熱帶、亞熱帶紅壤區(qū)經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究綜述

葉菁 王義祥 翁伯琦

摘?要：全球氣候變化與森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)息息相關(guān)。綜述我國熱帶、亞熱帶紅壤區(qū)經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)特征，以及氣候因素變化、土地利用變更、經(jīng)營干擾等因素對碳循環(huán)影響的研究現(xiàn)狀，并對經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)未來發(fā)展方向進(jìn)行展望，今后應(yīng)加強(qiáng)地理信息系統(tǒng)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的應(yīng)用，以及不同區(qū)域條件下不同經(jīng)營措施經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)的減排增匯效果的評價研究。

關(guān)鍵詞：森林;經(jīng)濟(jì)林;碳循環(huán);影響因素

隨著溫室氣體和溫室效應(yīng)等各種氣候與環(huán)境問題的日益突出和國際氣候談判中對碳源、碳匯評價的客觀需要，碳平衡問題日益受到人們的普遍關(guān)注。南方紅壤丘陵區(qū)是我國重要的經(jīng)濟(jì)林和林木基地，其中森林面積占全國森林面積的45%，碳貯量大，且土地利用方式變化強(qiáng)烈，對全球碳循環(huán)以及陸地生態(tài)系統(tǒng)碳收支具有重要的影響[1]。據(jù)估算，我國熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤有機(jī)碳儲量（0～100 cm土層）約為26.8 GtC，分別占全球和全球熱帶、亞熱帶地區(qū)土壤總碳儲量的1.7%～1.9%和5.3%;且其平均有機(jī)碳密度也高于世界上其他熱帶和亞熱帶地區(qū)[2]，在我國乃至全球碳匯功能評價中占有重要的地位。同時該區(qū)是我國發(fā)展糧食作物和各種熱帶、亞熱帶經(jīng)濟(jì)作物與林木的重要基地，其中森林面積占全國森林面積的45%。此外，茶葉、水果、油料等的生產(chǎn)也在全國占主導(dǎo)地位。但因地形、氣候和人類活動等各種因素的影響，該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對氣候和環(huán)境變化反應(yīng)十分敏感。這些都決定了熱帶、亞熱帶紅壤山區(qū)碳循環(huán)研究對于正確評估我國整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的源匯貢獻(xiàn)具有十分重要的意義。從全國第八次森林資源普查（2014年）結(jié)果來看，我國森林面積2.08億hm2，森林覆蓋率21.63%，森林蓄積151.37億m3。人工林面積0.69億hm2，蓄積24.83億m3。此外，經(jīng)濟(jì)林作為我國森林的重要組成部分，其覆蓋率達(dá)2.11%[2]。福建省現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)林面積103.4萬hm2，占林地面積的14.1%。而經(jīng)濟(jì)林碳循環(huán)研究與其面積并不成比例，尤其是土壤呼吸和碳平衡研究還缺乏大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此開展經(jīng)濟(jì)林（果園）碳循環(huán)的研究不僅可為我國森林碳平衡研究補(bǔ)充基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可為國內(nèi)外的碳匯交易提供科學(xué)數(shù)據(jù)，對實(shí)現(xiàn)林業(yè)經(jīng)營轉(zhuǎn)型具有重要的作用。

1?經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)特征

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，它儲存了陸地生態(tài)系統(tǒng)中地上部有機(jī)碳儲量的76%～98%[3-4]和地下部有機(jī)碳儲量的40%[5]，且具有較高的生產(chǎn)力，每年固定的碳約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3[6]。由此，森林碳循環(huán)研究亦成為全球氣候變暖的大背景下的研究熱點(diǎn)。有關(guān)森林碳循環(huán)國外研究不僅開展得較早，也更為系統(tǒng)深入。20世紀(jì)60年代，Reiners等對林地的CO2排放和測量問題進(jìn)行研究

[7-8]，此后Carlyle、Bunce、Christian、Neilson等對不同高度上CO2通量的變化、CO2土壤呼吸的控制等開展研究和探討[9-12]。我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究起步較晚但發(fā)展迅速，現(xiàn)已積累了較為豐富的研究成果。方精云等[4]對我國林地植被地上部分碳庫時空變化進(jìn)行了大尺度的研究，結(jié)果表明在20世紀(jì)80年代之前，造成中國林地植被有機(jī)碳儲量較大幅度下降的主要原因是森林大規(guī)模開發(fā)利用;之后我國林地植被有機(jī)碳碳儲量因人工林面積的擴(kuò)大而又開始回升。王效科等[3]以不同林齡級的森林類型為研究對象，測算出我國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲量為3.255～3.724 PgC。除了大尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究外，我國科學(xué)家針對特定生態(tài)系統(tǒng)也進(jìn)行了大量的定位研究，如李銘紅等[13]研究了我國亞熱帶青岡常綠闊葉林的碳素動態(tài)，包括青岡林群落碳素的現(xiàn)存量及其分配特征，存留量及其分配特征，碳素的歸還量和釋放量等多個方面;吳仲民、李意德等[14-15]對海南島尖峰嶺熱帶山地雨林的生物量、群落生產(chǎn)力、土壤碳儲量和CO2的排放以及近冠層CO2通量特征、生態(tài)系統(tǒng)碳平衡等方面進(jìn)行研究;另外，程根偉、桑衛(wèi)國、阮宏華等對特定的森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了研究[16～18]。

經(jīng)濟(jì)林（果園）作為一種農(nóng)用型的森林植被類型，其碳循環(huán)及其過程不僅受地理、氣候等因子的影響，而且其植物品種多樣，加之受較為強(qiáng)烈的人為干擾如修剪、施肥、耕作、收獲等影響，這些都增加了經(jīng)濟(jì)林（果園）生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究的復(fù)雜性和不確定性。國外學(xué)者在經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡研究方面開展了一些研究，如Proctor、Wibbe等[16-17]預(yù)估了蘋果園植被碳貯量，并探討了果實(shí)收獲對碳收支的影響[19-20];此外，Lakso、Seem等[21-22]也對蘋果樹碳平衡進(jìn)行了測定和模擬。但多數(shù)研究還僅限于植物生理生態(tài)學(xué)方面，缺少在系統(tǒng)水平上碳循環(huán)過程及其驅(qū)動機(jī)制的研究。近年來，我國在經(jīng)濟(jì)林碳平衡方面也有一些報道，如Wang y y等[23]以縣域?yàn)槌叨?，研究了柑橘果園土壤有機(jī)碳庫的時空分異特征。王義祥等[24]對福州郊區(qū)7年生柑橘果園植被的碳吸存進(jìn)行研究，結(jié)果表明7年生柑橘果園植被的碳密度為5.589 t·hm-2，年固定有機(jī)碳為2.028 t·hm-2，其所吸存的有機(jī)碳中23.82%以活體生物量形式存留在植被層中，41.42%轉(zhuǎn)移在果實(shí)而到系統(tǒng)之外，34.76%通過凋落物分解的方式釋放到大氣中或進(jìn)入土壤。王蕊等[25]也對蘋果園土壤呼吸的變化及生物和非生物因素的影響進(jìn)行了研究。

2?影響碳循環(huán)的主要因素與驅(qū)動機(jī)制

影響經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的因素很多，包括氣候因子、大氣成分、土壤性質(zhì)、植被類型以及人為因素等，其中氣候和土地利用變化對森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)影響是當(dāng)前全球變化研究的中心問題之一。紅壤丘陵區(qū)是我國南方的主要生態(tài)類型區(qū)，也是世界上一個特殊的生態(tài)類型區(qū)。結(jié)合該生態(tài)類型區(qū)特殊的氣候、地理與人文特點(diǎn)，介紹氣候因子、土地利用變化和經(jīng)營干擾對碳循環(huán)影響的研究現(xiàn)狀。

2.1?氣候因素變化對碳循環(huán)的影響

氣候因素主要是通過對植物光合作用、呼吸作用和土壤有機(jī)碳分解的影響對經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)產(chǎn)生影響。全球氣溫上升使植物的光合作用效率提高、生長期延長，從而使經(jīng)濟(jì)林植被的凈初級生產(chǎn)力得到增加。同時，溫度上升加速了土壤養(yǎng)分的礦化，增加養(yǎng)分釋放和提高養(yǎng)分有效性，從而間接地促進(jìn)了植被生物量的增加[26-28]。另一方面，植物凈初級生產(chǎn)力的增長并不意味著生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳凈儲量的增加。因?yàn)闅夂蜃兣粌H可能引發(fā)干旱從而限制植物凈初級生產(chǎn)力;氣候變暖還會刺激土壤微生物種群的增長，從而提高土壤有機(jī)碳的分解速率[25]。潘新麗等[29]模擬研究表明，增溫1年后的川西亞高山人工針葉林土壤有機(jī)碳含量比對照降低了8.69%，增溫2年后降低了3.80%。降水的變化對森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力有很大的影響。根據(jù)Brown等[30]的研究結(jié)果顯示，降水量在400～3200 mm范圍內(nèi)，降水量與植被碳密度之間呈正相關(guān)關(guān)系，超過3200 mm后，降水與植被碳密度則表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)關(guān)系。近100年來，全球氣溫平均上升0.6℃，我國氣溫上升了0.4～0.5℃。從降雨格局來看，中緯度地區(qū)的降雨量增加，北半球的亞熱帶地區(qū)的降雨量下降[31]。在當(dāng)前氣候變化趨勢下，評估亞熱帶地區(qū)經(jīng)濟(jì)林系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力和碳平衡及其對氣候變化的反應(yīng)，研究并建立適于經(jīng)濟(jì)林系統(tǒng)碳循環(huán)模型，為評估和預(yù)測南方經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳平衡和氣候系統(tǒng)中的作用提供科學(xué)依據(jù)。

2.2?土地利用變更對碳循環(huán)的影響

土地利用方式變化直接影響經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)的分布和結(jié)構(gòu)，改變經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量和碳排放。以往研究表明，土壤有機(jī)碳在森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田中損失率為25%～40%，其中耕作層的損失量最大。森林轉(zhuǎn)變?yōu)槟翀觯ɑ虿莸兀?dǎo)致的損失較轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐膿p失要少，約為20%。碳損失的絕對量還取決于土壤的初始碳含量、氣候條件以及管理措施。有機(jī)碳含量越豐富的土壤，其碳損失量越大[32]。另外，森林退化也會改變森林的土壤狀況、微氣候和立地結(jié)構(gòu)，從而影響森林的土壤碳的排放和固碳能力。李家永等[33]對紅壤丘陵區(qū)土地的比較研究發(fā)現(xiàn)，土地利用變化對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量具有深刻影響，受人類活動干擾強(qiáng)烈的農(nóng)田和橘園系統(tǒng)儲存的有機(jī)碳遠(yuǎn)低于森林系統(tǒng)，另外，農(nóng)田和橘園中的有機(jī)碳主要存于土壤，濕地松、杉木等森林系統(tǒng)中有機(jī)碳則多儲存于植物活體。我國南方紅壤丘陵區(qū)人為活動頻繁，土地利用方式變化強(qiáng)烈，由于不合理的土地利用活動（主要是對森林資源的過度開發(fā)），我國熱帶亞熱帶地區(qū)每年向大氣釋放2～4 TgC，研究其土地利用變化對碳循環(huán)的影響機(jī)制，探索具有區(qū)域特色的碳增匯、減排措施具有重要的意義。但紅壤丘陵區(qū)土地利用對碳循環(huán)及全球變化的影響方面的研究尚處于起步階段，各方面的研究尚待深化[3]。

2.3?經(jīng)營干擾對碳循環(huán)的影響

施肥、耕作、收獲等經(jīng)營活動是導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳源、碳匯變化的主要因素。施肥是經(jīng)濟(jì)林管理中最常規(guī)的措施，因此施肥對經(jīng)濟(jì)林土壤有機(jī)碳的影響受到了廣泛關(guān)注。多數(shù)研究認(rèn)為，施肥對土壤有機(jī)碳影響顯著，一方面通過改變地上植被的生物量、直接增加有機(jī)碳源來影響土壤碳源的供應(yīng)量;另一方面對土壤微生物活性及呼吸強(qiáng)度具有重要的影響[34]。姜培坤等[35]研究施肥對雷竹林土壤活性有機(jī)碳影響結(jié)果表明，各有機(jī)肥、化肥混合處理雷竹林土壤總有機(jī)碳、水溶性碳、微生物量碳、礦化態(tài)碳均顯著或極顯著高于單施化肥各處理。王義祥等[36]研究不同菌渣施用量對柑橘園土壤有機(jī)碳及組分影響表明，施用有機(jī)肥2年的柑橘園土壤有機(jī)碳含量與不施肥和單施化肥相比沒有顯著性差異;單施菌渣有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)配施處理柑橘園土壤可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳、顆粒有機(jī)碳和輕組有機(jī)碳顯著提高。當(dāng)前不同研究未能得到相同的結(jié)論，因此下一步應(yīng)利用生態(tài)系統(tǒng)的長期定位試驗(yàn)來深入研究施肥對土壤有機(jī)碳的影響，并考慮如何將有機(jī)肥和綠肥綜合施用，促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累。采伐和收獲是森林利用中的基本活動，其最重要的影響是降低生態(tài)系統(tǒng)地上部生物量。由于大規(guī)模的毀林活動，據(jù)估計1980年有（1.8～4.7）×109 t碳從植被生態(tài)系統(tǒng)釋放到大氣中，其中80%來自熱帶森林砍伐[37]。研究表明，熱帶地區(qū)次級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%;種植園的地上部生物量比自然森林低20%～50%[38]。但森林采伐本身對土壤有機(jī)碳含量的影響并不大。Johnson等[39-40]研究發(fā)現(xiàn)，在多數(shù)情況下森林采伐后土壤有機(jī)碳含量并沒有發(fā)生明顯的變化，但采伐后的土地利用方式對土壤有機(jī)碳庫的影響很大。但對經(jīng)濟(jì)林而言，除了以上幾項(xiàng)經(jīng)營干擾外，其還受修剪、果實(shí)收獲等周期性的經(jīng)營管理的影響，深入研究經(jīng)營干擾對經(jīng)濟(jì)林碳循環(huán)的影響機(jī)制，探求科學(xué)地利用體系，減緩溫室氣體的排放和增加系統(tǒng)的碳吸存，有著十分重要的意義。

3?研究展望

目前，我國熱帶、亞熱帶紅壤區(qū)經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)已經(jīng)有不少研究，但有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)的研究居多[41-45]，對經(jīng)濟(jì)林（果園）生態(tài)系統(tǒng)的研究較少，且已有研究相當(dāng)零碎，缺乏在大、中尺度領(lǐng)域上對經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究評估，今后應(yīng)加強(qiáng)地理信息系統(tǒng)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的應(yīng)用研究，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)源/匯在時間和空間分布格局上的快速評估。此外，在系統(tǒng)固碳減排技術(shù)方面，應(yīng)加強(qiáng)不同區(qū)域條件下不同經(jīng)營措施的減排增匯效果的評價研究，為我國制定減排增匯相關(guān)政策措施、制定后京都減排義務(wù)國際規(guī)則談判提供技術(shù)支撐。

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（責(zé)任編輯：林玲娜）