摘要
东北森林是我国最大的国有林区，其生态系统碳汇功能被认为对碳中和目标实现至关重要。本研究在东北地区森林带建立了8块长期固定样地，合计面积16.2 ha,总计调查超过50000棵木本植物，形成了植物多样性-森林土壤碳汇耦合关系东北样带。本研究分析了东北地区植物多样性特征及影响因素;并着重探究农田防护林、植物多样性、菌根类型、群落结构和土壤理化性质对土壤碳截获及其稳定性的影响。具体研究结果如下: 1）东北地区森林木本植物丰富度均值为10.75,Simpson指数均值为0.72,Shannon-Wiener指数均值为1.69,Pielou均匀度指数为0.76。样地内树种混交度M均值为0.57,林分处于中度混交;角尺度W均值为0.54,林分为聚集分布;胸径大小比数U均值为0.51,林分整体生长处于中庸状态。方差分解分析结果表明，树木个体大小、林分空间结构特征和地理气候因素三者的共同影响对东北地区木本植物多样性变化贡献最大，解释量达到36.6％。排序分析得出纬度、混交度和角尺度是引起多样性变化的显著因子。可以通过上述因子的调整实现东北地区木本植物多样性的保护。 2）森林生态系统的垂直结构是其功能发挥的一个关键，至少包括乔灌草和更新层。通过对大兴安岭地区双河国家级自然保护区和多布库尔国家级自然保护区的乔、灌、草、更新层个体大小特征、群落特征和植物多样性特征进行详细调查，冗余分析和方差分解分析相结合解析植物多样性与群落结构特征的耦合关系、排序影响多样性变化最重要个体与群落特征指标。双河保护区和多布库尔保护区树木胸径和树高仅相当于1970年代的一半;乔木和草本多样性较大兴安岭核心地区（呼中）高出50-60％左右。冗余分析结果表明，更新层株高对双河保护区多样性差异具有最大解释功能，乔木层树高对多布库尔保护区植物多样性变化具有最紧密关系（p＜0.05）。 3）杨树造林能显著影响土壤碳固持的稳定性。与对照农田相比，防护林土壤异养呼吸速率没有显著差异，但防护林中的土壤有机碳浓度（SOC）较农田高出 15.8％（p＜0.05）。防护林的建立可以降低温度敏感性Q10值15.4％（p＜0.05）,较深的土壤中Q10的降低更为显著。在农田和防护林中没有发现显著的湿度敏感性Hs（线性梯度）差异。基于RDA排序的方差分解分析表明，农田的碳稳定性（Hs和Q10）受地理气候的影响更大。相比之下，防护林的碳稳定性受土壤性质的影响较大。我们的研究结果表明，上述SOC变化可以通过延长土壤中的SOC寿命至少7％和SOC浓度＞15％来改善防护林的碳固存功能。未来应将此纳入评估中国三北防护林的地下土壤碳影响，并为世界其他地区类似林分的评估提供数据支持。 4）以东北林业大学实验林场为研究区域，基于树种丰富度和不同功能组，测量土壤有机碳（SOC）、与球囊霉素相关的土壤蛋白碳（总提取球囊霉素碳，TG-C和易提取球囊霉素碳，EEG-C）、土壤碳稳定性（异养呼吸速率，Rh,温度敏感性，Q10和湿度敏感性，Hs）及原位土壤CO2、CH4、N2O通量，并且利用宏基因组技术鉴别六类CAZymes。我们发现，高丰富度导致SOC、TG-C、Rh和N2O通量增加16-126.6％。AM树种的SOC和Rh比ECM树种高34-39％。0-1 m深层土壤的丰富度和菌根效应比0-20cm表层土壤更明显。丰富度直接提高了土壤碳稳定性，而丰富度和优势种通过降低碳水化合物酶活性提高碳积累，糖苷水解酶、多糖裂解酶、碳水化合物酯酶、糖基转移酶、辅酶和碳水化合物结合模块共同调节。此外，土壤中团聚体有机碳的积累对于养分有效性和缓解全球气候变化至关重要。通过植物多样性和菌根类型对土壤团聚体碳截获及其稳定性的研究，我们发现，高丰富度导致团聚体碳、平均重量直径和几何平均直径增加7-64％,AM树种团聚体碳、平均重量直径和几何平均直径比ECM树种增加7-94％。表层和深层土壤团聚体碳截获稳定性受菌根优势种效应影响最大，植物多样性的补偿效应对深层土壤团聚体碳稳定性的解释力有所提升。高树种丰富度显著增加表层及深层土壤大团聚体、微团聚体和黏粉粒碳含量;外生菌根树种重要值与大团聚体碳、微团聚体碳、黏粉粒碳含量和团聚体稳定性显著负相关，丛枝菌根树种重要值与大团聚体碳、微团聚体碳、黏粉粒碳含量和团聚体稳定性显著正相关。 5）通过对中国东北森林带树木多样性、林分空间结构、树木大小、土壤理化性质和地理气候对土壤碳截获及其稳定性的影响分析，我们发现，土壤碳截获稳定性受树种丰富度R的影响最大，植物多样性的补偿效应对土壤碳稳定性的解释力最大。高树种丰富度显著增加土壤SOC和Rh;此外树木空间结构对土壤碳汇稳定性也具有重要影响，林分混交度M、角尺度W与SOC、Rh、Hs显著正相关。地理气候可以对SOC、Rh和Hs产生显著的直接影响，也可以通过影响树种丰富度和土壤性质来间接影响SOC、Rh和Hs。研究结果为在区域水平上，为提升森林土壤碳汇功能管理提供数据支撑。 以上结果为东北地区的森林管理提供了基础数据，本研究结果旨在为东北地区森林树木多样性、关键种效应和土壤碳汇功能协同提升提供理论依据，也将有助于我国东北地区在未来“碳达峰”、“碳中和”中相关森林方案的提供数据支撑。
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