人工林土壤碳庫及其影響因素

羅 紅 吳建普 普布頓珠 朱雪林*

(1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽 550005；2.西藏自治區(qū)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃研究院 拉薩 850000)

1 引言

土壤碳庫是指儲存在土壤中的碳，由有機(jī)碳和無機(jī)碳組成。土壤有機(jī)碳(Soil organic carbon, SOC)是土壤碳庫的主要部分和研究重點。土壤固碳指減少土壤中碳的釋放，將大氣中的碳固定到土壤中，取決于土壤碳素輸入和輸出對比，通常借助土壤有機(jī)碳的含量和變化量來評估碳庫動態(tài)和固碳能力[1]。SOC是陸地碳庫的最大碳庫，至少是大氣、植被碳庫的3倍[2]。森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳水平由其碳收支狀況決定，與全球碳循環(huán)關(guān)系密切，而造林形成的人工林是世界森林的重要組成部分。造林是人類改變土地用途，以獲得林木產(chǎn)品、改善環(huán)境、保護(hù)自然的一種行為，是全球土地利用覆蓋/變化的驅(qū)動之一，也是獲得碳排放權(quán)的一種途徑[3]。因而造林對碳庫的影響備受關(guān)注，是人類緩解氣候變暖，抵消碳源的重要措施。雖然在局域尺度上來看造林對土壤碳庫的影響較小，但從全球尺度來看，當(dāng)有足夠的土地可轉(zhuǎn)化時，造林將會對全球碳收支產(chǎn)生顯著影響[4]，特別是在農(nóng)地和荒地上的造林使土壤表層碳庫顯著增加[5～7]。

2 森林土壤碳庫

森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳庫高于植被碳庫。全球森林植被及其土壤的碳儲量分別為359Gt、787Gt(1Gt=109t)，是早期最受公認(rèn)的針對全球森林土壤碳庫容量的研究[8]。從全球尺度來看，不同緯度所形成的氣候帶具有典型代表性的森林植被。全球森林土壤碳庫的大小雖存差異，一般北方(寒帶)森林土壤碳庫最大，其次是熱帶(季)森林(雨林)，均高于溫帶森林[9]。洲際劃分上，全球森林土壤碳庫數(shù)歐洲和北美最大，森林土壤碳密度則數(shù)歐洲和亞洲最大[10]。國內(nèi)吳仲民等最早測算出海南典型熱帶森林SOC儲量在97.10～119.54t/hm2間[11]。中國各森林類型土壤碳儲量在44～264t/hm2之間，天然林一般高于天然次生林和人工林[12]。中國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳庫為21.02～23.82Gt之間[13～14]，約為中國森林總碳儲量的74.6%[13]。合理評價森林土壤碳庫，分析其收支平衡，才能掌握森林土壤所發(fā)揮的碳匯或碳源作用。

3 人工林土壤固碳

世界人工林面積在不斷增加，我國人工林面積多年居世界第一[15]。伴隨著氣候變化問題的不斷升級，人工林在全球碳循環(huán)及溫室氣體減排中發(fā)揮的作用也日益重要[16]。Post等采用整合分析方法計算出寒溫帶至亞熱帶地區(qū)造林后土壤的平均固碳速率，使得人工林土壤固碳研究實現(xiàn)了一定程度上的尺度推譯[17]。在此以前，人工林土壤碳庫研究多為小尺度或區(qū)域性研究。大尺度的人工林土壤碳庫研究是對人類活動增匯減排更加全面的監(jiān)測，對氣候變化的預(yù)測及應(yīng)對措施的制定具有重要意義。中國人工林0～40cm土層年均固碳速率為73.94g/m2?年[18]。中國退耕還林工程預(yù)計2020年年均土壤固碳速率36±13Tg/年，至2050年土壤固碳將增至1171 ± 266Tg[3]。但尚未有研究估算世界或中國人工林的土壤碳庫。

4 影響人工林土壤碳庫的因素

4.1 造林前土地利用類型

土地利用變化會導(dǎo)致地面覆蓋變化及其相關(guān)聯(lián)的碳儲量變化[19]，碳儲量的變化主要由SOC變化所引起[17, 19]。人工林前期地類是造林后SOC變化的主要因素[7]。一般而言，耕地、荒地上造林，其土壤能夠固碳，而天然林、草地上造林反而造成SOC凈損失[20]。SOC的凈變化與前期地類積累的SOC以及造林后土壤中新輸入、新分解的SOC有關(guān)。土地利用變化打破了土壤碳輸入和輸出的平衡，直到一個新的平衡出現(xiàn)[20]，這個平衡點的碳儲量與之前地類的比較則形成了碳固定或碳損失。耕地向人工林的轉(zhuǎn)化能使表層SOC顯著增加20%[7]，中國的退耕還林工程是一個碳匯，顯著增加了土壤碳儲量[3]。也有基于全球尺度的研究結(jié)果指出耕地、草地向人工林的轉(zhuǎn)化對土壤碳庫影響不顯著，森林向草地轉(zhuǎn)化使土壤碳庫增加最顯著(680 t/hm2年)[21]，一定程度上與不同根系類型的更新周轉(zhuǎn)速度或研究的土層厚度有關(guān)。土地利用類型的不同，決定了SOC儲量的差異，而SOC儲量的差異性主要由植被類型的差異引起。從各地類上分布的植被來看，初期地類為荒地、棄耕地、農(nóng)地的植被少，其SOC積累少，而草地和天然林的SOC積累多，造林后穩(wěn)定的新林分SOC與前期地類SOC儲量存在差異，因而荒地、棄耕地、農(nóng)地造林易土壤固碳，而草地和天然林造林易發(fā)生土壤碳損失。

4.2 造林年限

林齡會影響土壤的固碳機(jī)制[22]。多數(shù)研究認(rèn)為造林后土壤碳儲量初期一定時間內(nèi)會減少，隨后開始恢復(fù)并逐漸出現(xiàn)積累[23～25]，但積累并不意味著土壤碳儲量超過造林前。SOC和土壤碳庫變化一般保持著相同趨勢，即早期SOC變化速率多為負(fù)值，導(dǎo)致SOC儲量減少，SOC變化速率隨造林年限增加逐漸接近0值，當(dāng)SOC變化速率由負(fù)變正時，SOC開始出現(xiàn)積累，不斷增加直至出現(xiàn)穩(wěn)定平衡。有研究指出造林年限29年內(nèi)的林分表層土壤碳減少，而同樣鄰近的200年林齡的人工林土壤碳儲量非常之高，說明林分土壤碳庫達(dá)到平衡點的年限可能很長[26]。從積累到平衡點的過程中，SOC可能已達(dá)到或超過造林前水平，或者直至平衡點仍未能超過造林前水平，因此導(dǎo)致一些研究成果在判定造林的固碳效應(yīng)上出現(xiàn)偏差。Paul等指出造林后前5年土壤碳庫減小，約30年后土壤碳儲量超過之前的農(nóng)業(yè)土壤[4]。Li等指出造林約30年后土壤碳庫顯著增加，在此之前不變或者減少[23]。有的研究中人工林土壤碳損失轉(zhuǎn)為增加的林齡約在24年[27]。人工造林后土壤碳庫呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢[25]，存在年限轉(zhuǎn)換界點。既定土層一定年限內(nèi)，人工造林后SOC儲量與造林年限呈正相關(guān)，其中，中國退耕還林工程表現(xiàn)為幾何增長關(guān)系[28]，>5年的人工林土壤碳庫呈凈增加[19]。

4.3 造林樹種

造林樹種對土壤碳庫會產(chǎn)生重要影響，樹種不同土壤剖面的碳積累速率和分配也會不同[29]，也會造成SOC差異顯著。土壤碳庫會隨著種植針葉樹種而減少，隨種植闊葉樹種而增加[4, 20]。造林后闊葉樹種(硬木類，如桉樹)能增加土壤碳庫，而種植針葉樹種(軟木類，如松樹)則土壤碳庫不會變化(包含腐殖質(zhì)層)[23]。如果不計初期地類影響，這可能與人工林闊葉樹種較針葉樹種其SOC積累能力更強(qiáng)有關(guān)[30]。有研究指出固氮樹種較桉樹有非常強(qiáng)的固碳作用[31]，種植固氮的灌木樹種比喬木具有更高的土壤固碳效應(yīng)[6]。固氮樹種能通過固氮作用潛在增加土壤氮的有效性，改善植物生產(chǎn)力，增加土壤碳輸入，降低土壤微生物的呼吸速率，進(jìn)而加速土壤固碳、增加土壤肥力[31]。植物通過光合作用所生產(chǎn)凈初級生產(chǎn)力是造林后土壤固碳的來源[28]。地表凋落物及其氮含量也有較大差異，固氮樹種中差異更大[32]。凋落物中木質(zhì)素含量的不同會影響微生物的分解速率[33]，分解速率越低則土壤積累的越多。與樹種相關(guān)的多種因素都與土壤碳儲量關(guān)系密切，樹種不同影響SOC的輸入量和輸入土壤中物質(zhì)的分解速率。

4.4 氣候因子

氣候條件影響著全球生物圈和碳庫格局。氣候因子與其他因子一起產(chǎn)生協(xié)同作用影響土壤碳庫，高緯度地區(qū)土壤植被碳比值高于中緯度，而低緯度地區(qū)該比值最小[34]。主要通過影響植物生產(chǎn)力、改變土壤有機(jī)質(zhì)的輸入[35]以及影響微生物分解活動、改變土壤碳的輸出來影響土壤固碳[36]，且溫度和降雨分別正、負(fù)作用于SOC的變化速率[36]，年均降雨量較年均溫對土壤碳庫的影響更大[37]。高溫高濕會增加分解而降低SOC儲量[34]，溫度會影響土壤碳周轉(zhuǎn)，是影響土壤呼吸的主要因素之一[38]。而土壤有機(jī)質(zhì)分解時的溫度敏感性受其本身多種組分和特性所決定，且多重環(huán)境因子影響下有機(jī)質(zhì)分解的溫度敏感性很隱蔽，使得觀測到的明顯溫度敏感性很少，但其本身對氣候是敏感的[39]。在人工林土壤固碳的研究中普遍認(rèn)為(年均)降水量具有重要影響，而(年均)溫度則不顯著[6]。大多數(shù)研究結(jié)果表明，造林后土壤碳的變化速率與降雨量之間呈負(fù)相關(guān)[5, 27]，年均降雨量小于一定閾值時，土壤易出現(xiàn)碳積累[24]，而降雨量大于一定域值后，土壤易出現(xiàn)碳損失[20]，該相對變化率還會受其他因素影響而不斷變化。

4.5 土壤性質(zhì)

造林后影響土壤固碳且與土壤性質(zhì)有關(guān)的因素研究多為土壤質(zhì)地。一般而言，SOC隨粉粒和粘粒含量的增加而增加[40]。粉粒和粘粒組成能夠保護(hù)SOC免受分解，一方面：粘質(zhì)礦物顆粒表面吸附能力強(qiáng)，且?guī)в薪饘傺趸锏刃问秸x子(以Al、Fe為代表)，而土壤有機(jī)質(zhì)帶負(fù)電，兩者通過配位體置換、高價離子鍵橋、范德華力和絡(luò)合作用等方式形成由化學(xué)鍵連接的穩(wěn)定復(fù)合體[41]，使其具有粘質(zhì)表層，起到化學(xué)保護(hù)作用；另一方面：在土壤動物、微生物的參與下粘質(zhì)礦物顆粒與SOC大分子物質(zhì)形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體形式的微團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，對SOC起到物理保護(hù)作用[42]。自然生態(tài)系統(tǒng)中SOC隨粘粒含量增加而增加[43]。造林后表層(<30cm)土壤中，土壤碳儲量隨粘粒含量增高而增加，從長期來看粘質(zhì)土壤固碳潛力更大[4]。造林后人工林表層SOC在低粘粒組成的土壤中損失更顯著[44]。草地造林后高粘粒含量的土壤中碳損失更低[45]。粘土較粗質(zhì)土造林地，粘粒含量越高，其SOC積累更多[30]，粘粒含量和SOC有正效應(yīng)[24]。但Bárcena等研究的粗質(zhì)地、火山土、細(xì)質(zhì)土人工林地(北歐)，與大多數(shù)研究結(jié)果相反[7]，可見造林后土壤質(zhì)地對SOC影響的方向多變。其他土壤特性如粘土礦物類型、微生物、pH、土壤容重、物理結(jié)構(gòu)及其養(yǎng)分狀況等均會影響SOC積累，探究這些因素在造林中對SOC影響的研究則相對較少。

4.6 經(jīng)營管理措施

人工林經(jīng)營管理措施可通過改變林地的溫度、水分、養(yǎng)分和土壤結(jié)構(gòu)，來影響土壤有機(jī)碳儲量和土壤呼吸等碳循環(huán)過程，是影響人工林土壤碳平衡的重要因素[16]。經(jīng)營管理措施包括整地、灌溉、施肥、收獲等。整地破壞土壤結(jié)構(gòu)和土壤團(tuán)聚體，使土壤透氣性加強(qiáng)，加速了微生物對土壤有機(jī)質(zhì)的分解活動，從而造成土壤碳損失[17]。特別是造林初期，凋落物的輸入無法抵消土壤干擾造成的損失，土壤碳呈下降趨勢[29]。免耕有益于SOC的積累[46]，整地加速土壤呼吸進(jìn)而影響土壤碳儲量，第一年最顯著[47]。灌溉措施可顯著改變土壤濕度和溫度，土壤呼吸會隨著土壤濕度的降低而減弱[48]，在一定范圍內(nèi)，適度灌溉會增加土壤呼吸，不利于土壤固碳[49]。而土壤含水量低于萎焉系數(shù)或高于最大田間持水量時，土壤呼吸明顯降低[16]，不利于植物和微生物生長。目前還沒有研究明確指出灌溉對人工林土壤碳庫的影響。施肥能夠增加植物生產(chǎn)力，從而提高土壤碳的輸入[50]，但也會加速土壤呼吸[51]，加速有機(jī)碳分解。不同施肥程度對土壤固碳總效應(yīng)差異不大[52]，而施肥效應(yīng)在不同的樹種間變化很大[53]。施肥能增加地表凋落物量，但有研究指出地下總碳反而低于未施肥地[54]。農(nóng)業(yè)研究曾表明，長期的施肥加上保留植物殘茬仍無法避免土壤碳損失[55]，而也有研究指出施肥能增加土壤固碳[56]。目前為止，施肥對人工林土壤的固碳影響仍無定論[29]。收獲是常見的人工林經(jīng)營手段。森林收獲對土壤碳儲量的影響不大且取決于收獲方式，不同收獲方式對后續(xù)生長的生物量有較大影響，而對土壤碳的影響微弱[57]。溫帶森林的收獲會使得土壤碳降低8%，但主要影響地被層，礦質(zhì)土壤層的土壤總碳儲量變化不顯著[58]。也有研究指出收獲會造成土壤呼吸加速形成大量的土壤碳損失[59]，而擇伐(類似疏伐)相對皆伐能大大降低土壤碳損失，延長輪伐期有利于人工林土壤的碳積累[29]。大限度的收獲較無清樁、清場方式的收獲造成后續(xù)土壤碳儲量更低，差異也主要在有機(jī)質(zhì)層，礦質(zhì)土壤層無變化[60]?？梢娛斋@后生物量的移除量對土壤碳有一定影響。

5 總結(jié)或結(jié)論

總結(jié)各項研究結(jié)果：在耕地、荒地、農(nóng)地造林，其土壤碳庫增加，天然林、草地造林反而造成土壤碳庫損失；造林后土壤碳儲量初期一定時間內(nèi)會減少，隨后開始恢復(fù)并逐漸積累，但并不意味著超過造林前；人工林中闊葉樹較針葉樹的土壤碳庫積累能力更強(qiáng)，樹種的凋落物分解速率越低則土壤積累越多；森林土壤碳庫存在顯著的氣候帶差異，高緯度地區(qū)土壤植被碳比值高于中緯度，而低緯度地區(qū)該比值最??；既定降水條件下，土壤碳庫會隨著溫度的降低而升高，年均降雨量較年均溫對土壤碳庫的影響更大，高溫、高濕氣候因子會降低碳庫儲量；土壤特性如粘土礦物類型、物理結(jié)構(gòu)、pH值、土壤容重、養(yǎng)分狀況、微生物等均會影響SOC的積累；雖然經(jīng)營管理措施是人工林土壤碳平衡的重要因素，但不確定整地、施肥、灌溉、收獲等影響因子在某一特定研究中影響土壤碳庫變化的主導(dǎo)性。一般至研究節(jié)點時，土壤碳已經(jīng)歷多項因素錯綜復(fù)雜的影響，人工林土壤是固碳或損失碳是各項因子相互作用的結(jié)果。經(jīng)營措施影響的不確定性較其他影響因子更大。整地干擾造成的造林初期土壤碳儲量減少是造林后土壤碳庫變化的重要因素。

造林對SOC的影響是一個復(fù)雜的生物-物理過程，上升到一定空間尺度才能形成變化規(guī)律，經(jīng)歷一定年限才能形成時間規(guī)律，且影響因素各種各樣，部分影響因素存在尺度效應(yīng)，具有一定區(qū)域特征。只有加強(qiáng)對不同影響因子的認(rèn)識，加強(qiáng)對不同區(qū)域的研究，才能科學(xué)認(rèn)識不同區(qū)域、國家尺度乃至世界尺度的變化。