森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳影響因素研究

孫毅兵

(黑龍江省林業(yè)和草原第三調(diào)查規(guī)劃設計院，黑龍江 哈爾濱 150008)

土壤是人類賴以生存的自然資源，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫。土壤有機碳含量的變化可直接導致大氣排放溫室氣體濃度的變化，從而影響全球氣候變化。研究碳循環(huán)的重要前提就要了解土壤碳，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳影響因素研究對正確評價森林生態(tài)土壤在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、全球碳循環(huán)以及全球氣候變化中的作用具有重要意義。

1 森林土壤碳庫

1.1 森林土壤碳儲量

全球植被碳儲量大約4.2～8.3×1011t，土壤碳儲量大約1.2～2.0×1012t；全球土壤深度0～30cm的土壤有機碳庫儲量6.84～7.24×1011tC，無機碳庫儲量為 2.22～2.45×1011tC；土壤深度為0～100cm的土壤有機碳庫儲量為1.46～1.55×1012tC，無機碳庫儲量為4.95～7.48×1011tC 。中國森林土壤碳儲量的變化范圍在44～264t/hm2，平均為107.8t/hm2，其中，天然林平均土壤碳儲量109.1t/hm2，人工林平均土壤碳儲量107.1t/hm2。

1.2 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳組成及分布

1)土壤碳包括有機碳和無機碳兩部分。土壤有機碳由一系列易分解活性有機碳和難分解惰性有機碳組成，土壤無機碳包括二氧化碳,碳酸氫鈉等含碳的無機物。

2)土壤有機碳主要分布于上層1m深度以內(nèi)，在熱帶廣泛分布的厚層土壤中，1m以下有機碳的儲量達5.0×1010t。研究發(fā)現(xiàn)林地土壤剖面有機碳含量垂直分布呈先陡降然后逐漸降低的模式，0～20cm土層中土壤有機碳含量、有機碳密度均占比較大。

1.3 森林土壤碳動態(tài)變化

1)土壤碳以有機碳為主，具有不同的更新速率和周轉(zhuǎn)速率，其碳轉(zhuǎn)移方向與強度在不同時間尺度上決定著大氣二氧化碳的濃度。森林土壤有機碳儲量及其動態(tài)平衡直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力水平，對森林生態(tài)系統(tǒng)的功能與服務具有重要影響。

2)據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計，2001-2010年期間土地利用變化和森林砍伐造成的溫室氣體凈排放減少近10%，十年的平均數(shù)約為40億t二氧化碳當量/年，這主要歸功于森林砍伐減少，許多國家大氣碳封存量增加。

3)研究發(fā)現(xiàn)華北落葉松白樺混交林土壤有機碳含量隨著土層深度的加深逐漸減少，隨著林木林齡的增加，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳含量和碳儲量與齡林增加呈正相關的線性關系；

4)森林土壤活性有機碳含量受植被類型的影響，并與季節(jié)變化、氣溫、降水等氣候因素有關；東北森林土壤有機碳儲量的變化規(guī)律為從增長到飽和然后逐漸降低，在空間上也有不同程度增加或降低；

5)研究發(fā)現(xiàn)土壤碳在溫度帶間差異顯著，在暖溫帶最低，在北亞熱帶最高；年均溫、年降水量、土壤含水量和植物物種多樣性間的交互作用對土壤碳有顯著正影響。

6)相關研究表明，隨著海拔升高，大氣及土壤溫度逐漸降低，導致土壤動物及微生物的活性降低，造成微生物分解枯落物的速率下降，從而使得高海拔地區(qū)土壤有機碳含量明顯高于低海拔地區(qū)[1]。

2 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳影響因素

影響土壤有機碳儲量的因素主要是氣溫、降水、土壤通氣狀況、凋落物及土壤特性等。人類活動引起的有機物質(zhì)輸入、輸出也可以增強或降低土壤有機碳轉(zhuǎn)化速率，能夠在短期內(nèi)改變土壤碳和碳循環(huán)。

2.1 氮沉降

由于森林生態(tài)系統(tǒng)中各種因子間的復雜性關系，大氣中的氮沉降變化影響土壤碳變化。近些年，氮沉降處理下土壤有機碳分解的研究一直存在許多的不確定性，氮沉降能促進固碳作用，增加森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳的含量及碳儲量；對于森林土壤微生物生物量碳的研究，有關學者發(fā)現(xiàn)高量氮素添加會降低微生物生物量碳，而低量氮素添加則明顯提高其含量，氮沉降的增加能夠減少腐殖質(zhì)層和上層礦質(zhì)土壤二氧化碳的產(chǎn)生。

2.2 外加碳源

1)在森林生態(tài)系統(tǒng)中，通過添加和去除凋落物以及去除根系的方法(DIRT Detritus Input and Removal Treatments)人為地改變土壤碳的輸入，依此來研究土壤碳和碳循環(huán)。人為改變土壤外源碳的輸入方式可促進或降低土壤有機碳降解速率，在短時間內(nèi)可觀察到土壤碳和碳循環(huán)的變化。

2)通過外源有機物進入土壤使土壤原有有機碳分解速率發(fā)生改變的一種現(xiàn)象，被稱為激發(fā)效應。凋落物作為土壤有機碳的主要來源，添加或去除凋落物會改變土壤微生物數(shù)量、活性及群落結構，從而影響土壤呼吸，引起土壤碳循環(huán)的短期變化。凋落物輸入增加可能引起“激發(fā)效應”，從而加速土壤中固有有機碳的礦化，致使土壤碳釋放增強，影響土壤有機碳的積累和分解，對土壤碳平衡的輸入、輸出起到至關重要的作用。

3)凋落物多的幼齡林土壤呼吸值較低。研究發(fā)現(xiàn)，增加凋落物有利于穩(wěn)定土壤中有機碳含量，促進土壤微生物的量與活性；減少凋落物可能引起土壤微生物量的減少。

2.3 土地利用方式變化

在過去的一個多世紀里，人類活動越來越劇烈，導致全球土地利用/土地覆被發(fā)生了巨大的變化。1850-1990年，全球土地利用變化導致1.24×1011tC排放到大氣中，其中1.08×1011tC來自森林生態(tài)系統(tǒng)(熱帶森林占2/3，溫帶和北方森林約占1/3)。

有些土地利用方式變化破壞了土壤團聚體，影響了土壤中動植物微生物殘體、排泄物、分泌物及土壤腐殖質(zhì)的分解，從而使土壤成為大氣碳庫的重要來源。從區(qū)域來看，植樹造林使土地利用方式發(fā)生變化，促進了土壤有機碳的持續(xù)增長，碳匯作用正在加強。造林和森林恢復對于森林土地利用/覆被變化具有積極作用，通過造林和森林恢復，中國森林減緩了全球大氣二氧化碳體積分數(shù)的上升趨勢。

3 森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳研究展望

土壤碳儲量超過了植被碳庫與大氣碳庫的總和，因此正確認識土壤有機碳的穩(wěn)定性是應對全球氣候變化的關鍵所在；由于氣候帶分布、森林植被類型、影響因素等不同原因的存在，國內(nèi)外對土壤有機碳的各種形態(tài)、動態(tài)過程及其調(diào)控機理等研究仍十分薄弱；森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地碳匯形成的主要原因之一，陸地生態(tài)系統(tǒng)由“碳源”轉(zhuǎn)為“碳匯”，其主要原因是退耕還林和森林防火，特別是森林面積擴大和林木再生；特別是關于土地利用變化，外加氮源、碳源等人為干擾條件下對土壤有機碳過程與狀態(tài)影響的定量研究較少。尤其是在預測不同空間尺度土壤有機碳的分布特征、組分、轉(zhuǎn)換過程和機理以及有機碳儲量準確估算等方面，將成為新的研究熱點，其理論和技術將會得到更大的發(fā)展。

4 結語

森林土壤碳儲量在不同氣候帶分布存在差異，從熱帶至溫帶呈增加的趨勢，熱帶與亞熱帶地區(qū)相近；人工林與天然林土壤碳儲量差異并不明顯[2]。不同森林類型之間土壤碳儲量、碳含量的差異主要表現(xiàn)在土壤表層。

土壤碳含量隨海拔的升高而增加，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳在不同林型間的差異很大；不同土壤類型之間，山地棕壤的碳儲量極顯著高于山地黃棕壤和山地褐土。研究表明，色季拉山森林土壤有機碳主要儲存于表層土壤和高海拔區(qū)域土壤中, 在未來氣候變暖的背景下, 高海拔區(qū)域表層土壤將成為大氣二氧化碳濃度升高的潛在碳源。