不同森林经营模式下亚热带森林土壤有机碳损失差异.pdf

第 卷 第 期 年 月出版亚热带资源与环境学报 裴蕴 元晓春 魏智华 等.不同森林经营模式下亚热带森林土壤有机碳损失差异.亚热带资源与环境学报 ():.():.:/.不同森林经营模式下亚热带森林土壤有机碳损失差异收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()福建省公益类科研院所专项(、)作者简介:裴蕴()女 湖北荆州人 硕士研究生 研究方向为森林水文与碳循环 通信作者:胥超()男 江西丰城人 高级实验师 研究方向为森林水文与碳循环 陈仕东()男 福建古田人 助理研究员 研究方向为森林生态系统碳氮循环和自动化监测仪器研发 裴蕴 元晓春 魏智华 杨智杰 胥超 陈仕东(.福建师范大学 地理研究所 福州.福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站 福建 三明)摘要:由于幼林生态系统的典型脆弱性 其土壤有机碳在经营管理过程中很容易损失 从而削弱了中国林业碳汇在实现碳中和目标中的作用 全面量化不同经营模式下幼林地土壤碳在各个途径中的损失对于甄选高碳汇森林经营模式和精准提升幼林地固碳能力至关重要 然而相关研究十分缺乏 本研究选择由常绿阔叶次生林(次生林)及由其转换而来的米槠人工幼林、杉木人工幼林以及人工促进天然更新(人促更新)幼林为研究对象 比较各林地土壤有机碳在水土流失和异养呼吸中损失的量 并对比不同土层淋溶液中可溶性有机碳()浓度 结果发现人促更新幼林土壤通过径流和泥沙损失的碳量低至接近次生林的水平 仅分别为米槠和杉木人工幼林的 和 米槠和杉木人工林通过径流和泥沙损失的碳量随降雨增加而显著增加 而次生林通过径流损失的碳量不受降雨影响 人促更新幼林和次生林土壤异养呼吸损失的碳量比米槠和杉木人工幼林高出 次生林 、和 的土壤淋溶液 浓度均较低 而人促更新幼林和杉木人工幼林较高 观测期间 人促更新幼林土壤通过因水土流失和异养呼吸两个途径造成的总碳损失量与次生林相当 但是显著低于米槠和杉木人工幼林 仅分别为二者的 和 本研究率先提出了人促更新经营土壤保碳能力强的证据 因而中国在实现碳中和目标的巨大压力下宜大力推广人促更新经营 传统人工林经营过程中水土流失是造成幼林阶段土壤碳损失的主要原因 制定合理的水土保持措施有助于精准提升中国人工幼林地固碳能力关键词:森林经营 碳汇 人促更新 人工幼林 土壤碳损失中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):()“”.()亚热带资源与环境学报第 卷 ().().“”.:通过合理的森林经营管理增加森林碳汇是中国实现碳中和目标的重要措施之一 一方面 幼林阶段是人为经营管理最频繁、林木生长最旺盛的时期 因而幼林地经营管理能够提升植被的固碳能力 然而幼林生态系统是典型的脆弱生态系统 在经营活动的干扰下 幼林地很容易损失土壤有机碳 因此幼林经营管理在另一方面又削弱了土壤的碳汇能力 森林经营对幼林地植被的固碳能力影响研究已有大量报道 但是森林经营对幼林地土壤碳损失影响的研究仍不全面 精准提升森林碳汇缺乏坚实的理论基础 这不利于中国林业碳汇在实现碳中和中发挥作用 现有研究的不完善主要体现在以下两个方面:一是多数研究只关注幼林地土壤有机碳的一个或少数几个途径 而缺乏对多个途径有机碳损失监测的全面考量 二是研究的对象多数聚焦在人工林 缺少其他类型幼林地的研究幼林地土壤有机碳的损失主要有 个途径:()有机碳的矿化损失()有机碳的水土流失()有机碳的淋溶损失 由于幼林地植被生物量小、地表覆盖低、温度高 土壤微生物对有机碳的矿化作用强 较低的地表覆盖也导致水土流失加剧 通过径流和泥沙损失的有机碳增加 另外 幼林地凋落物归还量较小 地表有机质层较薄或几乎没有 水源涵养功能差 降雨通过幼林地地表进入土壤后往往产生较大的淋溶 因此 幼林地通过以上 种途径损失的有机碳都较为可观 然而 很少有研究同时关注幼林地土壤有机碳在这 个途径中的损失过程在亚热带地区 地带性的常绿阔叶林被采伐后遗留下大面积幼林地 除人工营造的幼林地外 也不乏大面积经过人工促进天然更新(以下简称“人促更新”)而形成的幼林地 人促更新是对天然林进行修复和保护最重要的管理措施 也被认为是降低二氧化碳浓度最为有效的林业措施 其碳汇能力远高于人工造林 这是否意味着幼林阶段人促更新林土壤有机碳的损失量低于人工林?这个问题的回答可为中国高碳汇森林的甄选和高碳汇经营措施的制定提供关键的理论依据 然而 目前尚无研究探讨人促更新幼林地土壤有机碳在各个途径中的损失过程 更无研究对比过人促更新幼林和人工幼林地土壤有机碳在各个途径中的损失差异为解决以上研究背景中存在的问题 选择亚热带地区米槠常绿阔叶次生林(以下简称“次生林”)以及经其转换而形成的米槠人促更新幼林、杉木人工幼林和米槠人工幼林为研究对象 旨在对比 种森林类型不同途径土壤有机碳通过矿化、水土流失、和淋溶损失的差异 探索其可能原因 项目组前期研究发现人促天然更新幼林地生物量显著高于杉木和米槠人工幼林 但是低于米槠次生林 因此 研究假设:()米槠人促更新幼林土壤通过径流和泥沙损失的有机碳显著低于杉木和米槠人工林 但高于米槠次生林 较高的生物量导致凋落物层和林下植被层生物量也较高 降雨经过林冠、林下植被和凋 第 期裴蕴等:不同森林经营模式下亚热带森林土壤有机碳损失差异落物携带的可溶性有机碳()浓度较高()米槠人促更新幼林土壤淋溶液可溶性有机碳浓度高于杉木和米槠人工林 但是低于米槠次生林 由于杉木和米槠人工幼林地地表覆盖度非常低 因而地表温度高()杉木和米槠人工幼林地土壤有机碳的矿化损失量高于米槠人促更新幼林和次生林 研究区和研究方法 研究样地概况研究样地位于福建三明森林生态系统国家野外科学观测研究站的陈大观测点()该区域地貌特征以陡峭的低山丘陵为主 土壤以花岗岩发育的红壤和红黄壤为主 在长期频繁的人为干扰下 区域内大面积常绿阔叶林转变为次生林和人工林 受亚热带季风气候的影响 区域内典型气候特征表现为雨热同期、暴雨频繁 区域年平均气温为 多年平均降雨量为 降雨主要集中在 月 样地设置 年 月选择站内米槠次生林一面坡向整齐、坡度均匀的山坡进行皆伐 皆伐面积为 在皆伐迹地上以不同经营模式分别营造米槠人促更新林、米槠人工林和杉木人工林 每种森林类型以随机区组的方式设置 个重复样地 每个重复样地面积约为 种森林具体的经营方式参考 等的研究 简要概括如下米槠人促更新林:年 月收获采伐迹地上的干材 树枝、树桠和树叶等采伐剩余物被保留下来 均匀地覆盖在采伐迹地上 让根桩萌芽条和种子苗自然更新成林 自然更新过程中进行封育管理、严禁人为干扰 年进行过一次低强度的抚育伐 抚育对象主要是山油麻()、东南野桐()、山乌桕()、山苍子()等阳性树种 同时疏伐一些根桩上密集簇生的萌芽条 除此次营林干扰以外 幼林地一直处于天然更新状态杉木人工林:年 对迹地上的采伐剩余物进行火烧炼山 炼山后穴植(挖穴规格:)两年生杉木实生苗 种植密度为 株 株行距为 每年对杉木人工林进行两次抚育劈草 一次在 月至 月 另一次在 月至 月 直至幼林郁闭米槠人工林:米槠人工林的经营模式和杉木人工林类似 不同的是米槠幼苗的种植密度为 株 株行距为 在紧邻采伐迹地一侧的未砍伐的米槠次生林的上、中、下坡也分别设置 个重复样地作为对照 所有幼林地在经营过程中未做任何施肥管理 年 月调查时幼林地林分特征如表 所示 样品采集与分析 径流和泥沙的采集测定表 试验地林分特征 林分特征人促更新林米槠人工林杉木人林次生林平均坡度/平均树高/平均地径/平均密度/株 平均覆盖度/林龄/在每个样地内建一个 (顺 坡 方向)(等高线方向)的径流小区 小区底部设集水槽 集水槽底部开口处安放一个 (长)(宽)(高)的不锈钢径流池 在每次侵蚀性降雨事件发生之后 先记录径流池中的水深 然后用力搅拌径流池中的水 使得水和泥沙均匀混合 用采样瓶采集 的径流和泥沙混合样品 采样结束后把径流池清洗干净 用于收集下次径流和泥沙 样品带回实验室后用 滤膜分离出径流水溶液样品和泥沙样品 过滤后的泥沙样品置于 烘箱内烘干至恒重 土壤渗滤液采集于 年 月在每个样地内将 个土壤溶液取样器()相邻布设于 、和 土壤深处 于 年 月至 月期间总共采集 次土壤渗滤液样品 渗滤液带回实验室 亚热带资源与环境学报第 卷过 的滤膜后保存于 冰箱内 土壤异养呼吸速率的测定 年 月在每个样地内挖 (长宽深)的壕沟 壕沟内土壤用 目尼龙网围拢两层 尼龙网外侧与壕沟之间的缝隙用土回填压实 在每个壕沟内安装内径 、高 的 材质呼吸圈 呼吸圈露出土面 左右 试验期间定期清理壕沟内的植物 本实验于 年 月至 月期间采用 土壤碳通量测量系统()对土壤异养呼吸速率进行每半月一次的监测 测定时间为早上:本研究期间总共监测 次 样品分析径流水和土壤渗滤液的 浓度使用总有机碳分析仪()测定 每次降雨采集的泥沙总有机碳含量采用碳氮元素分析仪()测定 数据处理与分析用每次降雨结束后记录的径流水深度乘以径流池面积计算径流量 再用径流量乘以径流水 浓度计算出每次降雨事件产生的径流水 总量 用取样瓶内泥沙浓度乘以径流量计算每次降雨产生的泥沙总量 再用泥沙总量乘以泥沙碳含量计算每次泥沙碳流失量 土壤呼吸测定参考文献 每半月测定一次 并以此呼吸速率代此表半个月的平均速率计算每半月土壤呼吸通量 计算公式如下:/()式()中:是土壤异养呼吸速率 是呼吸测定所在半月的具体天数数据分析在 中完成 图在 中绘制完成 采用双因素方差()分析检验林分、采样时间以及两者之间的交互作用对径流水 浓度和通量、泥沙碳损失量、和土壤异养呼吸速率的影响 并采用三因素()分析检验林分、采样时间、土壤深度及其两两交互和三者交互作用对淋溶液 浓度的影响 结果与分析 径流水 浓度和通量的动态变化次生林的径流水 浓度最高 平均值为 米槠人促更新林()次之米槠人工林()和杉木人工林()最低 双因素分析结果显示 林分、时间及二者交互作用对径流水 浓度有极显著影响()(图)和浓度的规律不同 单次降雨产生径流水 通量在米槠人工林中最高 杉木人工林次之 米槠次生林和米槠人促更新林最低 林分、时间及二者的交互作用对径流水 通量影响显著()(图)观测期间 米槠人工林径流水 累积通量最高()是人促更新林()、杉木人工林()和次生林()的 倍 泥沙碳流失量的动态变化如图 所示 米槠人工林和杉木人工林单次泥沙碳流失量变异较大 变化范围分别介于 和 之间 米槠人促更新林和次生林单次流失量变异相对小 介于 和 之间 米槠人工林泥沙碳流失量最高 杉木人工林次之 米槠人促更新林和次生林最低 相较而言 米槠人工林受到降雨的影响较大(图)双因素分析的结果表明 泥沙碳流失量受到林分()、时间()及二者交互作用()的显著影响(图)观测期间 人促更新林()和次生林()的累积泥沙碳流失量相当 仅为米槠人工林()的 降雨对径流和泥沙碳流失量影响回归分析表明 降雨量与米槠人工林()和杉木人工林()的径流水 浓度呈显著的负相关 米槠人促更新林和次生林径流水 浓度不受降雨量影响 降雨量与米槠人促更新林()、杉木人工林()、米槠人工林()的径流水 通量之间呈显著正相关 而与次生林的径流水 通量相关性不显著 降雨量与米槠人促更新林()、米槠人工林()、杉木人工林()、米槠次生林()呈显著的幂函数相关(图)第 期裴蕴等:不同森林经营模式下亚热带森林土壤有机碳损失差异图 不同林地径流 浓度和通量的动态变化 渗滤液 浓度的动态变化如图 所示 、土层的渗滤液 浓度的动态变化范围为 、不同林分在 土层的渗滤液 浓度高于 和 土层的渗滤液 浓度 米槠人促更新林 土层的渗滤液 浓度最高 平均值为 杉木人工林 ()和 ()土层的渗滤液 浓度均最高 不同林分通过渗滤液流失的有机碳在 土层中较为明显三因素方差分析结果显示 林分对渗滤液 浓度有显著影响()土层对渗滤液 浓度有极显著影响()采样时间对 浓度影响图 不同类型林分泥沙碳流失量的动态变化 不显著 林分、土层和采样时间之间的两两交互以及三者交互作用对 浓度均无显著影响(表)土壤异养呼吸速率和通量的动态变化双因素分析表明 林分和时间对土壤异养呼吸速率和通量有显著影响()(图)米槠次生林土壤异养呼吸速率最大 均值为 米槠人促图 降雨量对径流水 流失量的影响 更新林()次 之 米 槠 人 工 林()和杉木人工林()最低 其中 米槠次生林的土壤异养呼吸速率比米槠人促更新林高 比米槠人工林高 比杉木人工林高 观测期间次生林和人促更新林土壤异养呼吸累积通量分别为 和 分别比米槠人工林()和杉木人工林()高 和 亚热带资源与环境学报第 卷图 不同土层渗滤液 浓度的动态变化 讨论研究结果发现人促更新幼林土壤通过径流和泥沙损失的总碳量均低于杉木和米槠人工幼林(图、图)接受假设 但是人促更新幼林土壤通过径流和泥沙损失的总碳量与米槠次生林无明显差异 拒绝假设 人促更新幼林土壤碳流失量如此之低 表明人促更新是一种有利于幼林地初期土壤有机碳维持的经营方式 其碳流失量低的原因主要可归纳为两个方面 首先 人促幼林建立的初期有采伐剩余物的覆盖 虽然本实验的开展距幼林建立已有两年 采伐剩余物中的叶片组织早已分解殆尽 但是采伐剩余物中的粗枝组分能够存留长达数年之久 而细枝中的半分解组织也会在地表表 土壤渗滤液 浓度受林分、土层和时间影响的三因素方差分析 变异来源自由度 值显著性林分 土层 时间 林分土层 林分时间 土层时间 林分土层时间 形成腐殖质层 有利于保水和保土 其次 人促更新幼林地植被生长快 郁闭成林早 能够增加对降雨的截留 减少雨滴的击溅侵蚀和径流冲刷 虽然人促更新幼林较高的地上生物量和地表较厚的腐殖质层会增加地表径流 浓度 但是其径流总量小 故径流中输出的 总量也低(图)降雨是影响水土流失量最重要的因素之一在本研究中降雨对径流水 浓度和通量的影响因森林类型而异 大暴雨发生时 地表形成超渗径图 不同林地异养呼吸速率和累积呼吸通量 流 径流形成时间短 径流水从土壤中浸提的 浓度低 而且大暴雨 会 稀 释 径 流 水 的浓度 因此随着降雨量的增加径流水 浓度可能 会 有 降 低 的 趋势 与本研究杉木和米槠人工林径流水 的浓度随降雨量的增加而降低的结果相似 而人促更新林和次生林径流水 的浓度与降雨量之间无明显关系而且次生林 通量与降雨之间亦无显著相关 表明次生林作为结构和功能稳定的生态系统 其 的输出受到降雨等因素干扰的影响较小本研究中土壤淋溶液 浓度在森林类型之间有明显差异 而且这种差异因土层而异(图)人促更新林表层 土壤渗滤液 浓度最高 而 和 土壤淋溶液 浓度最高值均出现在杉木人工林 而次生林淋溶液 浓度在 个土层中均为最低(图)与本研究的假设 不一致森林土壤淋溶液 浓度受到树种、植被生物量和土壤物理性质等要素的综合影响 次生林在 个土层中的 浓度均最低 这可能与其较好的土壤保水性能和较高的地上生物量有关 良好的保水性能减少了水分向下的运输 而较高的生物量使得根系对水分的吸收量增加 因此 较之 第 期裴蕴等:不同森林经营模式下亚热带森林土壤有机碳损失差异个幼林生态系统 次生林土壤发生淋溶的量较少 这可能也是导致其淋溶液 浓度低的原因 杉木人工林在 个土层淋溶液 浓度均较高 这可能与杉木树种特性和土壤物理性质有关 本研究中所选的 种森林中的 种均以米槠为主要树种 另一种是杉木 较之米槠光滑的表皮 杉木树干表皮十分粗糙 降水流经杉木树干的停留时间较长 前期研究结果表明 杉木树干茎流的 浓度平均值是米槠的 倍 另外 杉木人工林土壤经过初期的炼山整地和随后严重的水土流失 土壤有机质下降、团聚体遭破坏 故保水性能差 因此 源自杉木树干茎流高浓度的 溶液进入土壤之后也容易形成 浓度较高的土壤淋溶液本研究中人促更新林和次生林土壤异养呼吸速率和通量均显著高于杉木和米槠人工林(图)拒绝假设 本研究所选取的时间段为盛夏 杉木和米槠人工幼林均未郁闭 其土壤温度高于人促更新和次生林 这并未导致较高的异养呼吸速率 表明土壤异养呼吸速率受到底物有效性的影响可能大于温度 杉木和米槠人工幼林土壤有机碳通过火烧和水土流失损失的多 而通过凋落物输入的又少 导致其整体土壤碳有效性偏低 尤其是易分解有机碳 这或许是杉木和米槠人工幼林土壤异养呼吸速率和通量低的主要原因综合上述分析 不同经营模式下幼林地土壤有机碳在各个损失途径中的数量有明显差异 杉木和米槠人工林通过水土流失损失的碳高于人促更新林 而人促更新林通过土壤异养呼吸损失的碳高于杉木和米槠人工林 本研究未能获取土壤淋溶液通量的数据 较之异养呼吸损失的碳量 淋溶损失的碳量往往非常低 通过实验期间各途径碳通量的比较 杉木和米槠人工林土壤有机碳主要损失途径是水土流失 而人促更新林土壤碳主要是通过异养呼吸损失 杉木和米槠人工林通过水土流失和异养呼吸总碳损失量分别为 和 是人促更新林()的 倍和 倍 结论人促更新幼林土壤有机碳在各个途径中的损失量远低于杉木和米槠人工幼林 因而人促更新是一种保碳能力更强的森林经营方式 在当前依靠林业固碳助力实现碳中和目标下 宜大力推广 传统的人工林经营造成的水土流失是导致人工幼林地碳损失的最主要原因 而且土壤碳的水土流失随着降雨的增加而快速增长 预示着传统经营方式下人工林土壤碳的损失在未来气候变化(降雨增加)下会加剧 精准的水土保持措施和传统的改善经营模式(如禁止炼山)可提升人工幼林地的保碳能力参考文献():.():.:.():.胥超 谢锦升 刘小飞 等.抚育管理对米槠人工幼林地水土流失的影响.亚热带资源与环境学报 ():.():.():.():.:.:.欧阳帅 项文化 陈亮 等.南方山地丘陵区森林植被恢复对水土流失调控机制.水土保持学报 ():.():.熊子怡 郑杰炳 王丹 等.不同施肥条件下紫色土旱坡地可溶性有机碳流失特征.环境科学 ():.():.袁硕 杨智杰 元晓春 等.降雨隔离和温度增加对杉木幼林土壤可溶性碳氮的影响.应用生态学报 ():.亚热带资源与环境学报第 卷 .():.:():.():.():.():.郭鸿蓉 吴福忠 倪祥银 等.中亚热带次生林和人工林凋落枝水溶性碳氮磷动态特征.生态学报 ():.():.:.元晓春 林伟盛 蒲晓婷 等.更新方式对亚热带森林土壤溶液可溶性有机质数量及化学结构的影响.应用生态学报 ():.():.胥超 林成芳 刘小飞 等.森林转换对地表径流可溶性有机碳输出浓度和通量的影响.生态学报 ():.():.吴波波 郭剑芬 吴君君 等.采伐剩余物对林地表层土壤生化特性和酶活性的影响.生态学报 ():.():.古韬 王华 刘瑞 等.川西亚高山 种典型针叶林土壤碳氮磷和碳稳定同位素分布特征.四川农业大学学报 ():.():.林立文 邓羽松 王金悦 等.南亚热带人工林种植对赤红壤团聚体分布及稳定性的影响.应用生态学报 ():.():.:.:.():.():.任寅榜 吕茂奎 江军 等.侵蚀退化地植被恢复过程中芒萁对土壤可溶性有机碳的影响.生态学报 ():.():.王燕 庞卓 贾月 等.生物炭对北京郊区砂土持水力和氮淋溶特性影响的土柱模拟研究.农业环境科学学报 ():.():.():.吕茂奎 谢锦升 江淼华 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