森林生态系统土壤碳影响因素研究

孙毅兵

(黑龙江省林业和草原第三调查规划设计院，黑龙江 哈尔滨 150008)

土壤是人类赖以生存的自然资源，是陆地生态系统最大的碳库。土壤有机碳含量的变化可直接导致大气排放温室气体浓度的变化，从而影响全球气候变化。研究碳循环的重要前提就要了解土壤碳，森林生态系统土壤碳影响因素研究对正确评价森林生态土壤在陆地生态系统碳循环、全球碳循环以及全球气候变化中的作用具有重要意义。

1 森林土壤碳库

1.1 森林土壤碳储量

全球植被碳储量大约4.2～8.3×1011t，土壤碳储量大约1.2～2.0×1012t；全球土壤深度0～30cm的土壤有机碳库储量6.84～7.24×1011tC，无机碳库储量为 2.22～2.45×1011tC；土壤深度为0～100cm的土壤有机碳库储量为1.46～1.55×1012tC，无机碳库储量为4.95～7.48×1011tC 。中国森林土壤碳储量的变化范围在44～264t/hm2，平均为107.8t/hm2，其中，天然林平均土壤碳储量109.1t/hm2，人工林平均土壤碳储量107.1t/hm2。

1.2 森林生态系统土壤碳组成及分布

1)土壤碳包括有机碳和无机碳两部分。土壤有机碳由一系列易分解活性有机碳和难分解惰性有机碳组成，土壤无机碳包括二氧化碳,碳酸氢钠等含碳的无机物。

2)土壤有机碳主要分布于上层1m深度以内，在热带广泛分布的厚层土壤中，1m以下有机碳的储量达5.0×1010t。研究发现林地土壤剖面有机碳含量垂直分布呈先陡降然后逐渐降低的模式，0～20cm土层中土壤有机碳含量、有机碳密度均占比较大。

1.3 森林土壤碳动态变化

1)土壤碳以有机碳为主，具有不同的更新速率和周转速率，其碳转移方向与强度在不同时间尺度上决定着大气二氧化碳的浓度。森林土壤有机碳储量及其动态平衡直接影响森林生态系统生产力水平，对森林生态系统的功能与服务具有重要影响。

2)据联合国粮农组织(FAO)统计，2001-2010年期间土地利用变化和森林砍伐造成的温室气体净排放减少近10%，十年的平均数约为40亿t二氧化碳当量/年，这主要归功于森林砍伐减少，许多国家大气碳封存量增加。

3)研究发现华北落叶松白桦混交林土壤有机碳含量随着土层深度的加深逐渐减少，随着林木林龄的增加，森林生态系统土壤碳含量和碳储量与龄林增加呈正相关的线性关系；

4)森林土壤活性有机碳含量受植被类型的影响，并与季节变化、气温、降水等气候因素有关；东北森林土壤有机碳储量的变化规律为从增长到饱和然后逐渐降低，在空间上也有不同程度增加或降低；

5)研究发现土壤碳在温度带间差异显著，在暖温带最低，在北亚热带最高；年均温、年降水量、土壤含水量和植物物种多样性间的交互作用对土壤碳有显著正影响。

6)相关研究表明，随着海拔升高，大气及土壤温度逐渐降低，导致土壤动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，从而使得高海拔地区土壤有机碳含量明显高于低海拔地区[1]。

2 森林生态系统土壤碳影响因素

影响土壤有机碳储量的因素主要是气温、降水、土壤通气状况、凋落物及土壤特性等。人类活动引起的有机物质输入、输出也可以增强或降低土壤有机碳转化速率，能够在短期内改变土壤碳和碳循环。

2.1 氮沉降

由于森林生态系统中各种因子间的复杂性关系，大气中的氮沉降变化影响土壤碳变化。近些年，氮沉降处理下土壤有机碳分解的研究一直存在许多的不确定性，氮沉降能促进固碳作用，增加森林生态系统土壤有机碳的含量及碳储量；对于森林土壤微生物生物量碳的研究，有关学者发现高量氮素添加会降低微生物生物量碳，而低量氮素添加则明显提高其含量，氮沉降的增加能够减少腐殖质层和上层矿质土壤二氧化碳的产生。

2.2 外加碳源

1)在森林生态系统中，通过添加和去除凋落物以及去除根系的方法(DIRT Detritus Input and Removal Treatments)人为地改变土壤碳的输入，依此来研究土壤碳和碳循环。人为改变土壤外源碳的输入方式可促进或降低土壤有机碳降解速率，在短时间内可观察到土壤碳和碳循环的变化。

2)通过外源有机物进入土壤使土壤原有有机碳分解速率发生改变的一种现象，被称为激发效应。凋落物作为土壤有机碳的主要来源，添加或去除凋落物会改变土壤微生物数量、活性及群落结构，从而影响土壤呼吸，引起土壤碳循环的短期变化。凋落物输入增加可能引起“激发效应”，从而加速土壤中固有有机碳的矿化，致使土壤碳释放增强，影响土壤有机碳的积累和分解，对土壤碳平衡的输入、输出起到至关重要的作用。

3)凋落物多的幼龄林土壤呼吸值较低。研究发现，增加凋落物有利于稳定土壤中有机碳含量，促进土壤微生物的量与活性；减少凋落物可能引起土壤微生物量的减少。

2.3 土地利用方式变化

在过去的一个多世纪里，人类活动越来越剧烈，导致全球土地利用/土地覆被发生了巨大的变化。1850-1990年，全球土地利用变化导致1.24×1011tC排放到大气中，其中1.08×1011tC来自森林生态系统(热带森林占2/3，温带和北方森林约占1/3)。

有些土地利用方式变化破坏了土壤团聚体，影响了土壤中动植物微生物残体、排泄物、分泌物及土壤腐殖质的分解，从而使土壤成为大气碳库的重要来源。从区域来看，植树造林使土地利用方式发生变化，促进了土壤有机碳的持续增长，碳汇作用正在加强。造林和森林恢复对于森林土地利用/覆被变化具有积极作用，通过造林和森林恢复，中国森林减缓了全球大气二氧化碳体积分数的上升趋势。

3 森林生态系统土壤碳研究展望

土壤碳储量超过了植被碳库与大气碳库的总和，因此正确认识土壤有机碳的稳定性是应对全球气候变化的关键所在；由于气候带分布、森林植被类型、影响因素等不同原因的存在，国内外对土壤有机碳的各种形态、动态过程及其调控机理等研究仍十分薄弱；森林生态系统是陆地碳汇形成的主要原因之一，陆地生态系统由“碳源”转为“碳汇”，其主要原因是退耕还林和森林防火，特别是森林面积扩大和林木再生；特别是关于土地利用变化，外加氮源、碳源等人为干扰条件下对土壤有机碳过程与状态影响的定量研究较少。尤其是在预测不同空间尺度土壤有机碳的分布特征、组分、转换过程和机理以及有机碳储量准确估算等方面，将成为新的研究热点，其理论和技术将会得到更大的发展。

4 结语

森林土壤碳储量在不同气候带分布存在差异，从热带至温带呈增加的趋势，热带与亚热带地区相近；人工林与天然林土壤碳储量差异并不明显[2]。不同森林类型之间土壤碳储量、碳含量的差异主要表现在土壤表层。

土壤碳含量随海拔的升高而增加，森林生态系统土壤碳在不同林型间的差异很大；不同土壤类型之间，山地棕壤的碳储量极显著高于山地黄棕壤和山地褐土。研究表明，色季拉山森林土壤有机碳主要储存于表层土壤和高海拔区域土壤中, 在未来气候变暖的背景下, 高海拔区域表层土壤将成为大气二氧化碳浓度升高的潜在碳源。