長白山垂直帶森林葉片-凋落物-土壤連續體有機碳動態
——基于穩定性碳同位素分析

司高月,李曉玉,程淑蘭,*,方華軍,,于貴瑞,耿 靜,何 舜,于光夏

1 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049 2 中國科學院地理科學與資源研究所/生態系統觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

長白山垂直帶森林葉片-凋落物-土壤連續體有機碳動態
——基于穩定性碳同位素分析

司高月1,李曉玉2,程淑蘭1,*,方華軍1,2,于貴瑞2,耿 靜2,何 舜1,于光夏1

1 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049 2 中國科學院地理科學與資源研究所/生態系統觀測與模擬重點實驗室,北京 100101

穩定性碳同位素自然豐度(δ13C)記錄著生態系統碳循環過程的關鍵信息,常被用于評價全球變化情景下陸地生態系統碳的動態。以長白山北坡垂直帶4種典型森林生態系統為研究對象,測定喬木建群種葉片、凋落物以及不同深度土壤有機碳(SOC)含量和δ13C值,探討植物葉片-凋落物-土壤連續體碳含量、δ13C豐度的分布格局及其生態學暗示。研究結果表明：植物葉片碳含量隨海拔高度的增加呈現拋物線型變化,且闊葉樹葉片碳含量顯著低于針葉樹,體現氣候要素和植被功能型的支配作用,并且暗示針葉樹種潛在的碳蓄積能力更強。此外,植物葉片δ13C隨海拔高度升高而降低,表明高海拔植物葉片水分利用效率較低,即固碳耗水成本更高。凋落物碳含量隨海拔增加逐漸下降,而礦質表層土壤則表現為闊葉紅松林、岳樺林顯著高于暗針葉林,體現了植被類型和土壤質地的共同支配作用。總體上,岳樺林SOC周轉最快,其次是暗針葉林,位于基帶的闊葉紅松林最慢。可見,小尺度上氣候因子并不是溫帶森林地下碳循環的主導因素,植被功能型和土壤屬性對SOC周轉與穩定的影響更大。在探討環境因子對陸地生態系統碳循環和碳平衡的影響時需要考慮研究尺度,不同的研究尺度影響SOC周轉的驅動因子并不相同。研究方法方面,基于logSOC和δ13C的SOM周轉模型能夠很好地概括不同生態系統類型下SOM周轉的相對快慢,可用來評價SOC動態對全球變化的響應。

13C自然豐度；葉片-凋落物-土壤連續體；水分利用效率；土壤碳周轉；山地垂直帶

Abstract： The natural abundance of the stable carbon isotope (δ13C) records key information regarding the ecosystem carbon (C) cycle and is commonly used to assess the C dynamics in terrestrial ecosystems under global change. In this study, we selected four typical forest ecosystems along the vertical transect distributed in Changbai Mountain and measured the C concentrations andδ13C values of leaves of constructive tree species, litter, and soils at different soil layers. The aim of this study was to explore the patterns of C content andδ13C values in the leaf-litter-soil continuum, as well as their ecological indications. The results showed that foliar C content first increased and then decreased with the increasing altitude, and the parabolic peak appeared at the Ermans birch-spruce-fir forest stand; moreover, the C content of broadleaved tree species was significantly lower than that of coniferous species, reflecting that coniferous species had a higher C sequestration capacity relative to that of broadleaved species. Climatic factors and vegetation types dominated the pattern of foliar C content. In addition, foliarδ13C decreased with increasing altitude, indicating that vegetation at high-altitude sites had lower water use efficiency (WUE) and higher water consumption by C sequestration relative to that at low altitude sites. Litter C content gradually decreased with increase in altitude, whereas topsoil C content at the 0—20 cm depth at the broad-leaved Korean pine forest (BLKP) and Ermans birch forest (EB) was higher than that of the Korean pine-spruce-fir forest (KPSF) and Ermans birch-spruce-fir forest (EBSF), reflecting the predominance of vegetation type and soil texture together. Overall, the birch forest had the highest SOC turnover rate, followed by that of the two dark coniferous forests, and that of the broad-leaved Korean pine forest was the lowest. Our results suggest that climatic factors are not the predominant factors in the belowground C cycle of temperate forests at a small scale, and vegetation functional types and soil properties could have greater effects on the turnover and stability of SOC. Because the factors driving the turnover of SOC are not the same at different study scales, we should more intensively consider the research scale when we explore the effects of environmental factors on C cycle and C budget in terrestrial ecosystems. The SOM turnover model, based on the regression of logSOC andδ13C, is a good method to characterize the rate of SOM turnover in various ecosystems, which can be used to evaluate the response of SOC dynamics to global change.

KeyWords:13C natural abundance; leaf-litter-soil continuum; water use efficiency; soil C turnover; mountain transect

森林作為陸地生態系統的重要組成部分,是大氣溫室氣體的源和匯,也是陸地生態系統最大的碳庫[1]。全球約有1400—1500 Pg (1Pg=1015g) 碳以有機態形式儲存于土壤中,是陸地植被碳庫的2—3倍,而森林土壤約占全球土壤有機碳(SOC)庫的73%[2]。其中,溫帶森林面積為10.38億hm2,植被和土壤碳儲量分別為59Pg和100Pg,占全球森林總碳儲量的10.9%,在森林生態系統碳循環和碳平衡中具有舉足輕重的地位[3]。SOC儲量受多種因素影響,包括氣溫、降水[3]、森林類型[4-5]、土壤理化性質[6]、干擾及人為管理等[7]。準確評價環境因子對森林生態系統碳儲量和碳周轉的影響,是構建碳素生物地球化學過程模型的前提和基礎,也是有效降低區域和全球陸地生態系統碳平衡評估不確定性的關鍵。

植物-凋落物-土壤連續體穩定性碳同位素自然豐度(δ13C)記錄了生態系統碳循環過程的關鍵信息[8]。植物通過光合作用固定大氣CO2(δ13C=-8‰),一部分用于構建自身的生物量(δ13C=-25—-30‰),很大一部分通過植物自養呼吸返回大氣,還有一部分碳通過植物根系、凋落物(δ13C=-26‰)的形式進入土壤[9]。凋落物和其它動植物殘體在微生物作用下逐步降解成小分子化合物,然后再縮合成腐殖質(δ13C=-25‰),在此過程中釋放CO2(δ13C=-27‰)到大氣中。由于微生物選擇性地利用輕的12C,導致殘留反應物13C相對富集,而反應產物13C相對貧化[9]。因此,生態系統各組分的δ13C值差異明顯,常被用于示蹤研究氣候變化和人為干擾情景下植被和土壤長期的碳動態。例如,植物葉片δ13C豐度與植物的水分利用效率(WUE)正相關,能夠反映單位質量水分所能固定的碳量[10]。在土壤碳周轉方面,粗顆粒、低密度SOM組分主要來源于最新進入、13C 貧化的凋落物殘體,而細顆粒、高密度SOM組分則分解時間較長,13C相對富集[11]。因此,穩定性碳同位素豐度能夠有效地表征凋落物和土壤碳儲量的微小遷移與轉化,以及定量評價新老SOC組分變化對碳儲量的相對貢獻[6,12]。然而,過去有關地下有機碳周轉的研究多基于放射性的14C技術或13C標記方法[13-15],鮮有利用自然13C豐度來分析土壤碳含量動態和碳周轉特征。

氣候變化(如溫度升高、降水格局改變等)會顯著改變植被和土壤碳循環過程,進而影響生態系統的碳平衡[16]。野外控制實驗、陸地生態系統樣帶和模型模擬等方法常被用于研究多個環境因子的交互作用對森林土壤碳循環的影響,3種方法各有所長,相輔相成互為補充[16]。山地垂直帶譜具有天然的環境變化梯度,一般隨著海拔高度的增加氣溫逐漸下降,而降水量會顯著增加,為研究氣候變化對生態系統碳氮循環過程的影響提供了理想的研究平臺[17]。假設：隨著海拔高度的增加,輻射增強,光合作用增加,植物碳含量增加；同時由于溫度降低,降水增加,SOC周轉會變慢,進而導致SOC積累。為了驗證上述假設,本文以長白山北坡垂直帶典型森林為研究對象,利用穩定性碳同位素技術,研究植物葉片-凋落物-土壤連續體碳含量和δ13C豐度的變化規律,分析SOC動態和δ13C豐度變化之間的關系,試圖闡明不同氣候帶下碳的循環和周轉特征。研究結果一定程度上可以加深森林生態系統碳循環過程及其驅動機制的理解。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于中國東北長白山自然保護區(127°38′E, 41°42′N),最大海拔高度2691 m。該區屬于典型的溫帶大陸性山地氣候,具有漫長寒冷的冬季和溫暖的夏季。年均溫為2.8—-7.3℃,年均降水量為679—1339 mm[18]。長白山北坡具有典型的垂直帶譜,海拔500—1000 m為針闊混交林,1100—1700 m為暗針葉林,1700—2000 m為岳樺林,2000 m以上為高山苔原[18]。沿著長白山北坡山地垂直樣帶,我們選擇了闊葉紅松林(BLKP)、紅松云冷杉林(KPSF)、岳樺云冷杉林(EFSF)和岳樺林(EB)等4個典型森林生態系統為研究對象。其中,闊葉紅松林處于演替的頂級階段,林齡約為200a；其他3個森林屬于亞高山北方森林,均為老齡林。土壤類型分別是山地暗棕壤、棕色針葉林土和山地生草森林土。每個森林立地以及表層土壤屬性如表1所示。

表1 長白山自然保護區垂直帶4種典型森林立地和0—20 cm表層土壤屬性

數據來源于中國生態系統研究網絡(CERN)

1.2 植物與土壤采樣

2015年7月中旬,在每個森林立地隨機設置了3個獨立的樣方,面積10 m×10 m。在每個樣方中每個建群種選擇3株標準木,利用高枝剪采集冠層上方陽葉。闊葉紅松林采集了紅松、紫椴、水曲柳和蒙古櫟4個喬木物種,紅松云冷杉林采集了紅松、魚鱗云杉、冷杉3個物種,岳樺云冷杉林采集了魚鱗云杉、冷杉、岳樺3個物種,岳樺林只采集了岳樺一個物種。除了水曲柳外,其他喬木樹種都是外生菌根類型。樣方內所選物種的總生物量占地上喬木生物量的80%以上[17],因此所選物種能夠整體上代表該森林的植被。對于每個森林樣方,用采樣鏟采集未分解的凋落物層(Oi)、半分解及完全分解的凋落物層(Oe+Oa)樣品。通過挖掘土壤剖面來采集不同深度的礦質土壤樣品,采樣深度至母質層,每個樣地挖掘一個土壤剖面,共12個；采樣深度為40—50 cm,采樣間隔為10 cm。采集的植物葉片先用水洗凈表面浮塵,再用去離子沖洗干凈,65℃下烘干。土壤樣品自然風干,過2 mm篩。烘干的植物和風干的土壤樣品利用球磨機粉碎過100目篩待測。

1.3 碳濃度與δ13C豐度的測定

利用元素分析儀(Flash EA1112, ThermoFinnigan, Milan, Italy)和穩定性同位素質譜儀(Finnigan MAT 253, Thermo Electron,Bremen, Germany)聯機系統測定植物和土壤樣品的碳濃度和δ13C豐度[10]。穩定性碳同位素豐度的計算公式為：

式中,δ13C為樣品的13C豐度(‰),Rsample為樣品的13C/12C比率,Rstandard為標準樣品PDB的13C/12C比率。10份重復樣品測定的標準差小于<0.4‰。

研究表明,影響土壤剖面δ13C分布格局的主要過程是碳的礦化,非生物擾動和溶解性有機碳(DOC)的淋溶影響較小[19]。因此,土壤δ13C值涵蓋了新鮮凋落物向SOM轉變過程時間信息[20]。利用δ13C與SOC含量對數的線性擬合方程(δ13C=a+K×logSOC)斜率(K)來描述凋落物向土壤有機質(SOM)轉變引起的δ13C 變化,其內在的涵義表示碳含量每增加10倍引起的同位素分差[21]。K值的負值越大,表明微生物礦化引起的土壤碳周轉越快[10,20-21]。

1.4 數據統計分析

利用雙因素方差分析來檢驗森林立地和樹種對葉片碳濃度和δ13C值的影響,利用單因素方差分析檢驗不同森林立地之間凋落物、礦質土壤有機碳含量及其δ13C值的差異,利用Tukey′s HSD進行均值比較。采用一元回歸分析方法研究土壤δ13C和SOC含量自然對數值(logSOC)之間的關系,根據回歸方程斜率值K來評價SOC周轉隨海拔高度的變化。利用SPSS 16.0軟件進行數據統計分析,利用Sigmaplot 12.5軟件進行統計繪圖。

2 結果與分析

2.1 葉片碳含量和δ13C豐度

不考慮喬木類型,不同森林立地喬木葉片碳含量隨著海拔高度的增加先增加后降低,呈現拋物線或二次方程變化,平均值變化范圍在51.53%—56.70%,不同森林類型間差異顯著,紅松云冷杉林最高(圖1,表2,P<0.001)。針葉樹葉片碳含量均顯著高于闊葉樹,紅松、云杉、魚鱗冷杉最高,其次是紫椴和岳樺,蒙古櫟和水曲柳葉碳含量最低(表2,P<0.001)。在同一森林立地中,闊葉紅松林中紅松葉片碳含量較其他闊葉樹種高4.4%—10.6%,岳樺云冷杉林中針葉樹種比岳樺葉片碳含量高1.7%—4.1%(圖1)。

不考慮喬木類型,植物葉片δ13C值基本上隨著海拔高度的增加逐漸下降(圖1),但不同森林立地間差異不顯著(表2,P=0.28)。就同一森林立地而言,針葉樹葉片δ13C值顯著低于闊葉樹,闊葉紅松林中紅松以及岳樺云冷杉林中的云杉、冷杉葉片δ13C較闊葉樹種低2.2%—5.4%。另外,喬木類型與森林立地之間具有明顯的交互作用,隨著海拔高度的增加,同一樹種葉片δ13C有明顯下降趨勢(圖1,表2,P=0.046)。

圖1 不同森林不同喬木樹種葉片碳含量和δ13C豐度的變化Fig.1 Variation of foliar C and δ13C among species and forests BLKP:闊葉紅松林broad-leaved Korean pine forest,KPSF:紅松云冷杉林Korean pine-spruce-fir forest,EBSF:岳樺云冷杉林Ermans birch-spruce-fir forest,EB:岳樺林Ermans birch forest

變異來源Sourceofvariation名稱Name總碳含量TotalCcontent/%δ13C值δ13Cvalue/‰均值MeanP均值MeanP森林立地ForeststandsBLKP51.53c<0.001-28.34a0.28KPSF56.70a-28.42aEBSF55.81ab-28.44aEB53.47bc-28.92a樹種類型Treespecies紫椴52.51b<0.001-28.92b0.039紅松55.82a-29.04c水曲柳49.32c-27.39a蒙古櫟49.36c-28.08b云杉56.75a-28.29b冷杉56.33a-28.41b岳樺54.06b-28.49b森林立地×樹種類型Foreststands×treespecies0.490.046

BLKP:闊葉紅松林broad-leaved Korean pine forest,KPSF:紅松云冷杉林Korean pine-spruce-fir forest,EBSF:岳樺云冷杉林Ermans birch-spruce-fir forest,EB:岳樺林Ermans birch forest;同一列中不同字母表示均值的差異顯著

2.2 土壤碳含量和δ13C豐度

4種森林土壤總碳含量隨著土壤深度的增加呈指數下降,剖面變化格局相同,不同森林類型凋落物層和0—10 cm礦質表層土壤總碳含量差異顯著(圖2)。凋落物層碳含量隨著海拔高度的增加逐漸下降,闊葉紅松林(47.28%)顯著高于岳樺林(33.84%)(表3)。礦質表層土壤碳含量也是闊葉紅松林最高(5.79%),其次是高海拔的岳樺林(5.45%),而紅松云冷杉林和岳樺云冷杉林最低(2.84%和3.02%)(表3)。

與土壤總有機碳變化趨勢相反,土壤δ13C值隨土壤深度的增加而增加(圖2)。無論是凋落物層還是礦質土壤層,岳樺云冷杉林土壤δ13C值最高,岳樺林最低,不同林型間差異顯著(表3)。就凋落物層而言,岳樺云冷杉林δ13C值平均為-27.15‰,分別比闊葉紅松林、紅松云冷杉林、岳樺林高2.5%、3.6%和5.6%(表3)。同樣,岳樺云冷杉林礦質土壤層δ13C較其他3個森林分別高3.6%、3.1%和6.4%(表3)。

2.3 土壤碳含量與δ13C豐度之間的關系

長白山北坡垂直帶4種森林土壤δ13C與logSOC均呈現極顯著的負相關關系,logSOC能夠解釋土壤δ13C變異的95%以上(圖3和表4)。回歸方程斜率K的絕對值表示土壤SOC的周轉速率,參數K的變化順序依次為：岳樺林(2.92)>紅松云冷杉林(1.85) >岳樺云冷杉林(0.97)>闊葉紅松林(0.95)。研究結果表明,岳樺林土壤碳周轉最快,而闊葉紅松林土壤周轉最慢。

圖2 不同森林土壤有機碳含量和δ13C 豐度沿著土壤深度變化特征Fig.2 Variation of soil C contents and δ13C values among soil depths and forestsBLKP:闊葉紅松林broad-leaved Korean pine forest,KPSF:紅松云冷杉林Korean pine-spruce-fir forest,EBSF:岳樺云冷杉林Ermans birch-spruce-fir forest,EB:岳樺林Ermans birch forest;Oi: 未分解的凋落物層；Oa: 半分解的凋落物層；Oe：完全分解的凋落物層

土層Soilhorizons土壤屬性Soilproperties森林類型ForesttypeBLKPKPSFEBSFEB凋落物層總碳/%47.28(1.33)a43.67(2.20)ab38.94(3.13)ab33.84(5.20)b有機層Ohorizonδ13C值/‰-27.82(0.18)b-28.14(0.32)bc-27.15(0.15)a-28.67(0.19)c礦質土壤層總碳/%5.79(1.67)a2.84(0.84)b3.02(0.98)ab5.45(0.68)aMineralsoillayerδ13C/‰-25.81(0.20)b-25.67(0.18)b-24.91(0.33)a-26.50(0.19)c

同一行中不同字母表示均值的差異顯著(Turky′s HSD比較)

圖3 4種森林土壤δ13C豐度與log SOC值之間回歸關系Fig.3 Regression model between soil δ13C abundances and log SOC values in the four forests

3 討論

3.1 植物葉片碳含量、δ13C豐度的分布格局及生態學意義

總體上,隨著海拔高度的增加,植物葉片碳含量呈現先增加后降低的趨勢(圖1),部分證實了我們的研究假設。主要的原因是,隨著海拔高度的增加光合有效輻射增加,氣溫下降,一定程度上增加了植物的光合碳固定,降低了植物線粒體的自養呼吸,導致植物體內的碳相對累積[22]；但是,海拔1900 m左右的岳樺林葉片碳含量急劇下降,可能與低溫、低大氣CO2濃度以及云層遮擋等有關。此外,針葉樹種葉片碳含量顯著高于闊葉樹種,與植物葉片的功能屬性如比葉面積、葉壽命、葉氮濃度等密切相關。總體上,長壽命的針葉樹種葉片葉氮濃度和光合能力均較低,必須更長時間進行光合作用以維持存在期間的碳平衡[22]。針葉樹種葉片碳含量顯著高于闊葉樹種,說明針葉樹種有機物含量較高,暗示其潛在的碳蓄積能力更強[23-24]。

在物種水平上,葉片δ13C可以反映植物光合作用過程中的水分利用效率(WUE),代表植物生長季期間植物與大氣之間的碳水交換的綜合效應[25]。水分利用效率的倒數即固碳耗水成本,即固定一定數量的碳所要消耗的水分[26]。不考慮喬木類型,植物葉片的δ13C隨著海拔高度的增加而下降(圖1),說明溫度降低、降水增加會導致喬木建群種水分利用效率顯著下降,暗示其固碳耗水成本將增加。另外,同一氣候帶,闊葉樹種葉片的δ13C顯著高于針葉樹種,說明闊葉樹種水分利用效率高于針葉樹,其固碳耗水成本較低,與植物相關的功能屬性有關。相對于針葉樹種而言,闊葉樹葉片薄而寬大,光合能力(在適宜條件下測得的光合速率)較強,水分蒸散也快,其凈效應導致闊葉樹種水分利用效率較高[22]。上述研究結果表明,未來氣溫升高、降水增加情景下,長白山溫帶森林區典型植物水分利用效率會下降,固定相同數量的碳所消耗的水分將增加。

表4 4種森林土壤δ13C豐度與log SOC值之間回歸模型參數

3.2 土壤碳含量、δ13C豐度的分布格局及生態學意義

4個森林土壤SOC含量隨深度呈指數下降,20 cm以下土層SOC差異不大,主要歸因于葉片和根系凋落物歸還量的差異。溫帶森林凋落物層較厚,微生物比較活躍,表層SOC累積明顯；而且大約一半的植物地下生物量集中在土壤表層(0—10 cm)[27],20 cm以下土層有機質歸還量少。與原假設相反,本研究并沒有觀測到SOC隨著海拔高度的增加而增加。凋落物層碳含量隨著海拔高度的增加下降,而0—20 cm礦質層土壤是闊葉紅松林最高、其次是岳樺林,兩個暗針葉林最低(圖2,表3)。凋落物和礦質層碳含量的分布格局分別歸因于植物功能型和土壤質地的差異。闊葉紅松林和岳樺林土壤粘粉粒含量(50.1%—80.6%)顯著高于兩個暗針葉林土壤(24.07%—32.13%)(表1),一般質地較細的土壤更易于SOC的保持與穩定[28]。另外,闊葉樹種較針葉樹種光合作用強、葉片C/N較低,更易于分解和轉化[22]。上述研究結果表明,與植物類型、土壤質地等因子相比,氣溫、降水等氣候要素對長白山垂直帶森林表層SOC含量的影響可能居次要地位。相似地,Zhang等[29]研究表明,對于主要來源于凋落物輸入的SOC累積而言,植被比氣候更為重要；植物凋落物輸入和分解決定了森林SOC的儲量[30]。但是,在區域或國家尺度上,氣候、植被和土壤屬性共同控制著SOC 儲量的分布格局。Yang等[31]發現氣候和植被是控制中國SOC儲量分布的關鍵因子,分別能夠解釋SOC儲量變異的36.2%和42.7%。總體而言,植物葉片與凋落物、土壤碳含量隨海拔梯度的變化趨勢不同,葉片碳含量主要受植物功能型、氣候因子制約,而凋落物、土壤碳含量主要受土壤質地和植物功能型驅動,主控因子不盡相同。

4個森林SOM的δ13C值隨土壤深度增加呈現富集的趨勢,這與凋落物分解、土壤腐殖化過程中碳同位素分餾以及“Suess”效應有關[21,32]。相似的現象常見于其他的森林生態系統,從地表植被到土壤剖面底層δ13C富集度變化范圍為1‰—3‰[33]。地表SOC基本上是較年輕、不穩定的化合物,深層SOM分解時間較長,多為年代較老、穩定性較高的有機化合物[6,34]。土壤δ13C的這種分布格局常用于評估土壤碳的周轉以及遷移規律[6]。基于logSOC和δ13C的回歸模型,我們發現岳樺林回歸方程斜率K值最大,其次是兩個暗針葉林,而闊葉紅松林最低,表明岳樺林SOC周轉最快,闊葉紅松林SOC周轉最慢,這與原假設不一致。可見,SOC周轉并不單單受溫度驅動,可能與地形坡度以及土壤溶解性有機碳(DOC)淋失有關。岳樺林坡度最大,降水最高,加之岳樺葉片(闊葉型)易于降解,產生的DOC隨地表徑流流失明顯,土壤碳周轉更快[17]。相反,闊葉紅松林位于長白山垂直帶譜的基帶,地形平緩,土壤粘重,DOC垂直淋溶和水平遷移量均不大。利用logSOC和δ13C的SOM周轉模型,Fang等[10]也評價外源性氮素輸入對不同演替階段亞熱帶森林SOC周轉的影響,發現施氮抑制貧氮森林SOC周轉,增加土壤碳儲量,但是加劇富氮森林土壤DOC淋溶,不利于土壤碳截存。值得一提的是,logSOC和δ13C的SOM周轉模型只能定性地概括不同生態系統類型或實驗處理下SOM周轉的相對快慢,無法準確量化SOM周轉的速率或量級[35],未來的研究中需要結合室內培養實驗和14C示蹤技術來彌補這一研究不足。

4 結論

利用穩定性碳同位素技術研究了長白山垂直帶4種森林植物葉片-凋落物-土壤連續體碳含量和δ13C豐度的分布格局,闡明SOM周轉沿著海拔梯度的變化規律。研究結果表明,針葉樹種葉片碳含量顯著高于闊葉樹種,而δ13C值表現相反,表明針葉樹種潛在的碳蓄積能量更強,固碳耗水成本更高；凋落物碳含量隨海拔增加而下降,礦質表層土壤SOC含量闊葉紅松林和岳樺林顯著高于兩個暗針葉林,體現植被類型和土壤質地對SOC含量持留的支配作用。總的來說,高海拔岳樺林SOC周轉最快,其次是暗針葉林,闊葉紅松林最低,是氣候、植被類型、土壤質地等多個因素綜合作用的結果。研究結果暗示在探討環境因子對陸地生態系統碳循環和碳平衡的影響時需考慮研究尺度,不同的尺度(局地、樣帶、區域、全球)驅動因子并不完全相同。然而,基于logSOC和δ13C的SOM周轉模型只能定性地概括不同生態系統類型下SOM周轉的快慢,并不能量化SOM周轉速率的大小,未來的研究中需要結合室內培養實驗和14C示蹤技術來深入理解SOM周轉及其驅動機制。

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Organiccarbondynamicsoftheleaf-litter-soilcontinuuminthetypicalforestsoftheChangbaiMountaintransect:ananalysisofstablecarbonisotopetechnology

SI Gaoyue1, LI Xiaoyu2, CHENG Shulan1,*, FANG Huajun1,2, YU Guirui2, GENG Jing2, HE Shun1, YU Guangxia1

1UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China2KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China

國家自然科學基金資助項目(41471212, 31470558, 31290222, 31290221);國家重點研發計劃資助項目(2016YFC0500603,2016YFC0503603);青年創新研究團隊資助項目(LENOM2016Q0004)

2016- 05- 19; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 03- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: slcheng@ucas.ac.cn

10.5846/stxb201605190967

司高月,李曉玉,程淑蘭,方華軍,于貴瑞,耿靜,何舜,于光夏.長白山垂直帶森林葉片-凋落物-土壤連續體有機碳動態——基于穩定性碳同位素分析.生態學報,2017,37(16):5285- 5293.

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