經營措施影響森林土壤碳庫和溫室氣體排放的研究進展

張蛟蛟，李永夫*，姜培坤，周國模，劉 娟

（1.浙江農林大學 浙江省森林生態系統碳循環與固碳減排重點實驗室，浙江 臨安 311300；2.浙江農林大學 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300）

全球氣候正在變暖的事實已不容置疑，如何減緩與適應全球氣候變化已成為當今研究的焦點。CO2、N2O和CH4是引起全球氣候變暖重要的溫室氣體，大氣中CO2、N2O和CH4濃度每年分別以0.5%、0.3%和0.8%的速度不斷遞增[1]。土壤不僅是CO2和CH4排放重要的源和匯，也是N2O排放重要的源[2]。全球土壤碳儲量為1 500 Pg C，是大氣中碳儲量的 2倍[3]。全球每年土壤CO2排放量達 68 ～ 75 Pg C，占大氣與陸地生態系統交換碳總量的25%[3～4]。同時，森林土壤是陸地生態系統中最大的碳貯存庫，維持著全球植被碳庫的86%和土壤碳庫的73%[5～6]。因此，森林土壤碳庫很小的變化都會引起大氣中CO2濃度的較大變動[7]。人工林經營措施，如施肥、土地利用變化、林下植被管理等，認為是提高人工林生產力的重要途徑[7]，然而森林經營措施對土壤有機碳庫和溫室氣體排放的影響還存在很大的差異[7～8]，進而造成對人工林生態系統的固碳潛力評估存在較大的不確定性[9～10]。為了深入了解人工林經營措施對土壤碳庫和溫室氣體排放影響機制，本文對不同經營措施對土壤碳庫和碳循環的影響進行了闡述，初步揭示人工經營措施在土壤碳循環和氣候變化中的作用和機制，并對人工林地土壤碳循環進行了研究展望。

1 經營措施對森林土壤碳庫的影響

1.1 施肥對森林土壤有機碳庫的影響

施肥是人工林經營最重要的手段之一[7～8,11]。大量的研究表明[12～14]，施肥和耕作可以顯著改變土壤有機碳儲量。一般而言，施用有機肥由于有機碳直接輸入土壤，進而增加土壤有機碳庫[15～16]。然而，施用化肥對土壤有機碳庫增加、降低或沒有影響的報道都有見到[12～13,17]。如Mancinelli等[12]和Liu等[18]研究表明，施用無機肥可顯著減少土壤中有機碳含量，主要是因為無機肥施加可以加快土壤有機質的分解。然而，Gong等[13]報道，施用無機肥可明顯增加有機碳含量，主要是因為無機肥可以提高森林生產力，加快作物生長，進而產生更多的凋落物輸入到土壤中，而作物殘渣和凋落物中含有大量的有機碳輸入土壤。同時，無機肥施加對土壤碳儲量的影響還受到植被類型、土壤類型、施肥方式及用量、以及持續施肥的時間等因素的影響[8,14]。因此，施用無機肥對土壤有機碳的影響主要取決于土壤有機碳分解速率和土壤有機碳（包括作物殘渣和凋落物輸入）增加之間的平衡。

近些年，隨著學者們對森林土壤有機碳認識的不斷加深，經營措施（特別是施肥）對森林土壤活性碳庫的影響的報道也有見到，但經營措施對土壤活性有機碳的影響還沒有統一的結論[11,19]。如Li等[11]報道，雷竹林地中土壤水溶性有機碳（WSOC）、熱水溶性碳（HWSOC）和易氧化碳（ROC）隨著集約化經營的時間的持續而增加，而微生物量碳則表現為先增加后降低的趨勢。姜培坤等[20]在板栗林地中的研究結果表明施用有機肥可以顯著增加WSOC和MBC的含量，并隨著有機肥用量的增加土壤活性有機碳含量增加，而單施化肥對土壤活性有機碳含量沒有顯著增加甚至反而降低的可能。這說明施肥對森林土壤活性有機碳的影響會因肥料種類和施肥量、施肥時間和方式和植被類型等的差異產生不同的影響。

1.2 林下植被管理對森林土壤有機碳庫的影響

現今，林下植被管理已成為人工林經營管理的重要手段之一[21]。林下植被是森林生態系統中重要的組成部分[22～23]，不同林下植被管理（如去除林下植被、去除凋落物以及種植綠肥等）都會對土壤性質以及土壤碳庫產生顯著地影響，但影響存在很大的差異性[22,24～30]。一般而言，去除林下植被（或除草）可以顯著減少土壤有機碳含量，而林下增加固氮植物（綠肥）可以增加土壤有機碳含量[24～25]。這主要是因為去除林下植被可以提高土壤溫度和通氣性，進而加快有機物質的礦化分解；而增加固氮植物（綠肥）不僅可以增加作物生產力和根系生物量，進而增加凋落物輸入到土壤中，增加有機碳儲量[24～26]。然而，也有研究發現去除林下植被沒有顯著影響土壤基本性質如全氮和有機碳含量[30～31]，但去除地上所有植被會對土壤有機碳產生一定的影響[30]。這可能是因為去除林下植被對土壤有機碳的影響會因林下植被種類，林下土壤特性以及去除植被強度等的不同產生差異。另外，徐秋芳等[29]和姜培坤等[28]在板栗林中的研究表明，除草對土壤活性有機碳庫（WSOC和MBC）的影響會隨著除草方式的不同而不同[29]；種植綠肥可以增加土壤活性有機碳庫，且種植綠肥之間沒有顯著差異[28]。同時，李海防等[24～25]發現，去除林下植被一定程度改善了土壤微生物生存條件，土壤MBC含量有一定的增加。而Xiong等[31]和Li等[26]的研究去除林下植被對土壤MBC沒有顯著影響。因此，林下植被管理對土壤碳庫的影響是多因素共同的結果（如植被類型、土壤類型、管理方式和氣候等），最終影響結果也會有所差異。

1.3 土地利用方式改變對森林土壤有機碳庫的影響

土地利用方式改變（LUCC）是重要的人為活動之一，也是土壤碳平衡和碳循環的重要驅動因子[32]。大量的研究表明，土地利用方式改變可以顯著影響陸地生態系統中土壤有機碳儲量和碳循環[32～35]。一般認為，從林地轉變為農田土壤或草原土壤均會造成土壤有機碳儲量的下降，而農田或草地恢復為林地時會提高土壤有機碳儲量[35～37]。如Zhang等[37]研究發現，當水稻田轉變為竹林可以增加土壤SOC和TN儲量。然而，Peichl等[38]研究卻發現恢復造林對土壤有機碳庫和總氮庫沒有顯著影響。Dube等[39]發現，自然草原轉變為森林時，土壤表層（0 ～10 cm）有機碳儲量降低了44%。此外，Gamboa等[35]也發現林地轉變為農田時降低了土壤碳密度，但土壤有機碳儲量只在山麓地帶有所降低，在其他地帶均沒有顯著影響。Arevalo等[40]研究發現，當農田轉變為白楊林時，土壤有機碳最初2 a表現為碳釋放源，然后再表現為土壤碳匯。這些結果的差異性主要是因為土地利用變化對有機碳儲量的影響會受到土壤類型、微氣候環境、作物種類，經營方式以及土地利用持續時間的影響變化產生差異[36,40]。

1.4 其他經營措施對森林土壤有機碳庫的影響

近些年，耕作對森林土壤有機碳庫的影響越來越受到關注。一般而言，免耕可以增加有機碳儲量[41]，而耕作可以減少有機碳儲量[42]。Li等[11]研究發現雷竹林中土壤表面進行有機秸稈覆蓋可以顯著增加土壤有機碳含量。此外，閆美芳等[43]報道，森林采伐、間伐和輪伐等都會造成人工林生物碳庫的下降，改變人工林林下土壤微生物結構、土壤結構及水熱條件，最終促進土壤有機質的分解，進而影響人工林地土壤碳匯功能。

此外，人工林經營（集約化經營）往往不是單獨一種措施，而是多種經營措施配合進行，如施肥、除草等都會伴隨著耕作措施。因此，人工經營對土壤有機碳庫的影響非常復雜，而且土壤有機碳庫的變化是多種因素（包括自然因素和人為因素）綜合影響的結果，這對我們準確評估人工林土壤碳匯帶來一定的難度。在今后的研究中，如何準確評估土壤有機碳庫變化還有待于進一步研究。

2 經營措施對森林土壤溫室氣體排放的影響

2.1 施肥對森林土壤溫室氣體排放的影響

施肥不僅是人工林管理重要的手段之一，也是影響土壤溫室氣體排放的重要因素[44～45]。一般認為，人工林施肥可以增加土壤溫室氣體排放，如Deng等[45]和Iqbal等[46]在亞熱帶森林的研究報道，施用氮肥可以顯著增加土壤CO2的排放；Tu等[47]在集約化毛竹林中的研究結果表明，N肥施用對土壤肥力、微生物活性、地上凋落物的數量和質量都有顯著提高，進而了土壤產生CO2的微生物過程，導致土壤CO2排放增加；Zhang等[48]研究表明常綠闊葉林中N增加后土壤N2O排放顯著提高；Cao等[49]、Zhang等[50]和Fender等[51]研究發現，施肥對森林土壤CH4吸收有明顯的抑制作用。這主要是因為：一方面：施肥可以為土壤微生物提供充足的營養，加快土壤微生物的繁殖生長，進而微生物分解有機質的速度加快，產生更多的溫室氣體排放[48]；另一方面，一般都是施肥和耕作共同進行，改善了土壤通氣性狀況，有機物質礦化加快，CO2和N2O排放增加；此外，施肥可以促進植物根系生長，進而根系呼吸增加，消耗氧氣，造成反硝化作用加強[52]。但施肥對森林土壤溫室氣體排放減少或沒有影響報道也有[44,48,53]。如Mo等[44]在亞熱帶森林的研究發現，施加氮肥可以導致土壤呼吸速率減弱，CO2排放減少；Jassal等[52]研究發現，在杉木林中施肥后第1年和第2年對土壤N2O排放存在著一定的差異。Zhang等[53]在擾動林地中卻發現施加無機氮肥對土壤CH4氧化的抑制沒有顯著影響。造成這些結果的差異性主要是施肥對土壤溫室氣體排放的影響原因比較復雜，會受到諸多因素如微氣候環境、植被類型、微生物活性，肥料類型與施肥量等因素的顯著影響[44,46,54～55]。

2.2 林下植被管理對森林土壤溫室氣體排放的影響

林下植被管理已成為人工林經營管理的重要手段之一[21]，而且林下植被管理對土壤溫室氣體的影響已經受到廣泛關注[23～25]，但至今沒有統一的結論。如李海防等[24～25]對尾葉桉林和馬占相思林的研究表明，剔除林下灌草和種植固氮植物均可以增加土壤CO2和N2O排放，但剔除林下灌草和種植固氮植物處理下土壤CH4分別表現為CH4庫和CH4排放源。這主要是因為去除林下植被土壤溫度升高和水分減少，加快了土壤中有機物質的礦化分解，進而土壤CO2排放和N2O增加[24～25]；同時，去除林下植被可以增加土壤的通氣性，有利于甲烷氧化菌活動，造成CH4吸收增加（排放減少）；而種植固氮植物可以增加林下土壤的根系生物量，進而呼吸作用加強，最終導致總呼吸提高[21,25]；此外，種植綠肥可以增加土壤中總有機碳和各種形態氮的含量，進而為N2O產生提供條件，抑制CH4的產生[25～26]。然而，Wang等[21]也發現，去除林下植被相比對照土壤年呼吸減少了 6%。Li等[27]在華南 4種不同林地中的試驗發現，去除林下植被對土壤N2O排放均沒有顯著地影響，而種植固氮植物對N2O排放會隨著林分的不同而不同。Li等[26]報道，植被類型會影響土壤中CH4的排放，添加翅莢決明在尾葉桉林和合歡林中可以增加CH4排放，在混交林中可以減少CH4排放。這些差異可能是由于林下植被種類的不同以及凋落物不同，林下植被增加或去除對林下土壤中根系生長以及微生物結構改變的影響存在一定的差異性[21～22,30]，進而對土壤溫室氣體排放的影響產生一定的差異。

2.3 土地利用方式改變對森林土壤溫室氣體排放的影響

土地利用方式改變是引起土壤溫室氣體排放的重要人為活動，如農田轉變為林地、草地轉變為林地以及林地轉變為農田或草地等都會對土壤溫室氣體的排放產生不同的影響[36]。一般認為，土地利用方式從林地轉變為農田土壤溫室氣體排放增加，從農田轉變為林地生態系統土壤CO2排放量降低[56～59]。如Iqbal等[56]在亞熱帶地區不同土地利用方式研究發現，水稻田土壤排放明顯高于果園和林地土壤中CO2的排放量；Inubushi等[58]在熱帶地區的研究也發現，水稻田中土壤CO2排放顯著高于次生林土壤CO2的排放；Adolfo Campos等[60]在熱帶地區的研究表明，土地利用方式從云杉轉變為玉米—土豆—玉米輪作耕地或草地生態系統，都會導致土壤表層CO2排放顯著增加。農田或其他耕地中比森林土壤CO2排放較高的原因可能是：一方面，農田或其他耕作系統受到更多人為活動（如耕作、施肥和收獲等）的干擾，這會降低土壤結構的穩定性，促進有機質分解，最終導致水稻田土壤CO2排放顯著增高[7]；另一方面，在稻田中土壤CO2排放較高可能是由于稻田干濕交替頻繁，會引起土壤有機質礦化分解作用，進而土壤CO2排放增加[61]；另外，在農田或草地中，與森林生態系統相比，土壤表層更容易接觸到光照，土壤溫度高，同時耕作可以增加土壤通氣性，造成土壤有機物質分解加快[58]。

然而，土地利用方式轉變形式非常多樣，而且土壤溫室氣體排放還會受到試驗立地條件、微氣候因素、土壤類型和人工經營措施多種因素的影響，進而導致對土壤溫室氣體排放的影響存在很大的差異[57,62]。如Don等研究表明，土地利用方式從天然林地轉變為農田、多年生作物耕地、草地和次生林，土壤有機碳分別下降了25%、30%、12%和9%[36]。Iqbal等[63]研究表明，不同土地利用方式下，土壤CO2排放速率在蔬菜地中最高，其次是耕地，松林最低，這主要是由于微生物碳和可溶性有機碳氮的不同，進而影響土壤CO2排放。Zona等[64]在農田改為白楊林的研究中發現，在最初農田轉變為白楊林的6個月，土壤中均有大量的CO2、CH4和N2O排放，同時，第1年土壤表現為CO2凈排放，但第2年表現為CO2凈吸收。也有研究表明，土地利用方式從天然林轉變為次生林年土壤呼吸降低了32%，轉變為人工林降低了46% ～ 48%，轉變為果園降低了63%，轉變為耕地降低了50%[57]。Saurette等[65]等發現，農田轉變為白楊林，在短期內，土壤呼吸沒有明顯的變化。Inubushi等[58]在熱帶泥炭地土地方式利用方式改變變化對溫室氣體影響的研究發現，從次生林轉變為水稻田可以增加土壤CO2的排放和CH4排放，而從次生林轉變為山地，土壤CO2和CH4排放減少，但N2O排放沒有明顯的固定變化趨勢。因此，土地利用方式改變對土壤溫室氣體的影響還難以量化，這要求我們今后對土地利用引起溫室氣體改變方面作更進一步深入研究。

2.4 其他經營措施對森林土壤溫室氣體排放的影響

研究表明，不同人為壓實對人工林土壤CO2排放也有著顯著減少作用，這主要是因為人工壓實改變了土壤物理結構，土壤容重增加，孔隙度減少，進而通氣和透水性減弱，不利于土壤有機物質分解，最終土壤CO2排放降低[66]。Jiang等[67～68]發現竹林林下進行秸稈覆蓋可以增加土壤呼吸，這主要是由于秸稈覆蓋不僅為土壤提供了外來碳源，而且可以起到保溫效果，微生物活動加快，最終土壤微生物呼吸增強。孟春等[69]的研究發現，擇伐對混交林地土壤呼吸也有顯著地影響。

總之，長期森林經營（特別是集約化經營）對人工林土壤溫室氣體排放改變起到十分重要的作用，但人工林土壤碳匯功能變化的機理還不清楚，有待于進一步研究。

3 總結與展望

3.1 總結

通過闡述主要人工經營措施對土壤有機碳庫和土壤溫室氣體影響變化，得出以下主要結論：

（1）一般而言，施肥可以顯著增加土壤有機碳庫，但同時也可以增加土壤溫室氣體排放。施肥對土壤碳循環的影響主要取決于施肥引起的有機物質輸入和土壤碳釋放之間的平衡關系。當土壤碳輸入大于碳輸出時，森林土壤表現為土壤碳匯；當土壤碳輸入小于碳輸出時，森林土壤表現為碳排放源。

（2）通常，去除林下植被可以提高土壤溫度和減少土壤水分，進而加快有機碳的分解，最終導致土壤有機碳含量降低，土壤CO2排放增加；添加林下植被（種植綠肥、保留凋落物、覆蓋秸稈等）可以增加土壤有機碳的輸入，最終土壤有機碳庫和土壤呼吸均會增加。

（3）土地利用方式是影響土壤碳平衡重要的人為活動。一般而言，天然林轉變為其他土地利用方式（包括次生林、農田、耕地、草地等），土壤有機碳含量均會下降，土壤呼吸（土壤CO2排放）增加；同時，土地利用方式改變對土壤碳庫和土壤溫室氣體的影響具有一定的可逆性。

（4）此外，人工林耕作、收獲、砍伐、間伐等也都會對土壤碳庫和土壤溫室氣體排放產生顯著地影響。

3.2 展望

雖然先前的研究者對森林土壤碳平衡和碳循環方面已經取得了一定的成果，但仍然有許多問題需要進一步研究：

（1）人工林經營管理中，多種經營措施（如除草、去除凋落物、化肥施用、間伐等）都會降低森林生態系統土壤有機碳儲量，增加土壤碳排放。因此，如何在人工林經營過程中，通過經營手段調整技術等將森林生態系統土壤有機碳損失降到最小，這是我們今后林業研究中需要解決的重要問題。

（2）前人有關人工林經營措施對土壤碳庫（碳儲量）的研究大多集中于表層土壤，對深層土壤碳庫的研究還比較少見，這就造成我們對土壤碳儲量的研究結果缺乏一定的準確性。因此，今后我們應該針對人工林土壤表層和深層土壤碳庫進行全面的研究，為科學準確評價碳儲量提供科學依據。

（3）當今，關于人工林經營措施對土壤碳庫的影響主要集中在對總有機碳儲量變化方面，而對土壤活性有機碳庫（水溶性有機碳、微生物量碳、易氧化碳等）影響還比較缺乏，特別是土壤各形態碳含量及結構變化的系統性研究很少見到；同時，人工林經營措施對土壤溫室氣體的影響，大多數研究集中在對CO2排放（土壤呼吸）的研究，而對N2O和CH4排放的研究還不多；此外，人工林土壤碳庫和土壤溫室氣體系統性的研究還比較匱乏，這對我們全面評價人工林土壤碳庫變化及綜合溫室效應造成了很大難度。因此，今后我們應該針對人工林土壤各形態碳含量及結構（特別是活性有機碳）和溫室氣體排放（CO2、N2O和CH4）做更全面更系統更深入研究。

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