土壤是陆地生态系统中最大的碳库,约为大气碳库碳储量的2倍。人类活动,如人工林的管理措施(采伐干扰、化肥的使用)、化石能源的燃烧(大气氮沉降加剧),都不可避免地对森林生态系统地下碳循环产生重要的影响。土壤呼吸占森林生态系统总呼吸的30%-80%。在全球变化的背景下,了解土壤呼吸内在的调控机制,有助于更好地缓解全球变暖。试验地位于国家林业局山西太岳山森林生态系统定位站(灵空山林场)。本研究通过不同强度的采伐干扰、土壤呼吸组分区分、模拟氮沉降处理,基于长期野外监测数据,探索:(1)不同强度采伐干扰对人工油松林土壤呼吸及其组分(自养呼吸、异养呼吸)的影响;(2)油松天然林与人工林土壤呼吸及其组分对模拟氮沉降的响应规律;(3)根据分解底物的不同,对异养呼吸组分进行进一步的划分(根呼吸,微生物分解地上凋落物,微生物分解地下土壤有机质),探讨人工林异养呼吸组分对不同强度氮添加的响应机理,进而探讨影响油松林土壤碳循环的关键要素,为减缓气候变化提供理论支撑。1.理解土壤呼吸及其组分对采伐干扰的响应是至关重要的,有助于更好地评估森林管理活动对人工林生态系统碳循环的影响。然而,土壤呼吸(Rs)以及其两个组分(自养呼吸,Ra,异养呼吸,Rh)随着不同强的采伐干扰变化的内在机理并不清楚。在本研究中,采用壕沟法监测了 5个生长季油松人工林的土壤呼吸、土壤自养呼吸和土壤异养呼吸,采伐强度基于林分断面积设置为4个梯度(对照,CK;轻度采伐,LT;中度采伐,MT和重度采伐,HT)。总的来讲,LT和MT处理与对照相比分别显著增加了 13%和17%的土壤呼吸。这些土壤呼吸的增加可以归因于LT和MT样方中自养呼吸的加强,因为低度和中度的采伐干扰促进了根系生长和林分生产力(更高的细根生物量)。然而,重度采伐没有进一步导致自养呼吸的增加,这表明采伐剩余的树木和林下植被(草本和灌木)的生长增量并没有能够补偿采伐干扰所导致的光合作用的降低和根系呼吸的损失。与自养呼吸相反的是,异养呼吸的变化与采伐干扰的强度不相关,部分原因是采伐和对照样方中呈现出稳定的森林地被层(非活性的有机物质,比如凋落物和细根残体)和微生物生物量碳(MBC)。自养呼吸和异养呼吸的温度敏感系数(Q10)变化范围分别为1.40到3.07和2.34-3.42。自养呼吸温度敏感系数的最大值出现在中度处理中,然而异养呼吸出现在轻度采伐处理中。土壤湿度与异养呼吸显著相关,但对自养呼吸的预测效果较差。这些结果表明自养呼吸和异养呼吸对采伐干扰的响应是独立的。在评估森林管理对人工林固碳潜力的影响时,采伐管理的强度以及植物调节的生物过程是至关重要的。2.众所周知,大气氮沉降增加对天然和人工林生态系统中的土壤呼吸(Rs)有显著影响。无论是天然林还是人工林,Rs对模拟氮沉降的响应在森林生态系统中都得到了广泛的研究。由于天然林和人工林在许多方面(如物种组成、森林管理、演替阶段和土壤性质等)不同,天然林和人工林对氮添加的响应也可能不同。然而,到目前为止,很少有研究对天然林和人工林进行直接比较。因此,我们研究了在天然和人工油松林中,自养呼吸(Ra)、异养呼吸(Rh)和总Rs对氮添加的响应。氮添加的强度设置为对照,低氮和高氮三种处理(CK=0,LN=50,HN=100 kg N ha-1 yr-1),在五个生长季,每月进行两次。测定了土壤呼吸及其组分、土壤性质、微生物量(MBC)、酶活性和细根生物量。氮添加5年后,我们的研究结果表明:(1)三种处理下,人工林的年均土壤呼吸显著高于天然林;(2)天然林的LN和HN处理下的年均Rh分别降低了16.8%和28.3%,而人工林的年均Rh分别降低了 14.4%和1 8.3%。(3)在天然林中,LN和HN处理下的年均Ra分别增加47.6%和59.5%。不同的是,在人工林中,只有LN处理下Ra的速率显著增加。在天然林和人工林中,对Rh的抑制主要与微生物生物量碳(MBC)的下降和纤维素降解酶活性的降低有关。然而,天然林和人工林中Ra对不同强度的氮添加响应的模式不一致,这可能是氮有效性高的情况下的铵根离子的毒性导致的。我们强调天然林和人工林对添加氮的响应可能不同,这取决于Ra的不同响应。我们的研究结果可能对森林管理和预测未来氮情景下的森林生态系统碳平衡具有重要的意义。3.大气氮(N)沉降的加剧和施肥管理措施都会对人公林生态系统碳(C)循环产生深远的影响。作为地下碳循环的重要组成部分,土壤呼吸可能受到氮有效性变化的影响。然而,土壤总呼吸(RST)及其三个组成部分,即植物根系产生的土壤呼吸(RSR)、无根土壤(RSs)和凋落物层(RSL)对这种氮增加的响应仍不清楚。为了评估氮添加对土壤呼吸组分的影响,在2011至2015年的连续五个生长季节,对油松人工林进行了低氮(LN,50 kg N ha-1yr-1)、中氮(MN,100 kg N ha-1yr-1)和高氮(HN,150 kg N ha-1yr-1)三个水平的氮添加处理,同时把无氮添加的处理作为对照(CK)。RST的5年平均年速率为2.18±0.43μmol m-2s-1,RSR,RSs和RSL的贡献率分别为8.8±3.1%、82.2±4.5%和9.0±5.5%。与对照组相比,HN处理的RST显著增加了 16.5%,而LN和MN处理组则没有增加。由于微生物生物量碳(MBC)和酶活性的降低,LN、MN和HN处理的RSS分别降低了18.1%、26.6%和18.4%。相比之下,在MN处理下,RSR增加了两倍以上,促进了根系生长和活性(较高的细根生物量和氮浓度)。仅在高氮处理中发现RSL显著增加,增加的凋落物输入提高了凋落物的分解量,从而导致RSL增加。我们的研究结果清楚地表明,不同强度的氮添加对土壤呼吸组分有不同的影响。特别是异养呼吸的地上和地下组分,RSL和RSR组分对高氮处理有着不同的响应。因此,我们强调土壤呼吸组分对氮添加的响应应该单独研究。我们的研究结果有助于更好地了解未来氮情景下的土壤呼吸动态,对森林管理具有重要意义。