森林生态系统的C循环和N循环是森林生态系统最重要的物质循环过程,整个循环过程贯穿于整个土壤-植物-大气连续体(SPAC)中,并通过一系列的生理、生态作用相互联系、紧密耦合,SPAC中任何一个过程的变化必然会对整个森林生态系统的物质循环过程产生强烈的影响。受工业化、城市化发展的影响,大气温室气体浓度不断升高、土壤N沉降量不断增加,导致森林生态系统的C、N循环过程发生巨大的改变。然而,目前的研究大多集中在对森林生态系统单一的C循环或N循环方面,在森林生态系统C、N循环过程的反馈机理、耦合关系方面的研究甚少,尤其是气候变化背景下的森林生态系统C、N耦合关系更是目前亟待解决的关键问题。本研究选择我国寒温带兴安落叶松林生态系统,以实验生态学的研究方法为主要手段,对寒温带兴安落叶松林生态系统C、N分配格局,以及生态系统光合固碳、凋落物分解、土壤C、N循环和土壤微生物C、N变化等森林生态系统关键过程的C、N耦合特征进行了系统的观测研究。并以实测数据为基础,对森林生态系统C、N生物地球化学循环模型(Forest-DNDC)参数进行了率定,利用率定后Forest-DNDC模型分析了不同气候变化情景下寒温带兴安落叶松林生态系统的C、N循环特征。研究结果将为寒温带高纬度兴安落叶松林生态系统的的经营、决策和管理提供科学依据。研究结果表明:1.寒温带兴安落叶松林生态系统单位面积C、N储量分别为169.29～435.57 t·hm-2和294.71～1255.27kg·hm-2,不同类型生态系统C、N储量具有较大差异。兴安落叶松林土壤碳库约占其生态系统总碳库的69.9%～93.1%。兴安落叶松林生态系统N储库分配与森林类型有密切关系,真藓-兴安落叶松林、杜鹃-兴安落叶松林生态系统的氮主要集中于土壤中,其土壤氮储量分别占生态系统总氮储库的56%和77%,而草类-兴安落叶松林和杜香-兴安落叶松林生态系统的氮则主要储存在植被中,其植被氮储量分别占生态系统总氮储量的79%和68%。2.寒温带兴安落叶松冠层叶片光合固碳过程的净光合速率(Psn)与光照强度、温度、气孔导度、大气湿度具有较强的相关性。大气CO2浓度的增加会促进兴安落叶松Psn的增加,大气CO2浓度的倍增能够促进兴安落叶松冠层叶片的Psn提高0.90倍。兴安落叶松叶片的Psn与叶片N含量的相关性不显著,而与叶片K含量有较高的相关性(R2=0.8228)。寒温带兴安落叶松林生态系统有效K供应量的不足,可能会抵消N沉降增加对兴安落叶松林生态系统光合固碳潜力。3.N沉降对兴安落叶松林生态系统凋落物的分解和养分释放过程有显著影响。N沉降能够将凋落物的C/N比平均降低4.78%～11.38%,并对凋落物中P、K、Ca、Mg等养分元素的释放产生显著影响。N沉降会显著增加凋落物各组分的N含量,低水平N输入能够促进凋落物中C释放,而高水平的N输入则抑制凋落物的C释放。4.寒温带兴安落叶松林土壤全氮(TN)与土壤有机碳(SOC)具有显著的线性相关关系(p<0.01)。短期的N输入对兴安落叶松林生态系统土壤碳库组分有显著影响,总体上表现为N沉降能够增加土壤中溶解性有机碳(DOC)、粗颗粒有机碳(Macro-POC)、细颗粒有机碳(Micro-POC)含量,而降低表层土壤的碳组分自然丰度(δ13CMacro-POM、δ13CMicro_POM和δ13CMOM)。不同类型和不同水平的N沉降对兴安落叶松林土壤碳库的影响也具有明显差异,总体表现为中、低水平N沉降能够促进土壤C储库的增加,而高水平N沉降则会降低土壤中的C储量。短期N沉降对兴安落叶松林土壤C通量的影响不显著,土壤温度仍然是影响土壤呼吸的最主要因素。5.在兴安落叶松林土壤微生物C、N循环过程中,表层土壤微生物的C、N动态特征与土壤微生物数量的变化基本一致,土壤微生物C、N的最高值均出现在生长旺盛期的7月份,最高值分别为564±60mg·kg-1和70.09±4.61 mg·kg-1。生长季期间表层土壤的微生物C和微生物N含量呈线性相关关系(R2 = 0.683)。土壤中细菌对N沉降的响应表现为正相关,中等水平的N沉降能够增加土壤中放线菌和真菌数量的增加。不同类型、不同水平的N沉降对土壤酶活性有显著的影响,但是影响结果表现较复杂。6.利用实测值对Forest-DNDC模型的参数进行了率定,经率定后的模型模拟结果偏差e、e%和MAE仅为-0.0170、-0.0047、1.0176,模型模拟值和实测值的线性吻合程度(ME)值达到了 0.8762,决定系数r2达到了0.9362。通过率定后的Forest-DNDC 模型对不同气候变化背景下的兴安落叶松林生态系统 C、N 变化特征进行的模拟结果表明,气候变化会显著的改变寒温带兴安落叶松林生态系统的C输入及C输出过程,降低兴安落叶松林生态系统的净固碳能力。气候变化会增加生态系统NO的释放、减少N2O的排放,在总体上将增加兴安落叶松林生态系统的氮储量。