抚育对林地土壤碳释放的影响——基于Yasso07估算

罗春林,侯 琳,2,*,白龙龙,耿增超,和文祥

1 西北农林科技大学林学院,杨凌 712100 2 教育部西部生态与环境修复重点实验室,杨凌 712100 3 西北农林科技大学资源环境学院,杨凌 712100



抚育对林地土壤碳释放的影响
——基于Yasso07估算

罗春林1,侯 琳1,2,*,白龙龙1,耿增超3,和文祥3

1 西北农林科技大学林学院,杨凌 712100 2 教育部西部生态与环境修复重点实验室,杨凌 712100 3 西北农林科技大学资源环境学院,杨凌 712100

间伐是森林经营的有效措施之一,其能减少林木枯损,有利于林下植被生长和植物种群更新,但也可改变森林小气候,从而影响林地土壤碳释放。以秦岭火地塘林区松栎混交林为研究对象,运用Yasso07模型模拟了不同间伐强度和间伐残留物移除强度下林地土壤CO2释放。结果表明：(1)针叶树种(油松Pinustabulaefomis、华山松Pinusarmandi)和阔叶树种(锐齿栎Quercusalienavar.acutesrrata)叶凋落物化学组分有较明显差异,针叶树种酒精溶解性化合物(ESC)和水溶性化合物(WSC)含量明显低于阔叶树种,其不溶性化合物(NSC)含量明显高于阔叶树种；(2)凋落物化学组分对林地土壤CO2释放有显著的影响；(3)在研究两个控制因子中,间伐强度是影响林地土壤CO2释放的主导因子,间伐后林地土壤CO2释放量有升高趋势；当间伐强度为12.38%,间伐残留物移除强度为53.18%时,林地土壤CO2释放量最小,为15.318 Mg hm-2a-1。

间伐；土壤碳释放；Yasso07模型；松栎混交林；秦岭

天然林保护工程的实施,使我国森林资源明显改善,但长期保护导致天然林密度过大、更新困难、地表枯落物分解不良等,影响了森林生态系统服务功能的充分发挥[1]。间伐是森林经营最有效的措施之一[2- 3],其能优化林内环境,减少林木枯损,有利于林下植被生长和植物种群更新[2,4]。但间伐也能改变土壤微环境和呼吸底物的输入,从而影响林地土壤呼吸[5- 6],而森林土壤碳释放速率的微小变化也会引起大气CO2浓度的改变[7]。

目前国内外有关间伐对林地土壤呼吸影响的研究存在较大争议[8- 12],有研究表明间伐对土壤CO2释放的影响不显著[8]；有的则认为间伐降低了土壤CO2释放速率[9]；还有结果表明间伐增加了土壤CO2释放速率[11],中度间伐对土壤呼吸有促进作用[13]且土壤碳释放随间伐强度增加而波动[14]。

长期以来,林地土壤CO2释放野外测定技术虽然在不断改进[15- 16],但由于林地土壤的空间异质性、无干扰情况下林地有机土壤碳较强的稳定性和土壤碳库变化的不确定性[17- 18],导致直接观测林地土壤有机碳释放动态精度较差,且费时、耗钱、费力,运用模型模拟林地土壤碳释放的方法应用较广泛[19- 21]。目前,模拟土壤碳动态的模型主要有Century,Coup-Model,Q-Model,ROMUL,DECOMP等[22],但上述模型需要输入的信息较多,且部分信息难以获取。与上述模型相比,基于林地土壤碳动态是由凋落物中4类有机化合物在不同库间转化假设的Yasso07林地土壤碳分解模型,因其运行所需参数少且易获取、操作简便、估算土壤呼吸结果可靠,已在欧美得到广泛应用[23- 24]。

我国在森林抚育中普遍的做法是间伐后将间伐残留物置于林地内,其虽能增加林地土壤肥力,但残留物堆积于林地且分解较慢,可增加林火风险。迄今虽已有一些单项措施与林地土壤CO2释放关系的报道,但有关间伐强度和间伐残留物移除强度的综合影响了解不多。

本研究以秦岭中山地带分布广泛的松栎混交林为研究对象,应用Yasso07模型模拟林地土壤CO2释放,运用二次通用旋转设计探讨不同间伐强度和间伐残留物移除强度对林地土壤CO2释放的影响,确定CO2释放量最小条件下间伐强度和间伐残留物移除强度的最优组合,以期为以固碳为目的森林经营措施的制定提供依据。

1 研究区自然概况

试验在陕西秦岭森林生态系统国家野外科学研究站(33°26′N,108°27′E)进行,该地位于秦岭南坡,地处北亚热带和暖温带的过渡带。海拔1500—1700 m,研究区坡度多在30°左右,年降水量900—1200 mm,年蒸发量800—950 mm,相对湿度77.1%,1月平均气温-3.8℃,7月平均气温16.3℃,年均气温9℃。土壤主要是沉积岩和变质岩母质上发育起来的山地棕壤,土层厚度在60 cm左右,土壤中砂砾、粉粒和粘粒所占比重较大,凋落物厚度2—6 cm。研究区内的松栎混交林为天然次生林,平均林龄42 a,现有林分中优势树种为油松(Pinustabulaefomis)、华山松(Pinusarmandi)和锐齿栎(Quercusalienavar.acutesrrata),林下植被发育良好。

2 研究方法

2.1 间伐试验设计

秦岭林区地形破碎复杂,难以满足随机区组和正交试验设计对试验小区重复数较多的要求。二次通用旋转设计因其需要实验次数较少、可对试验因子优化,寻求目标变量最优条件下控制因子最佳组合等优点广泛应用于科学实验中。

本研究在森林抚育设计中采用二次通用旋转设计[25-26]。

间伐试验设计中控制因子为间伐强度(%)和间伐残余物移除强度(%)。

根据《森林抚育规程》GB/T(15781—2009)和《陕西省森林抚育规程》(2010),设置间伐强度上限为25%。

在收获木材后,称取间伐残余物鲜重,将其按一定的比例(质量百分比)均匀铺于林地土壤表层,剩余部分移出林外,残余物的移除强度按下式计算：

通过软件DPS v14.50确定试验设计方案,每个控制因子(独立变量)共设-γ(-1.414),-1,0,1和γ(1.414)5个水平(表1),9个处理(表2)。

变量代码通过下式计算获得：

式中,xi为控制因子的代码值,Xi是独立变量的实际值,X0为独立变量实际值的中间值,Δx为步长变化值[27]。

表1 试验设计因子水平

间伐试验设计方案如下(表2)。

2.2 间伐作业

2012年8月上旬,在秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站内,选取林龄、密度、地形因子、土壤条件等相近的松栎混交林为研究对象,根据二次回归通用旋转设计的要求,共选取13个试验小区,设9个处理,每个试验小区的面积为20 m×20 m,同期开展本底调查,调查因子包括样地海拔、坡度、坡向,林分郁闭度、树种组成、树高和胸径等(表3)。2012年8月下旬开展间伐试验(表4)。

表2 DPS (Data Processing System) v14.50运行的试验设计方案

x1代表间伐强度；x2代表间伐残留物移除强度

表3 试验样地概况

表4 间伐前后各树种密度

2.3 凋落物回归动态

2012年8月根据对角线法在13个试验小区内各布设5个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,带回实验室,按树种区分叶凋落物,在70℃下烘至恒重,称其质量[28]。

2.4 凋落物化学组分及测定

Yasso07模型中凋落物4类化合物分别为酒精溶解性化合物(ESC)；水溶性化合物(WSC)；酸溶性化合物(ASC)；不溶性化合物(NSC)[29],测定流程如下[30]：

取1 g叶凋落物样品于70℃下烘至恒重,粉碎,过0.149 mm筛,用纯CH2Cl2溶液提取16—24 h,过滤得残渣1,样品质量与残渣1质量之差为ESC质量； 将残渣1用100℃蒸馏水提取1 h,称重得残渣2,残渣1与残渣2质量之差为WSC质量；将残渣2用72%硫酸30℃恒温水浴提取1 h,然后稀释酸的浓度至2.5%,在120℃下提取1 h,得残渣3质量,残渣2与残渣3质量之差为ASC质量；将残渣3在450℃灼烧8 h,得残渣4(灰分)质量,残渣3与残渣4质量之差为ASC质量。

各组分质量与样品质量之比为其含量(%)。

2.5 Yasso07模型简介及输入参数

Yasso07是模拟土壤碳循环模型,比旧版Yasso有所改进,基于大数据模拟和更先进的数学方法,可用于估算土壤有机碳库的变化和土壤呼吸,模型操作过程详见参考文献[29-30]。凋落物四类化合物含量输入值根据各树种凋落物所占质量的百分比将其测定含量加权平均,年降雨量和年均温等数据来自陕西秦岭森林生态系统国家野外科学观测研究站的气象站。凋落物质量和凋落物4类化合物含量以值对形式输入,凋落物质量、凋落物4类化合物含量、年降雨量和年均温的输入以2012年为基准。在Yasso07模型参数输入中以年尺度为步长,数据以矩阵形式输出[29]。

2.6 数据处理

采用SPSS 17.0(SPSS Inc.,USA)软件中的单因素方差分析(one-way ANOVA)判定不同树种凋落物化学组分的差异显著性,凋落物化学组分含量的数据为“平均值±标准差”；

采用DPS 7.05软件,以间伐强度和间伐残留物移除强度为自变量,以林地土壤CO2释放量为因变量进行模型拟合。

3 结果与分析

3.1 凋落物化学组分

不同树种同类化合物含量除华山松和油松的醇溶性化合物(ESC)和水溶性化合物(WSC)含量差异均不显著、华山松和锐齿栎的酸溶性化合物(ASC)含量之间差异不显著外,不同树种间其余化合物含量之间差异均显著。针叶树种(华山松、油松)的醇溶性化合物(ESC)含量和水溶性化合物(WSC)含量低于阔叶树种(锐齿栎),而其不溶性化合物(NSC)含量高于阔叶树种(表5)。针叶树种叶中木质素含量较高,阔叶树种叶中可溶性脂肪、单糖和水溶性酚类物质含量较高；而不溶性化合物主要由木质素构成,醇溶性化合物主要由可溶性脂肪、色素等构成,水溶性化合物主要由单糖和水溶性酚类物质构成[29]。

同一树种不同化合物含量之间差异均显著。针叶树种(华山松、油松)醇溶性化合物(ESC)含量相比其他化合物较低,酸溶性化合物(ASC)含量最高；阔叶树种(锐齿栎)不溶性化合物(NSC)含量最低,酸溶性化合物(ASC)含量最高(表5)。针叶树种叶中纤维素、半纤维素和木质素含量较高,阔叶树种叶中可溶性脂肪、色素等含量较高；而酸溶性化合物由纤维素和半纤维素构成,醇溶性化合物主要由可溶性脂肪、色素等构成[29]。

表5 叶凋落物化学组分

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；行中大写字母相同表示同一树种不同化合物含量之间差异不显著(P>0.05),反之差异显著(P<0.05)；列中小写字母相同表示不同树种同一化合物含量之间差异不显著(P>0.05),反之差异显著(P<0.05)

3.2 间伐对林地土壤CO2释放的影响

图1 间伐后1年、间伐后2年土壤CO2释放动态 Fig.1 Variation of CO2 emission about a year to two years after thinning

运用Yasso07模型模拟了间伐后1a(2013年)、间伐后2a(2014年)林地土壤CO2释放动态,结果表明：除处理Ⅲ2014年林地土壤CO2释放量略低于2013年外,其余处理2014年林地土壤CO2释放量均高于2013年,其增幅介于0.154 —1.292 Mg hm-2a-1,间伐增加了林地土壤CO2释放(图1)。间伐降低了林内郁闭度,提高了林内透光性,林地表层土壤温度升高,有利于土壤微生物活动,加快了枯落物分解,林地土壤CO2释放量增大[31- 33]。

3.3 模型拟合

为进一步探讨抚育间伐对林地土壤CO2释放的影响,以2013年和2014年林地土壤CO2释放量的均值为因变量,以间伐强度和间伐残留物移除强度为自变量进行模型拟合[34],结果如下：

(1)

式中,Y为不同抚育强度下林地土壤CO2年释放量；x1,x2分别表示间伐强度和间伐残留物移除强度的编码水平。经对模型进行统计检验(表6),回归模型中失拟项F检验(F=0.21996)不显著,表明非控制因素对试验结果影响不大；而回归项(F=82.19>F0. 01)达0.01显著水平,说明回归模型拟合程度高,试验因素与林地土壤CO2释放间存在真实的回归关系。

剔除模型中不显著项(P>0.01)(表6),得如下优化方程：

(2)

式中,各变量含义同(1)。

为客观评价各因子对林地土壤CO2释放的影响,根据(3)式分别求两因子对林地土壤CO2释放的贡献率,采用对拟合模型中与某因子相关且F>1的项求贡献率来衡量该因子对因变量的影响。公式如下[35]：

(3)

结果表明：间伐强度(1.98)>间伐残留物移除强度(1.95),间伐强度是影响林地土壤CO2释放的主导因子。

表6 回归模拟的回归系数、标准误及方差分析

间伐强度(x1)和间伐残留物移除强度(x2)单因子效应分析如下:

图2 间伐强度对林地土壤CO2释放的影响 Fig.2 Effects of thinning intensity on soil CO2 emission in the forest

当间伐强度x1∈[-1.414,-0.377]时,即间伐强度从5.00%—12.38%时,土壤CO2释放量随间伐强度增加而减小；当间伐强度x1∈[-0.377,1.414]时,即间伐强度从12.38%—25.00%时,土壤CO2释放量随间伐强度增加而增大；当间伐强度x1=-0.377时,即间伐强度为12.38%时,林地土壤CO2释放量最小,为15.264 Mg hm-2a-1(图2)。

当间伐残留物移除强度x2∈[-1.414,-0.094]时,即间伐残留物移除强度从0.00%—53.18%时,土壤CO2释放量随间伐残留物移除强度增加而减小；当间伐残余物移除强度x2∈[-0.094,1.414]时,即间伐残留物移除强度从53.18%—100.00%时,土壤CO2释放量随间伐残留物移除强度增加而增大；当间伐强度x2=0.094时,即间伐强度为53.18%时,林地土壤CO2释放量最小,为15.375 Mg hm-2a-1(图3)。

利用间伐措施和林地CO2释放二次模型,在变量设计范围[-1.414≤Xi≤1.414]内,模拟2个变量因子5种水平的全部组合方案,选取林地土壤CO2释放量最小的方案,通过频次分析计算选取方案中各抚育因子编码水平出现的平均值及其95%置信区间,确定相应的抚育措施范围。结果表明：当间伐强度为12.38%,间伐残留物移除强度为53.18%时,林地土壤CO2释放量最小,为15.318 Mg hm-2a-1。

4 讨论

4.1 凋落物化学组分对林地土壤CO2释放的影响

Yasso07模型操作手册附录中列出了部分欧美树种凋落物化学组分的含量[29],不同树种凋落物中的4类化合物含量差异较大,即使同一属的树种,其凋落物化学组分的含量也明显不同。以叶凋落物为例,欧洲赤松(Pinussylvestris)ESC的含量分别为海岸松(Pinuspinaster)的10.79倍、意大利伞松(Pinuspinea)的8.56倍、斑克松(Pinusbanksiana)的7.24倍。Sariyildiz等[36]和Valachovic等[37]分别研究了分布于土耳其东北部的欧洲栎(Quercusrobur)和美国俄勒冈西部的俄州栎(Quercusgarryana)的凋落物化学组分,结果表明俄州栎凋落物中ASC含量为欧洲栎的1.54倍,而欧洲栎凋落物中的NSC含量为俄州栎的5.41倍。

为进一步了解树种凋落物化学组分对林地土壤CO2释放量的影响,运用2012—2013年凋落物输入量,年均温和降水量数值,分别比较本研究凋落物化学组分实测值(情景1)和模型默认值(情景2)模拟两种情景下林地土壤CO2释放量。结果表明：凋落物化学组分对Yasso07模型模拟林地土壤CO2释放有显著影响。在不同处理中,情景1下林地土壤CO2释放量均大于情景2,其差值介于1.90 —3.50 Mg hm-2a-1,差值占两种模拟结果的比例分别为12.34%—19.54%和14.07%—24.28%(图4)。

图3 间伐残留物移除强度林地土壤CO2释放的影响 Fig.3 Effects of residue removed intensity on soil CO2 emission in the forest

图4 两种方法模拟土壤CO2释放对比 Fig.4 Comparison of Soil CO2 emission in two simulating method

凋落物的树种生物学特性不同,导致凋落物的化学组分含量不同[36]。凋落物的化学组成,尤其是凋落物中N含量和木质素量是影响凋落物分解速率的重要原因,N含量和木质素含量越高,凋落物分解越缓慢[38-39]。酒精溶解性化合物(ESC)主要由可溶性脂肪、色素和油组成[29],N含量相对较低,可能造成有较高含量酒精溶解性化合物凋落物分解较快。酸溶性化合物(ASC)主要由纤维素和半纤维素组成[29],其分解需要纤维素酶等特殊条件,由纤维素和半纤维素构成的植物叶片束状(针叶)、网状结构(阔叶)可能有延缓凋落物分解的作用,因此,较多的酸溶性化合物可能会减缓凋落物的分解。不溶性化合物(NSC)主要是木质素[29],Caroline等[40]研究表明凋落物分解过程中凋落物抵抗性的增加可能是源于难溶的和不规则的高分子量结构(包括角质、木质素和变性的木质素等)的富集,较高的木质素含量增加了凋落物对分解的抵抗性。

不同树种凋落物化学组分不同导致其分解机理和速率产生差异,进而影响了林地CO2释放。因此,在运用Yasso07模型模拟林地土壤CO2释放过程中,应根据研究区域对树种凋落物化学组分进行测定。

4.2 间伐对林地土壤CO2释放的影响

Dannenmann等[12]的研究则表明间伐后第2年土壤呼吸速率高于间伐后第1年,此结果和本研究一致,其原因可能在于随着间伐时间推移,微生物活性增加,根系生物量增大,从而造成养分的积累,为微生物的活动提供了良好条件[10- 11],间伐降低了林分郁闭度,改善了林内光照条件,增加了林内温度[33]和林地土壤含水量[34],加快了枯落物分解,提高了土壤有机质含量[35],因而增加了林地土壤CO2释放。本研究中,在不同处理间伐措施下通过改变树种凋落物的输入量,改变了Yasso07模型中凋落物输入质量和凋落物化学组分输入含量,进而影响了模拟林地土壤CO2释放。

Campbell等[8]的研究表明间伐对内华达山脉北部美国黄松林土壤CO2释放的影响不显著,Misson等[6]研究发现间伐比未间伐土壤呼吸速率降低13%,并推断林地呼吸速率的降低是根系呼吸减少、土壤有机质增加和土壤温度及水分的细微变化所致,与本研究结果不同。

4.3 本研究不足

由于秦岭山地冬季、初春常积雪,试验林区封山,导致休眠季土壤呼吸的测定不能正常进行,因此无法准确获取全年碳释放数据,这是将Yasso07模型引入本区的重要原因,然而模拟精度未能得到验证。在今后的工作中,希望能采取科学有效措施解决以上问题。

5 结论

凋落物化学组分对林地土壤CO2释放有显著的影响。在两个控制因子中,间伐强度是影响林地土壤CO2释放的主导因子,间伐后林地土壤CO2释放量有升高趋势。在本区松栎混交林的抚育间伐作业中,宜采用12.38%的间伐强度和53.18%的间伐残留物移除强度,此组合时林地土壤CO2释放量最小。基于短期研究,提出了间伐措施对林地土壤CO2释放量最小的最优组合,抚育措施对林地土壤CO2释放的长期影响尚需进一步研究。

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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

国家林业公益性行业科研专项(201304307)

2016- 01- 27; 网络出版日期:2016- 12- 19

10.5846/stxb201601270197

*通讯作者Corresponding author.E-mail: houlin_1969@nwsuaf.edu.cn

罗春林,侯琳,白龙龙,耿增超,和文祥.抚育对林地土壤碳释放的影响——基于Yasso07估算.生态学报,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.