生在雨季（每年4—9月，也是植物生长最旺盛的季节）；由于土壤微生物活性和细根的生长也受到了抑制，使得土壤呼吸对温度敏感性（Q₁₀）的下降，最终导致成熟林土壤 CO₂ 排放的下降（图 3），这意味着氮沉降可以驱使成熟林土壤有机碳的积累，也表明在氮沉降背景下成熟林土壤在减缓大气CO₂ 浓度上升过程中将扮演重要的角色。长期氮沉降可以导致土壤酸化、增加土壤吸附能力等物理化学控制机理（非生物学控制机制）降低根际区土壤可溶性有机碳（DOC）的输出，从而增加系统土壤的碳吸存量。而磷添加实验表明，磷素的增加却能显著改善成熟林（氮饱和）土壤微生物组成并提高土壤 CO₂ 的排放，这表明氮沉降可通过降低土壤磷的可利用性，限制土壤微生物对有机碳的分解，促进有机碳的积累。然而，由于成熟林（演替后期）土壤比其他过渡类型森林（演替中期和早期）具有更高的磷酸酶活性，在一定程度上抵消了该森林群落容易受磷素限制的影响。

图3

碳-氮交互作用实验结果表明，高 CO₂（700 ppm）和高氮（100 kg ha^-1 yr^-1）共同处理具有叠加的交互影响，比单独高 CO₂ 和高氮处理更能促进土壤 CO₂ 的排放，并导致土壤无机碳流失的增加，但由于交互作用显著促进植物的生长，提高生态系统净初级生产力（NPP）和水分利用效率（图 4），增加了土壤有机碳的来源（增加凋落物量、细根生物量及分泌物），促进土壤碳库的增加，表明碳的积累需要充足外源氮素的耦合。而在大气 CO₂ 升高的条件下，外源氮素的增加促进土壤易氧化有机碳（ROC）和颗粒有机碳的积累（POC），最终有利于土壤总有机碳（TOC）的增加（图 5）。

模拟酸沉降处理加剧了森林土壤的进一步酸化，抑制了土壤微生物活性和植物细根生物量，降低了土壤的CO₂ 排放，增加表层土壤有机碳的含量，但促进了土壤离子的活化，显著增加了 NO^3-、SO₄^2-、Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺等阴阳离子及溶解性有机碳（DOC）的淋溶，极显著增加 Al³⁺ 离子的淋溶，阳离子的活化将会促进大分子络合物的形成，有利于土壤有机碳的沉积。

降水变率改变控制实验（无降水处理、对照和加倍降水处理）结果表明，干旱（无降水处理）降低了森林土壤磷的矿化，在雨季（每年4—9月），加倍降雨也将不利于成熟森林土壤磷的矿化，土壤磷素可获得性的降低，限制了土壤微生物对有机碳的分解。在旱季（每年11月—次年 2月），土壤呼吸及其温度敏感性随着降雨量的增加而升高；相反，其湿度敏感性则随降雨量的增加而降低。在湿季，无降水处理降低土壤呼吸及其温度敏感性，并提高其湿度敏感性；研究结果表明干旱将降低南亚热带森林土壤呼吸，但雨季降雨增加可能抑制土壤呼吸对气温升高的响应。

以上结果从不同角度阐明了森林土壤积累有机碳的机理。

相关文章