热带、亚热带红壤区经济林生态系统碳循环研究综述

叶菁 王义祥 翁伯琦

摘 要：全球气候变化与森林生态系统碳循环息息相关。综述我国热带、亚热带红壤区经济林生态系统碳循环特征，以及气候因素变化、土地利用变更、经营干扰等因素对碳循环影响的研究现状，并对经济林生态系统未来发展方向进行展望，今后应加强地理信息系统技术在经济林生态系统碳循环研究中的应用，以及不同区域条件下不同经营措施经济林生态系统的减排增汇效果的评价研究。

关键词：森林;经济林;碳循环;影响因素

随着温室气体和温室效应等各种气候与环境问题的日益突出和国际气候谈判中对碳源、碳汇评价的客观需要，碳平衡问题日益受到人们的普遍关注。南方红壤丘陵区是我国重要的经济林和林木基地，其中森林面积占全国森林面积的45%，碳贮量大，且土地利用方式变化强烈，对全球碳循环以及陆地生态系统碳收支具有重要的影响[1]。据估算，我国热带、亚热带地区土壤有机碳储量（0～100 cm土层）约为26.8 GtC，分别占全球和全球热带、亚热带地区土壤总碳储量的1.7%～1.9%和5.3%;且其平均有机碳密度也高于世界上其他热带和亚热带地区[2]，在我国乃至全球碳汇功能评价中占有重要的地位。同时该区是我国发展粮食作物和各种热带、亚热带经济作物与林木的重要基地，其中森林面积占全国森林面积的45%。此外，茶叶、水果、油料等的生产也在全国占主导地位。但因地形、气候和人类活动等各种因素的影响，该区生态环境脆弱，对气候和环境变化反应十分敏感。这些都决定了热带、亚热带红壤山区碳循环研究对于正确评估我国整个陆地生态系统的源汇贡献具有十分重要的意义。从全国第八次森林资源普查（2014年）结果来看，我国森林面积2.08亿hm2，森林覆盖率21.63%，森林蓄积151.37亿m3。人工林面积0.69亿hm2，蓄积24.83亿m3。此外，经济林作为我国森林的重要组成部分，其覆盖率达2.11%[2]。福建省现有经济林面积103.4万hm2，占林地面积的14.1%。而经济林碳循环研究与其面积并不成比例，尤其是土壤呼吸和碳平衡研究还缺乏大量的基础数据。因此开展经济林（果园）碳循环的研究不仅可为我国森林碳平衡研究补充基础数据，也可为国内外的碳汇交易提供科学数据，对实现林业经营转型具有重要的作用。

1 经济林生态系统碳循环特征

森林生态系统作为陆地生态系统的主体，它储存了陆地生态系统中地上部有机碳储量的76%～98%[3-4]和地下部有机碳储量的40%[5]，且具有较高的生产力，每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3[6]。由此，森林碳循环研究亦成为全球气候变暖的大背景下的研究热点。有关森林碳循环国外研究不仅开展得较早，也更为系统深入。20世纪60年代，Reiners等对林地的CO2排放和测量问题进行研究

[7-8]，此后Carlyle、Bunce、Christian、Neilson等对不同高度上CO2通量的变化、CO2土壤呼吸的控制等开展研究和探讨[9-12]。我國森林生态系统碳循环研究起步较晚但发展迅速，现已积累了较为丰富的研究成果。方精云等[4]对我国林地植被地上部分碳库时空变化进行了大尺度的研究，结果表明在20世纪80年代之前，造成中国林地植被有机碳储量较大幅度下降的主要原因是森林大规模开发利用;之后我国林地植被有机碳碳储量因人工林面积的扩大而又开始回升。王效科等[3]以不同林龄级的森林类型为研究对象，测算出我国森林生态系统的植物碳储量为3.255～3.724 PgC。除了大尺度的森林生态系统碳平衡研究外，我国科学家针对特定生态系统也进行了大量的定位研究，如李铭红等[13]研究了我国亚热带青冈常绿阔叶林的碳素动态，包括青冈林群落碳素的现存量及其分配特征，存留量及其分配特征，碳素的归还量和释放量等多个方面;吴仲民、李意德等[14-15]对海南岛尖峰岭热带山地雨林的生物量、群落生产力、土壤碳储量和CO2的排放以及近冠层CO2通量特征、生态系统碳平衡等方面进行研究;另外，程根伟、桑卫国、阮宏华等对特定的森林生态系统进行了研究[16～18]。

经济林（果园）作为一种农用型的森林植被类型，其碳循环及其过程不仅受地理、气候等因子的影响，而且其植物品种多样，加之受较为强烈的人为干扰如修剪、施肥、耕作、收获等影响，这些都增加了经济林（果园）生态系统碳平衡研究的复杂性和不确定性。国外学者在经济林生态系统碳平衡研究方面开展了一些研究，如Proctor、Wibbe等[16-17]预估了苹果园植被碳贮量，并探讨了果实收获对碳收支的影响[19-20];此外，Lakso、Seem等[21-22]也对苹果树碳平衡进行了测定和模拟。但多数研究还仅限于植物生理生态学方面，缺少在系统水平上碳循环过程及其驱动机制的研究。近年来，我国在经济林碳平衡方面也有一些报道，如Wang y y等[23]以县域为尺度，研究了柑橘果园土壤有机碳库的时空分异特征。王义祥等[24]对福州郊区7年生柑橘果园植被的碳吸存进行研究，结果表明7年生柑橘果园植被的碳密度为5.589 t·hm-2，年固定有机碳为2.028 t·hm-2，其所吸存的有机碳中23.82%以活体生物量形式存留在植被层中，41.42%转移在果实而到系统之外，34.76%通过凋落物分解的方式释放到大气中或进入土壤。王蕊等[25]也对苹果园土壤呼吸的变化及生物和非生物因素的影响进行了研究。

2 影响碳循环的主要因素与驱动机制

影响经济林生态系统碳循环的因素很多，包括气候因子、大气成分、土壤性质、植被类型以及人为因素等，其中气候和土地利用变化对森林生态系统碳循环影响是当前全球变化研究的中心问题之一。红壤丘陵区是我国南方的主要生态类型区，也是世界上一个特殊的生态类型区。结合该生态类型区特殊的气候、地理与人文特点，介绍气候因子、土地利用变化和经营干扰对碳循环影响的研究现状。

2.1 气候因素变化对碳循环的影响

气候因素主要是通过对植物光合作用、呼吸作用和土壤有机碳分解的影响对经济林生态系统的碳循环产生影响。全球气温上升使植物的光合作用效率提高、生长期延长，从而使经济林植被的净初级生产力得到增加。同时，温度上升加速了土壤养分的矿化，增加养分释放和提高养分有效性，从而间接地促进了植被生物量的增加[26-28]。另一方面，植物净初级生产力的增长并不意味着生态系统有机碳净储量的增加。因为气候变暖不仅可能引发干旱从而限制植物净初级生产力;气候变暖还会刺激土壤微生物种群的增长，从而提高土壤有机碳的分解速率[25]。潘新丽等[29]模拟研究表明，增温1年后的川西亚高山人工针叶林土壤有机碳含量比对照降低了8.69%，增温2年后降低了3.80%。降水的变化对森林生态系统生产力有很大的影响。根据Brown等[30]的研究结果显示，降水量在400～3200 mm范圍内，降水量与植被碳密度之间呈正相关关系，超过3200 mm后，降水与植被碳密度则表现为负相关关系。近100年来，全球气温平均上升0.6℃，我国气温上升了0.4～0.5℃。从降雨格局来看，中纬度地区的降雨量增加，北半球的亚热带地区的降雨量下降[31]。在当前气候变化趋势下，评估亚热带地区经济林系统的现实生产力和碳平衡及其对气候变化的反应，研究并建立适于经济林系统碳循环模型，为评估和预测南方经济林生态系统在全球碳平衡和气候系统中的作用提供科学依据。

2.2 土地利用变更对碳循环的影响

土地利用方式变化直接影响经济林生态系统的分布和结构，改变经济林生态系统的碳储量和碳排放。以往研究表明，土壤有机碳在森林转变为农田中损失率为25%～40%，其中耕作层的损失量最大。森林转变为牧场（或草地）导致的损失较转变为耕地的损失要少，约为20%。碳损失的绝对量还取决于土壤的初始碳含量、气候条件以及管理措施。有机碳含量越丰富的土壤，其碳损失量越大[32]。另外，森林退化也会改变森林的土壤状况、微气候和立地结构，从而影响森林的土壤碳的排放和固碳能力。李家永等[33]对红壤丘陵区土地的比较研究发现，土地利用变化对陆地生态系统碳储量具有深刻影响，受人类活动干扰强烈的农田和橘园系统储存的有机碳远低于森林系统，另外，农田和橘园中的有机碳主要存于土壤，湿地松、杉木等森林系统中有机碳则多储存于植物活体。我国南方红壤丘陵区人为活动频繁，土地利用方式变化强烈，由于不合理的土地利用活动（主要是对森林资源的过度开发），我国热带亚热带地区每年向大气释放2～4 TgC，研究其土地利用变化对碳循环的影响机制，探索具有区域特色的碳增汇、减排措施具有重要的意义。但红壤丘陵区土地利用对碳循环及全球变化的影响方面的研究尚处于起步阶段，各方面的研究尚待深化[3]。

2.3 经营干扰对碳循环的影响

施肥、耕作、收获等经营活动是导致经济林生态系统碳源、碳汇变化的主要因素。施肥是经济林管理中最常规的措施，因此施肥对经济林土壤有机碳的影响受到了广泛关注。多数研究认为，施肥对土壤有机碳影响显著，一方面通过改变地上植被的生物量、直接增加有机碳源来影响土壤碳源的供应量;另一方面对土壤微生物活性及呼吸强度具有重要的影响[34]。姜培坤等[35]研究施肥对雷竹林土壤活性有机碳影响结果表明，各有机肥、化肥混合处理雷竹林土壤总有机碳、水溶性碳、微生物量碳、矿化态碳均显著或极显著高于单施化肥各处理。王义祥等[36]研究不同菌渣施用量对柑橘园土壤有机碳及组分影响表明，施用有机肥2年的柑橘园土壤有机碳含量与不施肥和单施化肥相比没有显著性差异;单施菌渣有机肥和有机无机配施处理柑橘园土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳、颗粒有机碳和轻组有机碳显著提高。当前不同研究未能得到相同的结论，因此下一步应利用生态系统的长期定位试验来深入研究施肥对土壤有机碳的影响，并考虑如何将有机肥和绿肥综合施用，促进土壤有机碳的积累。采伐和收获是森林利用中的基本活动，其最重要的影响是降低生态系统地上部生物量。由于大规模的毁林活动，据估计1980年有（1.8～4.7）×109 t碳从植被生态系统释放到大气中，其中80%来自热带森林砍伐[37]。研究表明，热带地区次级森林及不定期砍伐的森林其木本生物量比自然森林低30%～80%;种植园的地上部生物量比自然森林低20%～50%[38]。但森林采伐本身对土壤有机碳含量的影响并不大。Johnson等[39-40]研究发现，在多数情况下森林采伐后土壤有机碳含量并没有发生明显的变化，但采伐后的土地利用方式对土壤有机碳库的影响很大。但对经济林而言，除了以上几项经营干扰外，其还受修剪、果实收获等周期性的经营管理的影响，深入研究经营干扰对经济林碳循环的影响机制，探求科学地利用体系，减缓温室气体的排放和增加系统的碳吸存，有着十分重要的意义。

3 研究展望

目前，我国热带、亚热带红壤区经济林生态系统碳循环已经有不少研究，但有关森林生态系统的研究居多[41-45]，对经济林（果园）生态系统的研究较少，且已有研究相当零碎，缺乏在大、中尺度领域上对经济林生态系统碳循环的研究评估，今后应加强地理信息系统技术在经济林生态系统碳循环研究中的应用研究，以实现经济林生态系统源/汇在时间和空间分布格局上的快速评估。此外，在系统固碳减排技术方面，应加强不同区域条件下不同经营措施的减排增汇效果的评价研究，为我国制定减排增汇相关政策措施、制定后京都减排义务国际规则谈判提供技术支撑。

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（责任编辑：林玲娜）