连栽对人工林土壤固碳潜力的影响
2017-03-07张慧东
张慧东
(辽宁省林业科学研究院,辽宁 沈阳 110032)
连栽对人工林土壤固碳潜力的影响
张慧东
(辽宁省林业科学研究院,辽宁 沈阳 110032)
人工林经营管理水平的提高被认为是增加森林土壤碳汇功能,减缓全球气候变化的最有希望的选择。连栽人工林作为一种受人类严重干扰的特殊森林生态系统,在保障我国木材资源中具有重要的作用,但是长期以来其在土壤固碳功能及其应对气候变化方面的作用没有得到重视,该文综述了目前连栽人工林土壤碳循环的一些研究成果,为正确认识连栽人工林在土壤固碳方面的潜力提供参考。
固碳;土壤;连栽;人工林
温室效应导致全球变暖及对陆地生态系统的影响问题是近年来全球科学界共同关注的科学焦点。通过植树造林来承担部分温室气体减排指标已成为全球共识[1],人工林在全球C循环中占据的位置也越来越重要。与天然林相比,人工林是处于人为调控下的生态系统类型,人为干扰直接或间接改变林地的小气候、土壤结构、土壤碳输入和土壤碳排放等,并通过这一影响改变土壤的C库组分及其C循环模式[2]。
随着林业产业的发展,人工林的种植已由过去的粗放经营逐步向集约化、规模化、产业化的经营方式转变,灌溉、施肥、轮作等典型农业措施逐渐运用到速生人工林的经营过程中。在我国的热带、亚热带地区,桉树的种植面积已经达到170万hm2,其中有60%~70%的桉树人工林属于短轮伐期人工林,50%~60%的林地又多采用连栽方式[3],人工林的连栽已成为未来速生人工林培育的主要更新方式。大量的研究结果表明,连栽会对林地生产力、生物多样性、林分稳定性等产生多方面影响,改变人工林生态系统的养分循环和能量流动过程,进而影响人工林的固碳潜力。而相对于地上生物C库,土壤C库作为一种具有持久性、稳定性的C库,更是被公认为最具有潜力的C汇[4-6]。但是目前对人工林C储量和通量,及其影响因子等方面的研究,还主要集中在传统森林生态系统中,对已实施集约化经营的人工林固碳能力的研究较少[7],尤其是对连栽条件下的人工林土壤碳的结构类型与稳定性,以及土壤碳库各组分和土壤呼吸等的研究[8],这极大限制了对人工林经营变化与土壤碳库和碳组分变化,及其影响机理的了解,很难对人工林连栽后森林土壤的固C潜力进行准确的评估[2]。
1 连栽对人工林土壤有机C库的影响
人工林的连栽会改变地上生物的生产力,同时也会改变森林凋落物、根系的理化性质和分布特征,影响枯落物的分解,尤其对于短轮伐期的人工林,其森林—草地—森林的过程可能会更显著的影响枯落物的分解,进而影响土壤碳输入过程[9]。罗云建等综合分析了我国主要连栽速生人工林不同代际间林分生物量和土壤有机C储量变化,研究结果显示:随着连栽代数的增加人工林土壤的有机C储量呈明显下降趋势[10-13]。与I代林相比,II代杉木人工林土壤有机C储量下降10%,III代比II代下降15%[10];II代连栽杨树人工林土壤有机C降低4.65%~25.96%[11-12];长白落叶松II代林有机质含量降低19.5%[13]。但是余雪标等对连栽桉树人工林土壤碳库的研究结果显示,与I代林相比,II代桉树人工林土壤有机C储量下降26.2%,III代下降13.8%,土壤有机C库呈先降低再升高的过程[14]。
人工林连栽作为一种集约化的经营方式,受人为干扰强烈,研究显示通过改变人工林的连栽模式可改善林地土壤碳储量。如杉木人工林采伐后,改变II代人工林的连栽方式可显著改善林地土壤有机C储量,II代杉木混交林的土壤有机C储量比II代纯林提高19%~29%[10];同时,连栽人工林可以通过改变采伐、间伐和干扰发生的程度控制C输入和C输出,优化的森林经营管理维持人工林较高的生产力,实现森林土壤C增汇目标[15]。P.Grogan等研究认为,短轮伐人工林的收获虽然减少了地上生物固C潜力,但是有更多的C通过作物进入到了人工林的土壤中,短轮伐人工林的土壤固C潜力可与天然更新林相媲美,甚至超过天然更新[16]。研究认为延长轮伐期有利于人工林土壤C的积累[17-18];Covington等发现在采伐的20 a内,林地土壤有机C储量会急剧下降近50%[19];但是将采伐剩余物留在林内,经分解和淋溶作用,可弥补有机质输入量的减少,增加土壤的有机C含量[2]。采伐的干扰会降低表层土壤的有机C含量,但是会促进部分表层土壤有机C到达更深的土层中,与矿物土壤结合,增加土壤中矿物碳的含量[20]。
2 连栽对森林土壤碳库组分的影响
近些年,研究者根据土壤C库分解转化的难易程度,将森林土壤碳库分为活性碳库(Labile C pool)、缓释碳库(Slow C pool)和惰性碳库(Passsive C pool),并开展了人工林连栽对土壤碳库组分及其影响因素的研究。结果表明土壤有机C输入的数量和养分能够有效的影响土壤碳库组成[21-23]。连栽代次的增加会增加土壤活性C含量,而土壤有机C、稳定态碳、惰性碳则表现出先增加后减小再增加的变化过程[24];同时,土壤表层凋落物的增加和减少是影响土壤碳库组分的重要因素。Crow等研究表明,添加新鲜的木质凋落物对土壤不同密度组分间土壤C∶N和有机C的分布没有影响,但增加了土壤中轻组有机C含量,土壤有机层的去除会显著降低土壤中的活性碳库[20,25];而添加凋落物会降低土壤中的活性碳,并增加土壤惰性碳和稳定性碳[25]。钟羡芳等对连栽杉木人工林土壤碳库组分的研究结果显示,与I代林相比,II代林土壤碳库降低22.89%。I代林和II代林的土壤轻组有机C无显著差异,连栽主要改变表层土壤可溶性有机C的浓度,表层土壤可溶性有机C随着连栽代数增加浓度逐渐减小,I代林表层土壤可溶性有机C含量约是II代林的1.53倍[26]。Lynne等认为,适度的干扰会促进表层活性碳库向土壤的更深层次转移,并在微生物的作用下矿化,从而起到对土壤碳库的保护作用[20]。但是,目前关于森林土壤碳组分的研究还处于初始阶段,对连栽人工林土壤碳库组分的研究更少,连栽对人工林土壤碳库组分的影响结果尚不确定。
3 连栽对人工林土壤呼吸的影响
土壤呼吸是影响林地土壤碳循环的重要环节,其主要包括3个生物学过程(即土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸)和一个非生物学过程(含碳矿物质的化学氧化作用)。但是受制于目前关于连栽对土壤呼吸速率研究数量的限制,关于连栽对土壤呼吸的影响,特别是连栽人工林土壤呼吸的组分及其影响因素的研究还处于空白,连栽对人工林土壤呼吸的影响尚未形成共识。但是,人工林的连栽会明显地改变土壤的生物学和非生物学过程,进而影响人工林的土壤呼吸过程。
首先,连栽会显著地改变林地土壤微生物数量和种类。研究表明,与I代林相比,随着连栽代数增加连栽杨树人工林土壤的真菌、放线菌、细菌的数量分别下降34.38%、14.38%、56.63%,土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、蛋白酶和过氧化氢酶分别下降20.00%、11.54%、29.39%、50.00%和1.92%,而多酚氧化酶活性增加100%[27];II代杉木幼龄林土壤酸性磷酸酶活性下降20%~56%,中龄林下降32%~ 66%[28]。而连栽对马尾松人工林土壤微生物的影响结果显示,与I代林相比,II代林根际与非根际土壤的细菌、放线菌、真菌数量分别上升40.44%、49.35%、70.87%,和52.71%、36.52%、77.05%[29]。其次,连栽会使杉木根系的重量、组成、形态和分布产生较大的影响。研究结果显示,III代、II代杉木的单株根系生物量分别比I代降低49.69%和24.93%[30];随连栽代次的增加,杉木人工林土壤中杉木活细根生物量由646.4~799.7 g·m-2降低至284.4~536.9 g·m-2。且连栽后,主要减少了表层土壤(0~10 cm)细根的生长[31]。另外,连栽会显著的改变土壤的非生物学过程。土壤非生物学过程也是影响林地土壤呼吸的重要因素,大量的研究结果显示,连栽会降低土壤孔隙度,增大土壤容重,使土壤变得较为紧实,通气和容蓄能力下降,导致理化性质恶化,进而影响到树木根系的生长、伸展、呼吸、吸收水分和养分的能力[13,27,32-33]。可见,随着连栽代次的增加,影响林地土壤呼吸的生物学和非生物学过程均会发生明显变化,这可能会进一步改变林地土壤呼吸速率的排放。
4 N沉降对连栽人工林土壤碳库影响
森林生态系统碳循环与N循环是密切联系的统一过程,它们在叶片冠层、土壤根系层和土壤微生物等关键生态过程上紧密耦合,并通过一系列相互作用调控土壤中C、N温室气体的排放和转化,改变连栽人工林生态系统的固碳潜力。人工林的连栽会改变林地土壤N素的利用方式和利用程度,同时土壤微生物各主要生理类群会直接参与土壤氨化及硝化作用,其对维持人工林生态系统的C、N平衡起着重要的作用。研究表明,人工林连栽会显著影响林地土壤N含量,与I代林相比,长白落叶松II代林土壤A层和B层的全N含量分别下降22.0%和15.9%[13];连栽II代杨树人工林土壤含N量下降12.20%[11],且连栽杨树人工林土壤碳储量与全N和速效N含量呈极显著正相关[34]。连栽对杨树人工林土壤的矿质化作用有明显的影响,与I代林相比,II代林地土壤矿化累积量和硝化累积量分别降低39%~43%和45%~49%,而对氨化作用影响不明显[35];马尾松连栽后其根际和非根际土壤的硝化作用上升,氨化作用下降,且根际土壤的硝化、氨化作用与非根际土壤的氨化作用代际差异显著[29]。另外,土壤微生物量与土壤有机C和N的含量密切相关[36],研究结果显示,杨树人工林随着林龄和连栽代次的增加,土壤的微生物量N含量呈下降趋势,且土壤微生物N含量与土壤有机质和全N呈显著相关关系[37]。
施肥作为连栽人工林经营中普遍应用的一项管理措施,在连栽人工林经营过程中频繁使用,其对林地土壤的固碳潜力也会产生重要的影响。Johnson(1992)研究认为,施肥可增加地上凋落物和地下生物量,有利于土壤C储量的增加,N肥的增加会降低土壤中不稳定性C和活细根生物量,从而降低土壤呼吸速率,显著增加土壤C储备[38-39];Lee等(2003)对施N肥的三叶杨的研究结果也表明,施肥后三叶杨的土壤呼吸速率有明显的下降[40];贾淑霞等(2007)对施N肥的落叶松和水曲柳人工林的研究结果也表明,施肥后林地土壤呼吸速率与对照相比分别减少了34.9%和25.8%[41]。但是一些模拟和大田研究对长期稳定、相对较高的N浓度条件下是否会使陆地生态系统碳固定增加表示了置疑。
5 展望
合理的人工林经营是实现和促进人工林C汇功能的重要手段[42-43],合理的人工林经营可以增加生态系统土壤C的固定和储存[9,44]。然而,目前关于人工林碳循环的研究多集中在传统人工林当中,对采用短轮伐、连栽人工林的土壤碳储量变化及其影响因素的研究还较少。我国作为世界上人工林种植面积最大的国家,森林C库储量和C密度均低于世界平均水平,迫切需要采取科学合理的管理手段来提高人工林土壤的固C潜力[44]。因此,有必要加强连栽人工林土壤固碳潜力的研究,为提高我国人工林在应对气候变化的潜力提供先进的管理技术和决策依据。
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(责任编辑:董莉莉)
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