森林是陆地生态系统中最大的碳库。森林年固碳量约占陆地生态系统固碳总量的三分之二,是陆地生态系统最大、最稳定的碳汇。中国森林总面积超过1.8 × 10 8公顷,是全国生态系统中最主要的碳库和碳汇。由于森林生态系统碳库和碳汇都十分庞大,即使只有微小的变动,也足以对全球气候变化产生重大影响。因此,在全球变化影响日益明显的今天,森林生态系统的碳循环过程及其机理也受到越来越多的关注。如何经营才能增加森林生态系统的固碳能力也成了当今林业和生态工程研究中非常重要的问题。在森林生态系统固碳的研究领域,自然稳定同位素法相较于其他方法有节省人力、破坏小和准确性较高等特点,试验结果能更真实地反映客观规律和过程,是解决森林生态系统固碳研究中的一些困难问题的有效手段。然而,尽管近些年有关自然稳定同位素法己取得很多进展,但是在应用于森林生态系统固碳的研究方面还存在着一些问题。本研究旨在应用自然稳定同位素法解决森林生态系统固碳过程(包括土壤固碳和林分固碳过程)研究中的一些关键问题。本研究用自然13C丰度法对刺槐人工林根际激发效应驱动的自养呼吸和异养呼吸进行了区分和估算。为了研究土壤呼吸对土壤温度和水分的响应,我们利用13C自然丰度法将人工林生长季土壤呼吸分为三部分:土壤异养呼吸、根呼吸和根际微生物呼吸。为了评价和提高造林项目的生态效益,本文收集了东北地区三个相邻人工林的土壤样品,利用13C自然丰度法测定了1998年以来土壤有机碳的固碳量。采用高通量测序结合稳定同位素法,对油松和栓皮栎根部驱动下土壤微生物群落、土壤有机碳和δ15N的变化进行了估算。选取梓叶槭作为研究对象,并对其进行了野外调查和取样研究。结果表明:在人工林深层土壤中依然存在明显的激发效应。激发效应引起的自养呼吸和异养呼吸占土壤总呼吸的比例随土壤深度而变化。根际微生物呼吸(RMR)约占土壤呼吸总量的15%左右,土壤激发效应碳释放(PSOM)仅占土壤呼吸总量的5%左右。根际微生物呼吸与土壤激发效应碳释放呈显著正相关关系。激发效应所产生的异养呼吸非常微弱,对大气CO2的影响并不明显。根呼吸和土壤微生物呼吸与土壤温度有显著的正相关关系。土壤异养呼吸与土壤水分呈正相关,根际微生物呼吸随土壤水分减少而显著降低。研究结果表明,植物根系和土壤微生物对土壤温度和水分的响应是不同的。根据本研究建立的根系—微生物模型的预测,当人工林土壤温度升高2℃时,平均土壤呼吸将增加12mg Cm-2h-1。通过模拟人工林生长季节根系—微生物系统的关系,可以表现和预测土壤呼吸对温度和水分的敏感性。兴安落叶松人工林新固定土壤有机碳随土壤深度的增加而减少,毛果杨人工林新固定土壤有机碳随土壤深度的增加而增加。而在山杏人工林中新固定土壤有机碳随深度的变化呈单峰状,且在30～40 cm深的土层中达到最大。随着距树干距离的增加,兴安落叶松人工林新固定有机碳的平均值逐渐降低,而毛果杨人工林新固定有机碳的平均值变化不大,在山杏人工林中则呈现出平缓的单峰曲线。总体而言,0～50cm 土层深度下兴安落叶松、毛果杨和山杏人工林中新封存有机碳的平均密度分别为0.60、0.70和0.61gcm-3。δ15N和C/N 比值的测定为新固定土壤有机碳主要受根系—微生物系统调控的假说提供了证据。在未来的研究中,当估算土壤固碳量时,应考虑土壤深度和树种的影响。不同树种、不同环境、不同演替阶段土壤微生物群落及新固定土壤有机碳含量均有不同程度的变化。真菌非加权距离和加权UniFrac距离能更好地反映不同微生物种群结构及其不同演替阶段的差异。根系驱动的新固定土壤有机碳与根瘤菌目(Rhizobiales)细菌(油松林)、红菇目(Russulales)真菌(栓皮栎林),以及它们的土壤δ15N均呈正相关关系。因此,根瘤菌目(Rhizobiales)细菌是油松根驱动碳固存的关键类群,红菇目(Russulales)真菌是栓皮栎根驱动碳固存的关键类群。土壤有机质的δ15N值可作为估算根系驱动固碳的重要指标。自然稳定碳同位素法可以有效揭示出一些不易被发觉的树木生长固碳的规律。根据树木生长的“双库模型”,树木叶片—枝干之间的分馏值(ΔL-S)和叶片—果实之间的分馏值(ΔL-P)可以反映树木利用年轻碳库和老碳库的情况。梓叶槭叶片—枝干之间的分馏值(ΔL-S)主要随树木体积的增长而变化,而叶片—果实之间的分馏值(ΔL-P)则主要随树高的增加而变化。结合野外调查的结果,本研究认为,梓叶槭是否会将光合产物主要用于生长固碳主要取决于两个方面:一方面是树木个体的生物量是否积累到一定程度。另一方面是树木是否身处于相对不利的环境。同时,树高也影响到了树木的物质分配策略。因此本研究认为,对树木生长不利的生境——尤其是人类破坏导致的不利生境——是制约梓叶槭生物量固碳的有害因素。在林业工程领域中,森林的培育与经营都应当遵循树木的生长策略来制定培育和经营方式。本研究表明自然稳定同位素法是研究森林生态系统固碳的重要途径。本文用自然稳定同位素法对森林生态系统固碳的过程与机理进行一些试验性的研究,为未来的研究提供方法,参考和理论依据。最后本文对该领域做了展望。