撫育對(duì)林地土壤碳釋放的影響
——基于Yasso07估算

羅春林,侯 琳,2,*,白龍龍,耿增超,和文祥

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,楊凌 712100 2 教育部西部生態(tài)與環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,楊凌 712100

?

撫育對(duì)林地土壤碳釋放的影響
——基于Yasso07估算

羅春林1,侯 琳1,2,*,白龍龍1,耿增超3,和文祥3

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,楊凌 712100 2 教育部西部生態(tài)與環(huán)境修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,楊凌 712100

間伐是森林經(jīng)營(yíng)的有效措施之一,其能減少林木枯損,有利于林下植被生長(zhǎng)和植物種群更新,但也可改變森林小氣候,從而影響林地土壤碳釋放。以秦嶺火地塘林區(qū)松櫟混交林為研究對(duì)象,運(yùn)用Yasso07模型模擬了不同間伐強(qiáng)度和間伐殘留物移除強(qiáng)度下林地土壤CO2釋放。結(jié)果表明：(1)針葉樹(shù)種(油松Pinustabulaefomis、華山松Pinusarmandi)和闊葉樹(shù)種(銳齒櫟Quercusalienavar.acutesrrata)葉凋落物化學(xué)組分有較明顯差異,針葉樹(shù)種酒精溶解性化合物(ESC)和水溶性化合物(WSC)含量明顯低于闊葉樹(shù)種,其不溶性化合物(NSC)含量明顯高于闊葉樹(shù)種；(2)凋落物化學(xué)組分對(duì)林地土壤CO2釋放有顯著的影響；(3)在研究?jī)蓚€(gè)控制因子中,間伐強(qiáng)度是影響林地土壤CO2釋放的主導(dǎo)因子,間伐后林地土壤CO2釋放量有升高趨勢(shì)；當(dāng)間伐強(qiáng)度為12.38%,間伐殘留物移除強(qiáng)度為53.18%時(shí),林地土壤CO2釋放量最小,為15.318 Mg hm-2a-1。

間伐；土壤碳釋放；Yasso07模型；松櫟混交林；秦嶺

天然林保護(hù)工程的實(shí)施,使我國(guó)森林資源明顯改善,但長(zhǎng)期保護(hù)導(dǎo)致天然林密度過(guò)大、更新困難、地表枯落物分解不良等,影響了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的充分發(fā)揮[1]。間伐是森林經(jīng)營(yíng)最有效的措施之一[2- 3],其能優(yōu)化林內(nèi)環(huán)境,減少林木枯損,有利于林下植被生長(zhǎng)和植物種群更新[2,4]。但間伐也能改變土壤微環(huán)境和呼吸底物的輸入,從而影響林地土壤呼吸[5- 6],而森林土壤碳釋放速率的微小變化也會(huì)引起大氣CO2濃度的改變[7]。

目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)間伐對(duì)林地土壤呼吸影響的研究存在較大爭(zhēng)議[8- 12],有研究表明間伐對(duì)土壤CO2釋放的影響不顯著[8]；有的則認(rèn)為間伐降低了土壤CO2釋放速率[9]；還有結(jié)果表明間伐增加了土壤CO2釋放速率[11],中度間伐對(duì)土壤呼吸有促進(jìn)作用[13]且土壤碳釋放隨間伐強(qiáng)度增加而波動(dòng)[14]。

長(zhǎng)期以來(lái),林地土壤CO2釋放野外測(cè)定技術(shù)雖然在不斷改進(jìn)[15- 16],但由于林地土壤的空間異質(zhì)性、無(wú)干擾情況下林地有機(jī)土壤碳較強(qiáng)的穩(wěn)定性和土壤碳庫(kù)變化的不確定性[17- 18],導(dǎo)致直接觀測(cè)林地土壤有機(jī)碳釋放動(dòng)態(tài)精度較差,且費(fèi)時(shí)、耗錢(qián)、費(fèi)力,運(yùn)用模型模擬林地土壤碳釋放的方法應(yīng)用較廣泛[19- 21]。目前,模擬土壤碳動(dòng)態(tài)的模型主要有Century,Coup-Model,Q-Model,ROMUL,DECOMP等[22],但上述模型需要輸入的信息較多,且部分信息難以獲取。與上述模型相比,基于林地土壤碳動(dòng)態(tài)是由凋落物中4類有機(jī)化合物在不同庫(kù)間轉(zhuǎn)化假設(shè)的Yasso07林地土壤碳分解模型,因其運(yùn)行所需參數(shù)少且易獲取、操作簡(jiǎn)便、估算土壤呼吸結(jié)果可靠,已在歐美得到廣泛應(yīng)用[23- 24]。

我國(guó)在森林撫育中普遍的做法是間伐后將間伐殘留物置于林地內(nèi),其雖能增加林地土壤肥力,但殘留物堆積于林地且分解較慢,可增加林火風(fēng)險(xiǎn)。迄今雖已有一些單項(xiàng)措施與林地土壤CO2釋放關(guān)系的報(bào)道,但有關(guān)間伐強(qiáng)度和間伐殘留物移除強(qiáng)度的綜合影響了解不多。

本研究以秦嶺中山地帶分布廣泛的松櫟混交林為研究對(duì)象,應(yīng)用Yasso07模型模擬林地土壤CO2釋放,運(yùn)用二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)探討不同間伐強(qiáng)度和間伐殘留物移除強(qiáng)度對(duì)林地土壤CO2釋放的影響,確定CO2釋放量最小條件下間伐強(qiáng)度和間伐殘留物移除強(qiáng)度的最優(yōu)組合,以期為以固碳為目的森林經(jīng)營(yíng)措施的制定提供依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

試驗(yàn)在陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)研究站(33°26′N,108°27′E)進(jìn)行,該地位于秦嶺南坡,地處北亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡帶。海拔1500—1700 m,研究區(qū)坡度多在30°左右,年降水量900—1200 mm,年蒸發(fā)量800—950 mm,相對(duì)濕度77.1%,1月平均氣溫-3.8℃,7月平均氣溫16.3℃,年均氣溫9℃。土壤主要是沉積巖和變質(zhì)巖母質(zhì)上發(fā)育起來(lái)的山地棕壤,土層厚度在60 cm左右,土壤中砂礫、粉粒和粘粒所占比重較大,凋落物厚度2—6 cm。研究區(qū)內(nèi)的松櫟混交林為天然次生林,平均林齡42 a,現(xiàn)有林分中優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為油松(Pinustabulaefomis)、華山松(Pinusarmandi)和銳齒櫟(Quercusalienavar.acutesrrata),林下植被發(fā)育良好。

2 研究方法

2.1 間伐試驗(yàn)設(shè)計(jì)

秦嶺林區(qū)地形破碎復(fù)雜,難以滿足隨機(jī)區(qū)組和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)小區(qū)重復(fù)數(shù)較多的要求。二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)因其需要實(shí)驗(yàn)次數(shù)較少、可對(duì)試驗(yàn)因子優(yōu)化,尋求目標(biāo)變量最優(yōu)條件下控制因子最佳組合等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

本研究在森林撫育設(shè)計(jì)中采用二次通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)[25-26]。

間伐試驗(yàn)設(shè)計(jì)中控制因子為間伐強(qiáng)度(%)和間伐殘余物移除強(qiáng)度(%)。

根據(jù)《森林撫育規(guī)程》GB/T(15781—2009)和《陜西省森林撫育規(guī)程》(2010),設(shè)置間伐強(qiáng)度上限為25%。

在收獲木材后,稱取間伐殘余物鮮重,將其按一定的比例(質(zhì)量百分比)均勻鋪于林地土壤表層,剩余部分移出林外,殘余物的移除強(qiáng)度按下式計(jì)算：

通過(guò)軟件DPS v14.50確定試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,每個(gè)控制因子(獨(dú)立變量)共設(shè)-γ(-1.414),-1,0,1和γ(1.414)5個(gè)水平(表1),9個(gè)處理(表2)。

變量代碼通過(guò)下式計(jì)算獲得：

式中,xi為控制因子的代碼值,Xi是獨(dú)立變量的實(shí)際值,X0為獨(dú)立變量實(shí)際值的中間值,Δx為步長(zhǎng)變化值[27]。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子水平

間伐試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下(表2)。

2.2 間伐作業(yè)

2012年8月上旬,在秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站內(nèi),選取林齡、密度、地形因子、土壤條件等相近的松櫟混交林為研究對(duì)象,根據(jù)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的要求,共選取13個(gè)試驗(yàn)小區(qū),設(shè)9個(gè)處理,每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的面積為20 m×20 m,同期開(kāi)展本底調(diào)查,調(diào)查因子包括樣地海拔、坡度、坡向,林分郁閉度、樹(shù)種組成、樹(shù)高和胸徑等(表3)。2012年8月下旬開(kāi)展間伐試驗(yàn)(表4)。

表2 DPS (Data Processing System) v14.50運(yùn)行的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

x1代表間伐強(qiáng)度；x2代表間伐殘留物移除強(qiáng)度

表3 試驗(yàn)樣地概況

表4 間伐前后各樹(shù)種密度

2.3 凋落物回歸動(dòng)態(tài)

2012年8月根據(jù)對(duì)角線法在13個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)各布設(shè)5個(gè)1 m×1 m的凋落物收集框,2012年9月至2014年9月每月(除下雪封山)收集凋落物框中的凋落物,帶回實(shí)驗(yàn)室,按樹(shù)種區(qū)分葉凋落物,在70℃下烘至恒重,稱其質(zhì)量[28]。

2.4 凋落物化學(xué)組分及測(cè)定

Yasso07模型中凋落物4類化合物分別為酒精溶解性化合物(ESC)；水溶性化合物(WSC)；酸溶性化合物(ASC)；不溶性化合物(NSC)[29],測(cè)定流程如下[30]：

取1 g葉凋落物樣品于70℃下烘至恒重,粉碎,過(guò)0.149 mm篩,用純CH2Cl2溶液提取16—24 h,過(guò)濾得殘?jiān)?,樣品質(zhì)量與殘?jiān)?質(zhì)量之差為ESC質(zhì)量； 將殘?jiān)?用100℃蒸餾水提取1 h,稱重得殘?jiān)?,殘?jiān)?與殘?jiān)?質(zhì)量之差為WSC質(zhì)量；將殘?jiān)?用72%硫酸30℃恒溫水浴提取1 h,然后稀釋酸的濃度至2.5%,在120℃下提取1 h,得殘?jiān)?質(zhì)量,殘?jiān)?與殘?jiān)?質(zhì)量之差為ASC質(zhì)量；將殘?jiān)?在450℃灼燒8 h,得殘?jiān)?(灰分)質(zhì)量,殘?jiān)?與殘?jiān)?質(zhì)量之差為ASC質(zhì)量。

各組分質(zhì)量與樣品質(zhì)量之比為其含量(%)。

2.5 Yasso07模型簡(jiǎn)介及輸入?yún)?shù)

Yasso07是模擬土壤碳循環(huán)模型,比舊版Yasso有所改進(jìn),基于大數(shù)據(jù)模擬和更先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法,可用于估算土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化和土壤呼吸,模型操作過(guò)程詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[29-30]。凋落物四類化合物含量輸入值根據(jù)各樹(shù)種凋落物所占質(zhì)量的百分比將其測(cè)定含量加權(quán)平均,年降雨量和年均溫等數(shù)據(jù)來(lái)自陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站的氣象站。凋落物質(zhì)量和凋落物4類化合物含量以值對(duì)形式輸入,凋落物質(zhì)量、凋落物4類化合物含量、年降雨量和年均溫的輸入以2012年為基準(zhǔn)。在Yasso07模型參數(shù)輸入中以年尺度為步長(zhǎng),數(shù)據(jù)以矩陣形式輸出[29]。

2.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0(SPSS Inc.,USA)軟件中的單因素方差分析(one-way ANOVA)判定不同樹(shù)種凋落物化學(xué)組分的差異顯著性,凋落物化學(xué)組分含量的數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”；

采用DPS 7.05軟件,以間伐強(qiáng)度和間伐殘留物移除強(qiáng)度為自變量,以林地土壤CO2釋放量為因變量進(jìn)行模型擬合。

3 結(jié)果與分析

3.1 凋落物化學(xué)組分

不同樹(shù)種同類化合物含量除華山松和油松的醇溶性化合物(ESC)和水溶性化合物(WSC)含量差異均不顯著、華山松和銳齒櫟的酸溶性化合物(ASC)含量之間差異不顯著外,不同樹(shù)種間其余化合物含量之間差異均顯著。針葉樹(shù)種(華山松、油松)的醇溶性化合物(ESC)含量和水溶性化合物(WSC)含量低于闊葉樹(shù)種(銳齒櫟),而其不溶性化合物(NSC)含量高于闊葉樹(shù)種(表5)。針葉樹(shù)種葉中木質(zhì)素含量較高,闊葉樹(shù)種葉中可溶性脂肪、單糖和水溶性酚類物質(zhì)含量較高；而不溶性化合物主要由木質(zhì)素構(gòu)成,醇溶性化合物主要由可溶性脂肪、色素等構(gòu)成,水溶性化合物主要由單糖和水溶性酚類物質(zhì)構(gòu)成[29]。

同一樹(shù)種不同化合物含量之間差異均顯著。針葉樹(shù)種(華山松、油松)醇溶性化合物(ESC)含量相比其他化合物較低,酸溶性化合物(ASC)含量最高；闊葉樹(shù)種(銳齒櫟)不溶性化合物(NSC)含量最低,酸溶性化合物(ASC)含量最高(表5)。針葉樹(shù)種葉中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量較高,闊葉樹(shù)種葉中可溶性脂肪、色素等含量較高；而酸溶性化合物由纖維素和半纖維素構(gòu)成,醇溶性化合物主要由可溶性脂肪、色素等構(gòu)成[29]。

表5 葉凋落物化學(xué)組分

ESC: 醇溶性化合物Ethanol soluble compound,WSC: 水溶性化合物Water soluble compound,ASC: 酸溶性化合物Acid soluble compound,NSC: 不溶性化合物Non-soluble compound；行中大寫(xiě)字母相同表示同一樹(shù)種不同化合物含量之間差異不顯著(P>0.05),反之差異顯著(P<0.05)；列中小寫(xiě)字母相同表示不同樹(shù)種同一化合物含量之間差異不顯著(P>0.05),反之差異顯著(P<0.05)

3.2 間伐對(duì)林地土壤CO2釋放的影響

圖1 間伐后1年、間伐后2年土壤CO2釋放動(dòng)態(tài) Fig.1 Variation of CO2 emission about a year to two years after thinning

運(yùn)用Yasso07模型模擬了間伐后1a(2013年)、間伐后2a(2014年)林地土壤CO2釋放動(dòng)態(tài),結(jié)果表明：除處理Ⅲ2014年林地土壤CO2釋放量略低于2013年外,其余處理2014年林地土壤CO2釋放量均高于2013年,其增幅介于0.154 —1.292 Mg hm-2a-1,間伐增加了林地土壤CO2釋放(圖1)。間伐降低了林內(nèi)郁閉度,提高了林內(nèi)透光性,林地表層土壤溫度升高,有利于土壤微生物活動(dòng),加快了枯落物分解,林地土壤CO2釋放量增大[31- 33]。

3.3 模型擬合

為進(jìn)一步探討撫育間伐對(duì)林地土壤CO2釋放的影響,以2013年和2014年林地土壤CO2釋放量的均值為因變量,以間伐強(qiáng)度和間伐殘留物移除強(qiáng)度為自變量進(jìn)行模型擬合[34],結(jié)果如下：

(1)

式中,Y為不同撫育強(qiáng)度下林地土壤CO2年釋放量；x1,x2分別表示間伐強(qiáng)度和間伐殘留物移除強(qiáng)度的編碼水平。經(jīng)對(duì)模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(表6),回歸模型中失擬項(xiàng)F檢驗(yàn)(F=0.21996)不顯著,表明非控制因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大；而回歸項(xiàng)(F=82.19>F0. 01)達(dá)0.01顯著水平,說(shuō)明回歸模型擬合程度高,試驗(yàn)因素與林地土壤CO2釋放間存在真實(shí)的回歸關(guān)系。

剔除模型中不顯著項(xiàng)(P>0.01)(表6),得如下優(yōu)化方程：

(2)

式中,各變量含義同(1)。

為客觀評(píng)價(jià)各因子對(duì)林地土壤CO2釋放的影響,根據(jù)(3)式分別求兩因子對(duì)林地土壤CO2釋放的貢獻(xiàn)率,采用對(duì)擬合模型中與某因子相關(guān)且F>1的項(xiàng)求貢獻(xiàn)率來(lái)衡量該因子對(duì)因變量的影響。公式如下[35]：

(3)

結(jié)果表明：間伐強(qiáng)度(1.98)>間伐殘留物移除強(qiáng)度(1.95),間伐強(qiáng)度是影響林地土壤CO2釋放的主導(dǎo)因子。

表6 回歸模擬的回歸系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)誤及方差分析

間伐強(qiáng)度(x1)和間伐殘留物移除強(qiáng)度(x2)單因子效應(yīng)分析如下:

圖2 間伐強(qiáng)度對(duì)林地土壤CO2釋放的影響 Fig.2 Effects of thinning intensity on soil CO2 emission in the forest

當(dāng)間伐強(qiáng)度x1∈[-1.414,-0.377]時(shí),即間伐強(qiáng)度從5.00%—12.38%時(shí),土壤CO2釋放量隨間伐強(qiáng)度增加而減??；當(dāng)間伐強(qiáng)度x1∈[-0.377,1.414]時(shí),即間伐強(qiáng)度從12.38%—25.00%時(shí),土壤CO2釋放量隨間伐強(qiáng)度增加而增大；當(dāng)間伐強(qiáng)度x1=-0.377時(shí),即間伐強(qiáng)度為12.38%時(shí),林地土壤CO2釋放量最小,為15.264 Mg hm-2a-1(圖2)。

當(dāng)間伐殘留物移除強(qiáng)度x2∈[-1.414,-0.094]時(shí),即間伐殘留物移除強(qiáng)度從0.00%—53.18%時(shí),土壤CO2釋放量隨間伐殘留物移除強(qiáng)度增加而減小；當(dāng)間伐殘余物移除強(qiáng)度x2∈[-0.094,1.414]時(shí),即間伐殘留物移除強(qiáng)度從53.18%—100.00%時(shí),土壤CO2釋放量隨間伐殘留物移除強(qiáng)度增加而增大；當(dāng)間伐強(qiáng)度x2=0.094時(shí),即間伐強(qiáng)度為53.18%時(shí),林地土壤CO2釋放量最小,為15.375 Mg hm-2a-1(圖3)。

利用間伐措施和林地CO2釋放二次模型,在變量設(shè)計(jì)范圍[-1.414≤Xi≤1.414]內(nèi),模擬2個(gè)變量因子5種水平的全部組合方案,選取林地土壤CO2釋放量最小的方案,通過(guò)頻次分析計(jì)算選取方案中各撫育因子編碼水平出現(xiàn)的平均值及其95%置信區(qū)間,確定相應(yīng)的撫育措施范圍。結(jié)果表明：當(dāng)間伐強(qiáng)度為12.38%,間伐殘留物移除強(qiáng)度為53.18%時(shí),林地土壤CO2釋放量最小,為15.318 Mg hm-2a-1。

4 討論

4.1 凋落物化學(xué)組分對(duì)林地土壤CO2釋放的影響

Yasso07模型操作手冊(cè)附錄中列出了部分歐美樹(shù)種凋落物化學(xué)組分的含量[29],不同樹(shù)種凋落物中的4類化合物含量差異較大,即使同一屬的樹(shù)種,其凋落物化學(xué)組分的含量也明顯不同。以葉凋落物為例,歐洲赤松(Pinussylvestris)ESC的含量分別為海岸松(Pinuspinaster)的10.79倍、意大利傘松(Pinuspinea)的8.56倍、斑克松(Pinusbanksiana)的7.24倍。Sariyildiz等[36]和Valachovic等[37]分別研究了分布于土耳其東北部的歐洲櫟(Quercusrobur)和美國(guó)俄勒岡西部的俄州櫟(Quercusgarryana)的凋落物化學(xué)組分,結(jié)果表明俄州櫟凋落物中ASC含量為歐洲櫟的1.54倍,而歐洲櫟凋落物中的NSC含量為俄州櫟的5.41倍。

為進(jìn)一步了解樹(shù)種凋落物化學(xué)組分對(duì)林地土壤CO2釋放量的影響,運(yùn)用2012—2013年凋落物輸入量,年均溫和降水量數(shù)值,分別比較本研究凋落物化學(xué)組分實(shí)測(cè)值(情景1)和模型默認(rèn)值(情景2)模擬兩種情景下林地土壤CO2釋放量。結(jié)果表明：凋落物化學(xué)組分對(duì)Yasso07模型模擬林地土壤CO2釋放有顯著影響。在不同處理中,情景1下林地土壤CO2釋放量均大于情景2,其差值介于1.90 —3.50 Mg hm-2a-1,差值占兩種模擬結(jié)果的比例分別為12.34%—19.54%和14.07%—24.28%(圖4)。

圖3 間伐殘留物移除強(qiáng)度林地土壤CO2釋放的影響 Fig.3 Effects of residue removed intensity on soil CO2 emission in the forest

圖4 兩種方法模擬土壤CO2釋放對(duì)比 Fig.4 Comparison of Soil CO2 emission in two simulating method

凋落物的樹(shù)種生物學(xué)特性不同,導(dǎo)致凋落物的化學(xué)組分含量不同[36]。凋落物的化學(xué)組成,尤其是凋落物中N含量和木質(zhì)素量是影響凋落物分解速率的重要原因,N含量和木質(zhì)素含量越高,凋落物分解越緩慢[38-39]。酒精溶解性化合物(ESC)主要由可溶性脂肪、色素和油組成[29],N含量相對(duì)較低,可能造成有較高含量酒精溶解性化合物凋落物分解較快。酸溶性化合物(ASC)主要由纖維素和半纖維素組成[29],其分解需要纖維素酶等特殊條件,由纖維素和半纖維素構(gòu)成的植物葉片束狀(針葉)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(闊葉)可能有延緩凋落物分解的作用,因此,較多的酸溶性化合物可能會(huì)減緩凋落物的分解。不溶性化合物(NSC)主要是木質(zhì)素[29],Caroline等[40]研究表明凋落物分解過(guò)程中凋落物抵抗性的增加可能是源于難溶的和不規(guī)則的高分子量結(jié)構(gòu)(包括角質(zhì)、木質(zhì)素和變性的木質(zhì)素等)的富集,較高的木質(zhì)素含量增加了凋落物對(duì)分解的抵抗性。

不同樹(shù)種凋落物化學(xué)組分不同導(dǎo)致其分解機(jī)理和速率產(chǎn)生差異,進(jìn)而影響了林地CO2釋放。因此,在運(yùn)用Yasso07模型模擬林地土壤CO2釋放過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域?qū)?shù)種凋落物化學(xué)組分進(jìn)行測(cè)定。

4.2 間伐對(duì)林地土壤CO2釋放的影響

Dannenmann等[12]的研究則表明間伐后第2年土壤呼吸速率高于間伐后第1年,此結(jié)果和本研究一致,其原因可能在于隨著間伐時(shí)間推移,微生物活性增加,根系生物量增大,從而造成養(yǎng)分的積累,為微生物的活動(dòng)提供了良好條件[10- 11],間伐降低了林分郁閉度,改善了林內(nèi)光照條件,增加了林內(nèi)溫度[33]和林地土壤含水量[34],加快了枯落物分解,提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[35],因而增加了林地土壤CO2釋放。本研究中,在不同處理間伐措施下通過(guò)改變樹(shù)種凋落物的輸入量,改變了Yasso07模型中凋落物輸入質(zhì)量和凋落物化學(xué)組分輸入含量,進(jìn)而影響了模擬林地土壤CO2釋放。

Campbell等[8]的研究表明間伐對(duì)內(nèi)華達(dá)山脈北部美國(guó)黃松林土壤CO2釋放的影響不顯著,Misson等[6]研究發(fā)現(xiàn)間伐比未間伐土壤呼吸速率降低13%,并推斷林地呼吸速率的降低是根系呼吸減少、土壤有機(jī)質(zhì)增加和土壤溫度及水分的細(xì)微變化所致,與本研究結(jié)果不同。

4.3 本研究不足

由于秦嶺山地冬季、初春常積雪,試驗(yàn)林區(qū)封山,導(dǎo)致休眠季土壤呼吸的測(cè)定不能正常進(jìn)行,因此無(wú)法準(zhǔn)確獲取全年碳釋放數(shù)據(jù),這是將Yasso07模型引入本區(qū)的重要原因,然而模擬精度未能得到驗(yàn)證。在今后的工作中,希望能采取科學(xué)有效措施解決以上問(wèn)題。

5 結(jié)論

凋落物化學(xué)組分對(duì)林地土壤CO2釋放有顯著的影響。在兩個(gè)控制因子中,間伐強(qiáng)度是影響林地土壤CO2釋放的主導(dǎo)因子,間伐后林地土壤CO2釋放量有升高趨勢(shì)。在本區(qū)松櫟混交林的撫育間伐作業(yè)中,宜采用12.38%的間伐強(qiáng)度和53.18%的間伐殘留物移除強(qiáng)度,此組合時(shí)林地土壤CO2釋放量最小。基于短期研究,提出了間伐措施對(duì)林地土壤CO2釋放量最小的最優(yōu)組合,撫育措施對(duì)林地土壤CO2釋放的長(zhǎng)期影響尚需進(jìn)一步研究。

[1] 羅菊春. 撫育改造是森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵性措施. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28(1): 121- 124.

[2] 段劼, 馬履一, 賈黎明, 賈忠奎, 公寧寧, 車文瑞. 撫育間伐對(duì)側(cè)柏人工林及林下植被生長(zhǎng)的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(6): 1431- 1441.

[3] 羅應(yīng)華, 孫冬婧, 林建勇, 郭文福, 盧立華, 溫遠(yuǎn)光. 馬尾松人工林近自然化改造對(duì)植物自然更新及物種多樣性的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(19): 6154- 6162.

[4] 李榮, 張文輝, 何景峰, 周建云. 不同間伐強(qiáng)度對(duì)遼東櫟林群落穩(wěn)定性的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(1): 14- 20.

[5] Masyagina O V, Prokushkin S G, Koike T. The influence of thinning on the ecological conditions and soil respiration in a larch forest on Hokkaido Island. Eurasian Soil Science, 2010, 43(6): 693- 700.

[6] Misson L, Tang J W, Xu M, McKay M, Goldstein A. Influences of recovery from clear-cut, climate variability, and thinning on the carbon balance of a young ponderosa pine plantation. Agricultural and Forest Meteorology, 2005, 130(3/4): 207- 222.

[7] Janssens I A, Lankreijer H, Matteucci G, Kowalski A S, Buchmann N, Epron D, Pilegaard K, Kutsch W, Longdoz B, Grünwald T, Montagnani L, Dore S, Rebmann C, Moors E J, Grelle A, Rannikü, Morgenstern K, Oltchev S, Clement R, Gumundsson R, Minerbi S, Berbigier P, Ibrom A, Moncrieff J, Aubinet M, Bernhofer C, Jensen N O, Vesala T, Granier A, Schulze E D, Lindroth A, Dolman A J, Jarvis P G, Ceulemans R, Valentini R. Productivity overshadows temperature in determining soil and ecosystem respiration across European forests. Global Change Biology, 2001, 7(3): 269- 278.

[8] Campbell J, Alberti G, Martin J, Law B E. Carbon dynamics of a ponderosa pine plantation following a thinning treatment in the northern Sierra Nevada. Forest Ecology and Management, 2009, 257(2): 453- 463.

[9] Sullivan B W, Kolb T E, Hart S C, Kaye J P, Dore S, Montes-Helu M. Thinning reduces soil carbon dioxide but not methane flux from southwestern USA ponderosa pine forests. Forest Ecology and Management, 2008, 255(12): 4047- 4055.

[10] Tian D L, Yan W D, Fang X, Kang W X, Deng X W, Wang G J. Influence of thinning on soil CO2efflux in Chinese fir plantations. Pedosphere, 2009, 19(3): 273- 280.

[11] Ryu S R, Concilio A, Chen J Q, North M, Ma S Y. Prescribed burning and mechanical thinning effects on belowground conditions and soil respiration in a mixed-conifer forest, California. Forest Ecology and Management, 2009, 257(4): 1324- 1332.

[12] Dannenmann M, Gasche R, Ledebuhr A, Holst T, Mayer H, Papen H. The effect of forest management on trace gas exchange at the pedosphere-atmosphere interface in beech (FagussylvaticaL.) forests stocking on calcareous soils. European Journal of Forest Research, 2007, 126(2): 331- 346.

[13] 田軍, 毛波, 朱玉杰, 白永清. 撫育間伐對(duì)大興安嶺用材林生態(tài)經(jīng)營(yíng)的影響. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 42(8): 61- 64.

[14] 郭輝, 董希斌, 姜帆. 采伐強(qiáng)度對(duì)小興安嶺低質(zhì)林分土壤碳通量的影響. 林業(yè)科學(xué), 2010, 46(2): 110- 115.

[15] 李嬌, 尹春英, 周曉波, 魏宇航, 高巧, 劉慶. 施氮對(duì)青藏高原東緣窄葉鮮卑花灌叢土壤呼吸的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(19): 5558- 5569.

[16] 吳迪, 張蕊, 高升華, 付曉, 鄧紅兵, 邵國(guó)凡, 張旭東. 模擬氮沉降對(duì)長(zhǎng)江中下游灘地楊樹(shù)林土壤呼吸各組分的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(3): 717- 724.

[17] Liski J, Palosuo T, Peltoniemi M, Siev?nen R. Carbon and decomposition model Yasso for forest soils. Ecological Modelling, 2005, 189(1/2): 168- 182.

[18] Post W M, Izaurralde R C, Mann L K, Bliss N. Monitoring and verifying changes of organic carbon in soil. Climatic Change, 2001, 51(1): 73- 99.

[19] Repo A, K?nk?nen R, Tuovinen J P, Antikainen R, Tuomi M, Vanhala P, Liski J. Forest bioenergy climate impact can be improved by allocating forest residue removal. Global Change Biology Bioenergy, 2012, 4(2): 202- 212.

[20] Peltoniemi M, Thurig E, Ogle S, Palosuo T, Schrumpf M, Wutzler T, Butterbach-Bahl K, Chertov O, Komarov A, Mikhailov A, G?rden?s A, Perry C, Liski J, Smith P, M?kip?? R. Models in country scale carbon accounting of forest soils. Silva Fennica, 2007, 41(3): 575- 602.

[21] M?kip?? R, H?kkinen M, Muukkonen P, Peltoniemi M. The costs of monitoring changes in forest soil carbon stocks. Boreal Environment Research, 2008, 13(Suppl. B): 120- 130.

[22] Tuomi M, Rasinm?ki J, Repo A, Vanhala P, Liski J. Soil carbon model Yasso07 graphical user interface. Environmental Modelling & Software, 2011, 26(11): 1358- 1362.

[23] Tuomi M, Thum T, J?rvinen H, Fronzek S, Berg B, Harmon M, Trofymow J A, Sevanto S, Liski J. Leaf litter decomposition-Estimates of global variability based on Yasso07 model. Ecological Modelling, 2009, 220(23): 3362- 3371.

[24] Tuomi M, Laiho R, Repo A, Liski J. Wood decomposition model for boreal forests. Ecological Modelling, 2011, 222(3): 709- 718.

[25] 程仕平, 徐慧, 王德志, 王光君, 吳壯志. 基于二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的MoO2氫還原工藝優(yōu)化研究. 稀有金屬材料與工程, 2007, 36(11): 1933- 1936.

[26] 侯琳, 宋西德, 羅偉祥. 銀杏一黃豆兼作模式研究. 河北林果研究, 1999, 14(1):45-50.

[27] Tang J, Qi Y, Xu M, Misson L, Goldstein A H. Forest thinning and soil respiration in a ponderosa pine plantation in the Sierra Nevada. Tree Physiology, 2005, 25: 57- 66.

[28] 葛曉改, 肖文發(fā), 曾立雄, 黃志霖, 付甜, 封曉輝. 不同林齡馬尾松凋落物基質(zhì)質(zhì)量與土壤養(yǎng)分的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(3): 852- 862.

[29] Tuomi M, Thum T, J?rvinen H, Fronzek S, Berg B, Harmon M, Trofymow J A, Sevanto S, Liski J. Leaf litter decomposition-estimates of global variability based on Yasso07 model. Ecological Modelling, 2009, 220(23): 3362- 3371.

[30] Ryan M G, Melillo J M, Ricca A. A comparison of methods for determining proximate carbon fractions of forest litter. Canadian Journal of Forest Research, 1990, 20(2): 166- 171.

[31] 胡建偉, 朱成秋. 撫育間伐對(duì)森林環(huán)境的影響. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 27(3): 65- 67.

[32] 郭蓓, 劉勇, 李國(guó)雷, 甘敬, 徐揚(yáng). 飛播油松林地土壤酶活性對(duì)間伐強(qiáng)度的響應(yīng). 林業(yè)科學(xué), 2007, 43(7): 128- 133.

[33] 陳雪, 馬履一, 賈忠奎. 間伐對(duì)森林土壤影響的研究進(jìn)展. 中國(guó)水土保持, 2012, (9): 60- 63.

[34] 袁志發(fā), 贠海燕. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析. 2版. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2007: 252- 254.

[35] 孫愛(ài)根. 栽培因子對(duì)小麥紋枯病的綜合效應(yīng)及高產(chǎn)控病技術(shù)研究. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 29(4): 355- 358.

[36] Sariyildiz T, Anderson J M, Kucuk M. Effects of tree species and topography on soil chemistry, litter quality, and decomposition in Northeast Turkey. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(9): 1695- 1706.

[37] Valachovic Y S, Caldwell B A, Cromack Jr K, Griffiths R P. Leaf litter chemistry controls on decomposition of Pacific Northwest trees and woody shrubs. Canadian Journal of Forest Research, 2004, 34(10): 2131- 2147.

[38] Berg B. Litter decomposition and organic matter turnover in northern forest soils. Forest Ecology and Management, 2000, 133(1/2): 13- 22.

[39] 廖利平, 馬越強(qiáng), 汪思龍, 高洪, 于小軍. 杉木與主要闊葉造林樹(shù)種葉凋落物的混合分解. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 24(1): 27- 33.

[40] Preston C M, Nault J R, Trofymow J A. Chemical changes during 6 years of decomposition of 11 litters in some Canadian forest sites. Part 2.13C abundance, solid-State13C NMR spectroscopy and the meaning of "Lignin". Ecosystems, 2009, 12(7): 1078- 1102.

Effects of forest thinning on soil CO2emissions in a pine-oak mixed stand in the Qinling Mountains based on the Yasso07 model estimate

LUO Chunlin1, HOU Lin1,2,*, BAI Longlong1, GENG Zengchao3, HE Wenxiang3

1CollegeofForestry,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China2EducationofMinistryKeyLaboratoryofEnvironmentandEcologyinWestChina,Yangling712100,China3CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

Natural forest-protection programs have been implemented to increase stand volume and forest ecosystem diversity, and to improve forest resources. However, they have had some negative influences on forests, such as high stand density and poor growth, and these can easily lead to insect outbreaks and fire disasters. Forest thinning can effectively eliminate the negative influences caused by natural forest protection management. Forest thinning programs have been conducted for several years and these approaches have led to reduced tree mortality and accelerated natural regeneration. However, it has been demonstrated that forest micro-climates influence soil CO2emissions. This study investigated the effects of forest thinning on soil CO2emissions using the Yasso07 model to simulate a pine-oak mixed forest in the Huoditang forest zone area of the Qinling Mountains. The topography of the Qinling Mountains is complicated and fractured, so it is difficult to duplicate experimental plots in a randomized block design. Therefore, the quadratic general rotary design was applied, and thinning and residue-removed intensity were the factors in the experiment. Thirteen experimental plots were selected, including five control levels and nine treatment plots. Five litter-fall collection frames (1 m × 1 m) were laid in each experimental plot. The litter fall was collected each month from September 2012 to September 2014. The ethanol-soluble, water-soluble, acid-soluble, and non-soluble compound contents in the leaf litter fall were determined. Although the technology to measure soil CO2emissions has continually improved, the soil spatial heterogeneity and strong soil carbon stability in undisturbed habitats has led to inaccuracies in the evaluation methods used in forest soil carbon dynamics research. Yasso07 is a soil-carbon decomposition model and is based on the assumption that there are four types of litter transformation. Yasso07 has been widely used in Europe and the United States because it can be operated easily; requires few parameters, which are easy to obtain; and the simulated results are reliable. However, there was no basis to determine if it could be applied in the Qinling Mountains. Therefore, this study validated the reliability of the Yasso07 model in this region. The soil CO2emission traits under different thinning and residue-removed intensities were analyzed based on simulations by the model. The following results were obtained: (1) there was a significant difference between the conifer and broadleaf litter chemical compositions. The ethanol and water soluble compound contents were significantly higher in the conifer tree litter than in the broadleaf tree litter, and the non-soluble compound content was significantly lower in conifer litter than in broadleaf litter. (2) The chemical composition of the litter fall significantly affected soil CO2emissions, and (3) thinning intensity was the key factor affecting CO2emissions. Soil CO2emissions increased after forest thinning, and when the thinning and residue-removed intensities were 12.38% and 53.18%, respectively, the soil CO2emission fell to a minimum of -15.318 Mg hm-2a-1.

forest thinning; Soil CO2emission; Yasso07 soil carbon model; Pine-oak mixed forest; the Qinling Mountains

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304307)

2016- 01- 27; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601270197

*通訊作者Corresponding author.E-mail: houlin_1969@nwsuaf.edu.cn

羅春林,侯琳,白龍龍,耿增超,和文祥.撫育對(duì)林地土壤碳釋放的影響——基于Yasso07估算.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(9):2894- 2903.

Luo C L, Hou L, Bai L L, Geng Z C, He W X.Effects of forest thinning on soil CO2emissions in a pine-oak mixed stand in the Qinling Mountains based on the Yasso07 model estimate.Acta Ecologica Sinica,2017,37(9):2894- 2903.