区域尺度森林土壤碳储量估算方法及人为影响因素研究进展
2019-11-22李晓龙张雨鉴宋娅丽
李晓龙 张雨鉴 宋娅丽
摘要：指出了研究方法不统一是造成不同学者估算森林土壤碳储量结果不同的主导因素，所得结果必然存在极大的不确定性。归纳和总结了近年来区域尺度森林土壤碳储量研究中的估测方法及人为影响因素，为寻求统一的研究方法提供理论依据。提出了应根据不同研究区域特征及研究目的选择合适的土层厚度、研究方法，加强和完善森林生态系统定位观测，提高森林生态系统土壤碳储量中各环节数据的准确性，增加必要的实测数据，提高精度;同时采用先进的地理信息系统（GIS）和遥感（Rs）图像数据处理等技术，利用高精度遥感影像数据，与土壤实测值、模型方法相结合，建立完整的森林生态系统土壤碳储量数据库。在研究中应注重人为活动、土地利用和土地覆盖变化对森林生态系统土壤碳储量的影响，使得碳储量的估算更加注重多因素的综合影响并能在一定程度上揭示碳储量的动态变化过程及其变化机理。
关键词：碳储量;森林土壤;估算方法;人为影响;区域尺度
中图分类号：$718.5 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0011-06
1引言
当前，由于人口激增引起了对森林等自然资源需求量大幅度增加，毁林现象严重，使森林生态系统吸收CO2能力减退，大气CO2浓度由280mg·kg-1增加至353mg·kg-1，增加了近25%。大气中CO2浓度上升直接导致了温室效应，使全球气候变暖。森林生态系统作为陆地生态系统碳贮库的主体，对于调节全球碳平衡和减缓大气CO2等温室气体浓度上升及调节全球气候变暖具有不可替代的作用;其维持着陆地生态系统植被碳库的86%以上和土壤碳库的73%，每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3。土壤是森林生态系统中最大且最活跃的碳库，其碳源/汇功能在减缓温室气体体积上升及调节碳平衡等方面具有不可替代的作用，森林土壤碳库的微小变化都可显著地引起大气CO2浓度的改变以及整个区域碳储量的动态变化。
20世纪90年代以来，我国许多科学家陆续在国家、区域尺度上对土壤碳蓄积量作了大量研究，土壤碳储量经过两次全国性的土壤普查，积累了大量的土壤属性数据。但由于采用的数据来源、项目的研究目的与方法，以及样本大小、采样深度等不同，导致同一尺度不同研究结果之间甚至是同一方法和同一研究区的估算结果也相差甚远。周成虎等、解宪丽等和于东升等应用第二次全国普查资料和中国土壤类型分布图得出的土壤碳储量结果在84400～92400Tg之间，土壤碳密度9.14～10.53kg·m-2之间。对于中国森林土壤而言，周玉荣等、刘世荣等运用土壤类型和植被类型法计算出的碳密度结果也相差很远，分别为19.4kg·m-2和10.78kg·m-2。造成不同学者估算土壤碳储量结果不同的原因中研究方法不统一是导致土壤碳库估测不统一的主导因素，所得结果必然存在极大的不确定性。因此，本文归纳和总结国内近年来区域尺度森林土壤碳储量研究中的估测方法及人为影响因素，以期为寻求统一的研究方法提供理论依据;同时指出加强全国和区域尺度上森林生态系统土壤碳储量的长期研究，积累长期数据是计算区域土壤碳储量的有效途徑，对于更为精确计算全国及区域生态系统碳储量具有非常重要的意义。
2区域尺度森林土壤碳储量的研究方法
目前，区域尺度研究森林土壤碳储量的研究方法主要包括土壤类型法，植被类型、生态系统类型和生命地带类型法、模型法、GIS估算法，相关关系统计法和遥感方法等。值得指出的是，土壤类型法中的挖掘法适用于在土壤砾石含量较多的情况下测定土壤碳储量。具体做法是：挖出1m×1m样方内的土壤（深度直达岩石层），分拣出石砾和地表草本、根系后，将样品过5mm筛，对样方内土壤抽样后用于有机碳含量的测定，进而计算该地区土壤碳储量。研究区域森林土壤碳储量的不同方法各自有优缺点。
①土壤类型法优点是原理简单，结果可靠准确，数据较易获取;但在实际中，由于缺乏土壤类型的空间变异性和空间分布均匀的土壤剖面实测数据，土壤类型的空间变异性导致土壤有机碳储量估算的不确定性，从而限制土壤碳储量的估算。②植被类型、生态系统类型和生命地带类型法可在无土壤剖面资料下估算，但全球植被类型与面积难以精确统计，植被与土壤类型不能一一对应，加之土地利用方式在人为影响下不断变化，导致统计中不确定因素增多，计算误差较大，可信度不高。③模型法是应用于区域尺度上森林生态系统碳循环的必要手段，但在运算过程中所有数据必须来自实测值，最终再利用实测值进行验证;模型参数不易确定;细节过于均一化，忽略了土壤类型和植被类型分布的多样性及影响因子的多样性，存在较大的误差。④GIS估算法可对土壤精确分类，结果较准确，可在某种程度上解决土壤碳储量由点尺度推演到区域尺度所带来的尺度扩展问题，也便于和其他技术相耦合;但在运算过程中过程复杂，需要与模型相结合更加全面的计算土壤碳储量。⑤相关关系统计法具有方便、简洁的优点;同时土壤碳蓄积量的地理格局和土壤形成因子的关系可以通过比较土壤碳和母质、土壤理化性质、地形、植被和气候的空间分布，从而得到土壤碳的含量与形成影响因素之间的空间相关关系，但相关关系具有一定的空间局限性，同时并不能解释土壤有机碳储量积累或释放的过程、机理、形成与影响因素。⑥遥感影像直接估算方法可在短时间内对同一地区进行重复探测，获取大面积同步观测数据，并且不受地形阻隔等限制，可以综合反应地质、地貌、土壤、植被、水文等特征;但同时其他土壤特性如“铁”含量的存在干扰监测，另外只能应用于地表裸露的土壤;土壤有机碳和遥感数据之间的模拟关系仍需改善。
研究方法的选择上要考虑尺度问题，尺度包括时间尺度、空间尺度和功能尺度等多维性特点，目前关注更多的是空间尺度。例如根据研究目的不同、研究方法不同，不同地区的土壤质地不同等，研究学者选择不同的土壤厚度做研究。有的研究学者注重土壤表层的研究，.将土壤表层O～40cm每隔10cm细化为O～10、10～20、20～30、30～40cm，随后按照20am或者25am划分直到100cm土层深度以及每隔5cm划分为一个土壤剖面;另外一些学者注重土壤垂直分布的研究，则将土层每隔20cm划分直到100cm。总体来看，传统采用国际上通用的100cm的深度来研究土壤碳储量，但目前为止不同学者并没有统一的划分标准。也有学者根据实际采样地的土层厚度<100am来研究，比如在江西省大岗山的土层研究在60am以下，川西亚高山的森林土壤根据当地土壤质地分为腐殖质层+淀积层+母质层，鼎湖山保护区土层深度集中在45～80cm，四川彭州的人工柳杉林土壤研究到70cm;也有学者的研究深度高于100cm，如在山西河曲县砖窑沟流域暖温带半干旱森林草原的栗褐土中，贾宇平等人研究的土层深度为200cm，O～100 am土壤碳储量仅占O～200cm土壤碳储量的51.8%，说明100～200cm深度以内土壤碳库储量仍占较大比重。若忽略这一深度的土壤碳储量，则不能对全流域土壤碳库做出合理估算。因此，根据不同研究区域特征及研究目的选择合适的土层厚度、研究方法，为全面而准确地估算我国及各区域森林土壤有机碳储量提供了可能途径。
3区域尺度森林土壤碳储量相关因子的计算
通常情况下，在野外取得土壤样品后，通过不同的测定方法得到某一土层有机质含量（%），再通过与Be-mmelen换算系数0.58的乘积计算得到有机碳含量（%）;某一土层容重（g·am-3）、有机碳含量（%）、厚度（cm）与<2mm土壤含量（%）的乘积得到某一土层土壤碳密度（kg·m-2）。森林土壤碳储量计算过程中的相关因子公式如表1。也有一些研究未考虑>2mm砾石所占体积，使得计算结果有一定的不确定性和不准确性。例如，杨金艳和王传宽研究中的黑龙江森林生态系统的土壤厚度仅波动在38.44～46.56cm之间，剔除土壤剖面中的石砾含量也使SOC密度估测值略为下降，造成研究结果低于孙维侠等报道的黑龙江暗棕壤的土壤碳密度（21.24kg·m-2）。其中，土壤容重受土壤含水量、松紧度等因素影响，通常使用环刀法在野外测定。在没有测定容重的前提下，如表1中陈先刚等利用相关关系得到容重，拟合系数ai、βi、yi在土壤表层分别为0.456、0.056和0.012，在下层分别为0.484、0.02和-0.113;而张城等则利用土壤个剖面点的地理坐标和GIS方法，在中国1：100万的土壤类型图上查找剖面所在地的土壤类型，进而查找剖面点的容重数据;以及土壤容重与有机碳含量的回归方程p=1.3770×e-0.0048×soc估算得出。
4区域尺度森林土壤有机碳室内测定
土壤样品带回室内后，通常对森林土壤有机碳含量进行测定，其方法主要包括干烧法、湿氧化法、光谱分析法。由于测定的方法和仪器差别较大，精度仍然是一个问题。
（1）干烧法是将土壤样品研磨均匀在80℃下烘干，在中性条件下经过多级冷阱（酒精+液氮）纯化，通过不同仪器读取样品产生的CO2量，根据产生的CO2量计算出样品中C的百分含量。所用仪器主要包括CN元素分析仪（ELEMENTAR Vario EL III）、TOC-5000型TOC分析仪、High TOC 11分析仪、HTl 500 Solids
Module
（Analytik
Jena
AG，Germany）等。该方法的优点主要是精度高、操作简单、样品用量少、分析结果误差小，但由于价格昂贵，耗时，产生化学废物使得应用没有湿氧化法广泛。
（2）湿氧化法又称作重铬酸盐氧化法，这种方法是在外加热源的条件下，用一定量的标准重铬酸钾一硫酸溶液来氧化土壤有机质，剩余的重铬酸钾用标准硫酸亚铁来滴定。由消耗的重铬酸钾量计算有机碳的含量，再间接計算有机质的含量。一般来说，土壤有机质平均含碳量为58%，要换算成有机质则应乘100/58=1.742。另外，由于该方法对土壤有机质的氧化约为90%。故测定结果还应乘以较正系数100/90=1.1。国内很多学者用此方法，成本低，但精度不高。
（3）光谱法是一种新兴方法，此方法需要获取扫描样品的平均组成，时间以分钟或秒计算，仪器购买后分析费用降低，是对航空遥感影像方法的宝贵补充;土壤反射光谱包含丰富的土壤信息，比如土壤有机碳含量、氧化铁含量、土壤质地、主导粘土矿物类型等。但同时此方法准确度低，土壤标定方面存在偏差，需要提高精度来适用于今后的测定。
5人为因素对区域森林土壤碳储量的影响
森林土壤有机碳包括植物、动物及微生物的遗体、排泄物、分泌物及其部分分解产物和腐殖质，其库容大小受到自然和人为因素的影响。自然因素主要包括植被（森林植被类型、植物生长与过程、林龄等）、土壤属性（成土母质、土壤理化性质、粘土矿物类型、土壤环境、土壤结构等）、立地条件（海拔、坡度、坡向、坡位等）、气候条件（温度、降水、CO2浓度等）、输人情况（凋落物输入、根系输入等）、自然演替进程等;人为因素主要包括土地利用方式的改变（森林转变为人工林、农地等、改变土地利用现状等）、人为活动（火烧秸秆用于生活需要、毁林或改变土地利用现状、退耕还林还草、土地开垦与耕作、过渡放牧、农业生产活动等）。自然和人为因素之间相互作用对森林土壤有机碳储量产生动态变化，在一些区域人类活动的影响对森林土壤有机碳储量起主导性作用，也出现未知碳汇、预测气候变化及其影响不确定性的重要原因。
5.1天然林转变为次生林对森林土壤碳储量的影响
天然地带性森林植被类型各土层土壤碳密度、碳储量均高于次生人工林植被类型，说明天然地带性植被类型是最具有潜力的土壤碳改良树种，在土壤碳储存方面更能发挥积极的作用。与我国森林土壤平均碳密度相比，江西省森林土壤碳密度均低于全国平均水平，其中阔叶混交林和毛竹林的土壤碳密度高于其他森林类型，二者均以天然林为主，表明天然林土壤碳贮能力强于人工林。这是由于我国亚热带地区山高坡陡，土壤抗侵蚀性能差，降雨量大且集中，天然林被破坏后营造的人工林，群落结构简单、树种单一、水肥流失严重，导致森林有机碳库的损失严重。由此可见天然林的破坏不仅造成植被储碳能力的下降，而且土壤储碳能力也随着降低。杨玉盛等的研究也表明，福建省格氏栲天然林O～100cm土层内土壤有机碳储量分别是格氏栲人工林和杉木人工林的1.17倍和1.35倍。而在中国北方地区情况相似，吉林省西部松花江平原作为主要农业区域，原生植被的碳储量远远大于次生植被，此地区被其他次生林植被或人工林所替代;同时人口密度大，长期受到人为活动的干扰，许多原生植被破坏严重，降雨量也小于东部地区，导致西部地区的碳储量和碳密度明显小于东部地区。因此，天然林在土壤碳储存上起着至关中重要的作用，加强营造和保护天然林不仅可以保持水土、涵养水源、改善区域气候，更能转化吸收更多的碳，对碳积累和缓解大气CO2浓度的上升有更积极的意义。同时，虽然天然林的土壤碳储量大于人工林，但由于中国森林碳储量增加主要贡献来自于人工林，加强人工林的抚育和管理，同时考虑经营措施对土壤碳储量的影响，通过合理的经营模式增强人工林的碳汇功能，对提高森林质量和其固碳能力、发挥森林巨大碳库的潜力有重要意义。
5.2土地利用方式改变对森林土壤碳储量的影响
人为干扰对森林土壤碳储量有显著影响，人类活动驱动的土地利用和土地覆被变化是森林碳库和碳循环最直接的影响因子。不同土地利用方式导致覆被类型的改变，进而形成不同的土壤有机碳储量，由其他不同土地利用方式包括草地或农田转变为林地以及退耕还林也会引起土壤有机碳储量的增加。覆被类型的变化不仅会直接影响土壤有机碳的含量与分布，而且还可以通过改变与土壤有机碳形成和轉换的有关因子间接影响土壤有机碳。张新厚等的研究表明，沙质草地转变为杨树防护林带后，土壤碳储量以0.95t·hm-2·a-1的平均速率在增加。在半干旱沙区，退耕5年的杨树人工林比对照农田碳储量下降10%，退耕10-15年的杨树林比对照分别提高了2和5倍。说明农田退耕还林后，生态系统碳储量显著增加，增加的碳储量主要积累在地上生物量碳库中。土壤有机碳储量在退耕还林初期表现出下降趋势，随后逐渐恢复甚至高于农田土壤碳储量。退耕还林也增加了喀斯特峰丛洼地景观类型土壤有机碳储量。这主要是由于退耕还林过程中征地（Site preparation）改善了土壤结构，增加了土壤通气性，提高了土壤微生物活性，加速了土壤有机碳的释放，同时，土壤有机碳积累依赖于凋落物的供给与分解，从而使凋落物的分解程度不深，土壤有机碳的固定小于释放。同样，弃耕后的橡胶林土壤碳储量低于植被碳储量，这说明土壤有机碳的储存需要长效机制，长期条件下保护林地不被破坏才是土壤有机碳储量增加的有效途径。
5.3人类活动对森林土壤碳储量的影响
通常情况下，人类管理活动对深层土壤碳的影响要比表层土壤的影响小得多，因此，对于土壤碳的各种管理实践相应集中于土壤表层（O～30cm）。研究表明：毁林或改变土地利用现状，将会造成20%～50%有机碳的损失。例如，环湖地区农田土壤有机碳含量显著低于围栏封育草地，原因是围栏封育草地由于不受机械扰动，呼吸作用减缓，导致土壤有机质氧化程度较低，因此土壤有机碳含量较高。鼎湖山自然保护区中马尾松针叶林、针阔混交林、次生季风常绿阔叶林和常绿灌丛4种次生植被均为遭到破坏后重新造林或自然更新形成，其中针叶林和混交林虽然都是起源于20世纪30～40年代中期人工营造的马尾松林，但由于针叶林受到人为干扰（主要指农村居民为满足对燃料的需求而进行收割林下层植物和凋落物的活动）较混交林严重，目前仍停留在针叶林阶段。这种人为干扰在我国各地区和一些东南亚国家具有一定的普遍性。在粤东北山区梅江区林地，马尾松林、桉树林等在遭到自然或人为破坏（如炼山开垦、收集林下层植物和凋落物等）后，土壤有机碳储量明显低于常绿阔叶林等自然地带性植被类型。这是由于人为干扰活动每年会从森林中带走大量的林下层植物和凋落物，减少了向土壤层输入的有机碳含量，人为干扰的负效应又进一步制约森林物质生产和森林演替进程，不利于其碳积累。
人类对森林的肆无忌惮的破坏，改变森林土地利用方式的同时，导致了森林生态系统土壤碳固定功能的减弱。森林砍伐可以直接造成森林生物碳库的急剧下降，同时改变林下土壤结构和水热条件，使土壤有机质暴露并与氧气充分接触;同时，除了利用一部分有用的木材外，其他部分如叶、枝、皮、根等可能被分解腐烂，或被当做燃料而烧掉，导致大气中CO2含量增加。森林采伐后的土壤碳储量被认为在采伐后的几年里导致土壤碳的损失，有机物分解引起的碳排放超过碳输入，使得林地土壤成为一个净碳源。胡会峰和刘国华认为中国实施天然林保护工程后，在1997～2002年的5年间，因森林木材砍伐减少，有累积22.75Tg的碳释放减少。而采伐后的土地利用方式对土壤有机碳影响也很大，森林转变为农田后土壤有机碳含量减少20%，转变为牧场后也会降低。
人类活动对全球变化背景下，不同土地利用方式的土壤碳吸存的影响作用必须高度重视。尤其是在我国不同林区，人口密度不同，经济发展水平不同，人为因素对土地的利用类型影响深刻、久远。寻求适合的土地资源管理形式，持续土壤碳吸存的经营模式，最终以稳定腐殖质来提高土壤对大气CO2的吸存，使之朝一个有利于土壤碳储存而又促进土地退化过程逆转的方向发展，才是人们在缓解大气CO2浓度上升中应该做出的抉择。
6存在的问题与展望
由于缺乏连续、可靠、完整和统一的土壤剖面实测数据，土壤碳含量、质地、容重等土壤理化性质存在相当大的空间变异性，以及气候、地形、母岩、植被和土地利用在时间和数量上复杂性的综合影响，森林土壤有机碳储量很难估算。不同研究者对我国陆地土壤碳库的估算结果差异较大，是由于他们计算时所采用的基础资料来源不同、土壤采样方法的设计不同以及土壤碳蓄积量的计算方法导致同一土壤理化性质不同、土壤面积差异、土壤剖面个数相差较多、土壤深度不统一。森林生态系统碳储量研究是一个长期持续的过程、学科涉及面广、时空尺度复杂、数据量庞大，为更加准确深人地研究森林生态系统的碳储量，今后应加强和完善森林生态系统定位观测，提高森林生态系统土壤碳储量中各环节数据的准确性，增加必要的实测数据，提高精度;同时采用先进的地理信息系统（GIS）和遥感（RS）图像数据处理等技术，利用高精度遥感影像数据，与土壤实测值、模型方法相结合，建立完整的森林生态系统土壤碳储量数据库。另外，研究中应注重人为活动、土地利用和土地覆盖变化对森林生态系统土壤碳储量的影响，使得碳储量的估算更加注重多因素的综合影响，并能在一定程度上揭示碳储量的动态变化过程及其变化机理。
