黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测研究站在根系分解过程中碳氮磷释放研究取得新进展
作者：帽儿山站 更新时间：2023-12-16
近日，黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测研究站站长王传宽教授团队在温带森林根系长期分解的研究领域取得重要进展，阐明了细根和粗根在7年分解过程中氮、磷和碳释放的解耦关系。研究结果以“Decoupling of nitrogen, phosphorus, and carbon release from fine and coarse roots during 7 years of decomposition”为题在国际学术期刊《Journal of Ecology》上发表。本研究得到国家重点研发计划项目（2021YFD2200401）和国家自然科学基金项目（32171765）项目联合资助。
地下凋落物分解是森林土壤限制养分氮和磷的重要来源，但对其长期释放速率和驱动因素仍知之甚少。生态系统模型通常假设根系分解的长期养分释放与质量(碳)损失率成正比，但这方面的证据很少，而且以往研究很少直接测量根系分解的后期磷动态。因此，迫切需要更好地理解长期质量损失率（碳释放率）、氮释放率和磷释放率之间是否同步，以进一步加深对森林养分循环的概念理解和建模。
为了解决这一问题，该团队在黑龙江帽儿山森林生态系统国家野外科学观测研究站的温带森林中进行了为期7年的野外分解实验，研究对象包括3个树种[白桦（Betula platyphylla），春榆（Ulmus davidiana var. japonica），水曲柳（Fraxinus mandshurica）]的5个直径（< 1 mm、1-2 mm、2-5 mm、5-10 mm和10-20 mm）。试验共收回了666个分解袋样品，测定了每个根系样品的碳、氮、磷含量以及未分解根系样品的钙、镁、硅、可溶性糖、淀粉、半纤维素、纤维素、木质素和总酚。将碳分为2个质量组分：可分解的结构性碳水化合物（可溶性糖、淀粉和和半纤维素）、抗性的碳水化合物（纤维素、木质素和总酚）。研究结果代表了迄今为止对氮、磷和碳分解的最详细的研究，并强调了氮释放在分解的所有阶段都与磷和碳解耦的事实。研究表明，长期氮释放和磷释放的差异可以通过初始根化学计量学来预测。
在分解过程中，氮动态与磷和碳动态在很大程度上解耦，且因物种和根直径而变化。根系在分解的第一年就向周围的土壤释放了磷；相比之下，根系固定氮的时间更长，最粗的根系在7年后仍保持净氮积累（图1和2）。氮的长期释放由初始养分和碳质量共同控制，而磷的释放和分解速率由初始碳质量更好地预测（图3和4）。初始根系养分很好地预测了长期氮和磷释放之间的差异（图5）。
图1三个树种不同根直径快速根系分解系数(k1)和短期养分释放率。白桦（B. platyphylla），春榆(U. japonica)，水曲柳(F. mandshurica)。不同的小写字母表示种内根直径间差异显著；不同大写字母表示同一直径不同种间差异显著(P < 0.05)。
图2 三个树种不同根直径慢速分解系数(k2)和长期养分释放率。不同的小写字母表示种内根直径间差异显著；不同大写字母表示同一直径不同种间差异显著(P < 0.05)。
图3根系分解参数的主成分分析。kLT，基于公式(4)的时间积分平均长期分解系数；k1，基于式(2)的快速分解系数；k2，根据公式(2)计算的慢速分解系数；LCR，长期碳释放率；LNR，长期氮释放率；LPR，长期磷释放率；SCR，短期碳释放率；SNR，短期氮释放率；短期磷释放率。
图4初始根质量对快、慢速分解系数(k)和养分释放速率的相对贡献率。k2，慢速分解系数；LCR，长期碳释放率；LNR，长期氮释放率；LPR，长期磷释放率；k1，快速分解系数；SCR，短期碳释放率；SNR，短期氮释放率；SPR，短期磷释放率。SS，可溶性糖；Sta，淀粉；NSC，非结构性碳水化合物；Hemi，半纤维素；Cell，纤维素；Lign，木质素；Phe，酚类物质；C，碳；N，氮；P，磷；Ca，钙；Mg，镁；Si，硅。
图5长期氮、磷释放率的差异与根系初始和最终养分的关系。树种内的每个点代表一个直径等级。采用线性和对数模型进行拟合。
原文链接 https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1365-2745.14238