长白山森林生态系统的根际激发效应

Soil organic carbon mineralization, a key process of the global carbon cycle, globally releases CO2 approximately 10 times of the amount from global fossil fuel burning. As indicated by results from recent laboratory experiments, the rhizosphere priming effect is the third most important factor for controlling and influencing soil organic carbon mineralization at a similar magnitude as soil temperature and moisture. However, because laboratory experiments are drastically different from field ecosystems, results from these lab experiments are not applicable to realistic field ecosystems. Due to methodological limitations, studying the rhizosphere priming effect in field forest ecosystems remains challenging. In this proposed project we will be the first to systematically investigate the rhizosphere priming effect in natural forest ecosystems along an altitudinal gradient at Changbai Mountain using a unique natural 13C tracer method. We will evaluate the mechanistic contributions of temperature, moisture, and the rhizosphere priming effect in regulating soil organic matter decomposition. We will obtain groundbreaking novel results about the rhizosphere priming effect in realistic forest ecosystems. These results will enable us to deepen our understanding of soil organic carbon mineralization and carbon cycling in forest ecosystems, and further provide theoretical and technical information for better management of forest ecosystems in China and beyond.

全球土壤碳矿化每年释放的二氧化碳是人类利用化石能源排放二氧化碳的十倍，是陆地生态系统碳循环的核心环节。近期室内研究结果表明，根际激发效应可能是调控土壤碳矿化的第三大因子，可与温度和水分因子相当。然而，室内试验与野外生态系统相差甚远，其结果不能直接用于衡量野外生态系统的土壤碳矿化过程。由于研究方法的限制，野外生态系统水平的根际激发效应仍属未知，是当前生态系统研究所面临的新挑战和难题。本项目将首次使用原创13C同位素方法，研究长白山不同海拔梯度森林生态系统中的根际激发效应，明晰温度、水分和根际激发对土壤碳矿化过程的调控机制。预期结果将为量化自然森林生态系统的根际激发效应提供原创数据，为深入理解森林生态系统的碳循环做出贡献，为更好的管理森林生态系统提供理论支撑。

根系输入既是土壤碳库的重要来源，同时也通过根际效应促进土壤有机质的分解。根际效应是调控土壤有机质分解的新机制之一。目前我们对根际（激发）效应的了解主要来自于室内或温室培养条件下，而对野外自然生态系统中的根际效应知之甚少。本项目采用独创的天然13C同位素内生长柱法和传统的抖根法等多种方法，探索了长白山海拔梯度森林生态系统的根际效应。获得的主要结果如下：. 1）评估了自然生态系统水平的根际效应强度及海拔格局。基于抖根法与土块法相结合的方法，估算了长白山不同海拔生态系统水平的碳矿化和净氮矿化的根际效应平均分别为19%（范围4%-48%）和16%（范围3%-34%）。可见，生态系统水平上的根际效应强度较大，在调控土壤碳氮循环方面的作用不可小觑。此外，生态系统水平的根际效应随海拔的升高而增大，而根际土比例是决定这一根际效应海拔格局的关键因子。该结果为了解自然生态系统的根际效应提供了新的大尺度的证据。. 2）初步揭示了森林生态系野外原位的根际激发效应。基于天然13C同位素内生长柱法，发现阔叶红松林的相对根际激发效应为正激发，即促进土壤有机碳的矿化，平均强度为5.6%。该结果意味着野外条件下的根际激发效应很可能不同于室内结果，为今后探索野外条件下的根际效应提供了技术支撑和理论基础。. 3）解析了土壤碳氮矿化分别在根际土和非根际中的耦合机理。利用长白山10个海拔梯度森林样地成对的根际土与非根际土，发现碳矿化和净氮矿化在根际土中显著正相关，而在非根际土中解耦合。该结果意味着根际投入可加强土壤碳氮矿化之间的联系，并证实了根际是土壤碳氮循环的热区。. 综上，本项目采用多种技术手段，在较大的空间尺度上，深入揭示了野外条件下自然生态系统的根际效应强度和海拔格局规律。研究结果为了解自然生态系统的根际效应提供了大尺度的原创数据，这些科研发现为理解根系或根际对土壤碳氮循环过程机理提供了新视角，最终为林业土壤经营管理等生产实践提供理论依据。

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