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沈陽應用生態研究所在“全球變化下森林菌根驅動植物-土壤碳權衡”方面取得重要進展

撰稿: 沈陽應用生態研究所 發布時間:2023-11-16
  菌根是植物根系與土壤菌根真菌形成的共生體,叢枝菌根和外生菌根是兩類最主要的菌根類型,在森林生態系統碳循環中發揮著重要作用。因此,森林生態系統不同菌根樹種的固碳特征及對全球變化的響應是“碳中和”目標實現過程中關注的前沿問題。

  朱教君研究團隊前期通過在溫帶森林:遼寧清原森林生態系統國家野外科學觀測研究站(清原森林站)、吉林長白山森林生態系統國家野外科學觀測研究站(長白山站)、東北林業大學尖砬溝森林培育實驗站的研究發現(基于楊凱博士主持的優青項目),叢枝菌根樹種具有相對易分解的凋落物,地表凋落層較??;相反,外生菌根樹種具有相對難分解的凋落物,地表凋落物層較厚;土壤碳分布與凋落物碳變化則正好相反,但凋落物-土壤總的碳儲量為:以叢枝菌根樹種為主的林分高于以外生菌根樹種為主的林分達25%。上述研究結果的驅動機制是什么?即,森林菌根介導的植物-土壤的碳積累到底發生了怎樣的變化?針對上述問題,該團隊基于在清原森林站的監測與研究結果,通過收集3050組全球變化背景下森林生物量、土壤碳及相關因子數據(圖1),并進行了系統分析,明確了氮沉降、二氧化碳倍增、增溫等全球變化因子對森林生態系統植物-土壤碳積累的影響,揭示了外生菌根和叢枝菌根植物-土壤碳分配策略對全球變化的響應規律。

  在氮沉降、二氧化碳倍增和增溫(全球變化因子)條件下,森林生態系統生物量增加了17.9%-31.4%。而土壤碳的變化與這些全球變化因子的關系則顯現出如圖2的變化:在二氧化碳倍增條件下,由于根系生物量、微生物活性等提高,森林生態系統土壤碳儲量增加了7.8%;而在氮沉降、增溫條件下,由于土壤酸化、激發效應等影響,土壤碳輸入-輸出達到平衡,森林生態系統土壤碳無顯著變化。上述結果量化了全球變化下森林生態系統植物-土壤碳的變化程度,揭示了全球變化因子調控的植物-土壤碳固持機制。

 

圖1 全球變化下森林生態系統碳循環因子研究地點分布圖  

 

圖2森林生態系統生物量、土壤碳對全球變化強度的響應  

  基于外生菌根和叢枝菌根樹種對養分的利用策略不同,以及菌根自身屬性對全球變化敏感性不同,進一步將森林劃分為以外生菌根樹種為主的森林和以叢枝菌根樹種為主的森林。研究發現,森林樹種菌根類型是調控植物-土壤碳固持的關鍵要素(圖3)。在氮沉降、增溫下,盡管森林土壤碳無顯著變化,但不同菌根樹種占主導的森林土壤碳發生了顯著變化,即叢枝菌根樹種占主導的森林土壤碳顯著降低,而外生菌根樹種占主導的森林土壤碳則顯著升高,且不同菌根樹種森林的植物-土壤碳二者之間存在著權衡關系;如,與外生菌根樹種占主導的森林生物量相比,叢枝菌根樹種占主導的森林生物量增加更多。上述結果為準確評估全球變化下森林生態系統碳積累提供了重要參考。

 

圖3 全球變化下森林菌根驅動的植物-土壤碳權衡  

  本項研究揭示了全球變化下森林菌根驅動植物 - 土壤碳權衡機制,這一發現對完善全球森林生態系統碳循環和準確估測碳匯具有重要意義。研究結果以 “Mycorrhizal type regulates tradeoffs between plant and soil carbon in forests” 為題,于 2023 年 11 月發表在 Nature Climate Change 期刊。沈陽應用生態研究所楊凱研究員和張乾博士研究生為共同第一作者,朱教君研究員為通訊作者。合作者還有沈陽應用生態研究所王琪琪博士研究生、高添研究員和美國克萊姆森大學( Clemson University )王高峰教授等。該研究得到了中國科學院青年團隊計劃項目( YSBR-037 )、國家自然科學基金( 32192435 , 31922059 )等項目資助。

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