经营措施影响森林土壤碳库和温室气体排放的研究进展

张蛟蛟，李永夫*，姜培坤，周国模，刘 娟

（1.浙江农林大学 浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室，浙江 临安 311300；2.浙江农林大学 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地，浙江 临安 311300）

全球气候正在变暖的事实已不容置疑，如何减缓与适应全球气候变化已成为当今研究的焦点。CO2、N2O和CH4是引起全球气候变暖重要的温室气体，大气中CO2、N2O和CH4浓度每年分别以0.5%、0.3%和0.8%的速度不断递增[1]。土壤不仅是CO2和CH4排放重要的源和汇，也是N2O排放重要的源[2]。全球土壤碳储量为1 500 Pg C，是大气中碳储量的 2倍[3]。全球每年土壤CO2排放量达 68 ～ 75 Pg C，占大气与陆地生态系统交换碳总量的25%[3～4]。同时，森林土壤是陆地生态系统中最大的碳贮存库，维持着全球植被碳库的86%和土壤碳库的73%[5～6]。因此，森林土壤碳库很小的变化都会引起大气中CO2浓度的较大变动[7]。人工林经营措施，如施肥、土地利用变化、林下植被管理等，认为是提高人工林生产力的重要途径[7]，然而森林经营措施对土壤有机碳库和温室气体排放的影响还存在很大的差异[7～8]，进而造成对人工林生态系统的固碳潜力评估存在较大的不确定性[9～10]。为了深入了解人工林经营措施对土壤碳库和温室气体排放影响机制，本文对不同经营措施对土壤碳库和碳循环的影响进行了阐述，初步揭示人工经营措施在土壤碳循环和气候变化中的作用和机制，并对人工林地土壤碳循环进行了研究展望。

1 经营措施对森林土壤碳库的影响

1.1 施肥对森林土壤有机碳库的影响

施肥是人工林经营最重要的手段之一[7～8,11]。大量的研究表明[12～14]，施肥和耕作可以显著改变土壤有机碳储量。一般而言，施用有机肥由于有机碳直接输入土壤，进而增加土壤有机碳库[15～16]。然而，施用化肥对土壤有机碳库增加、降低或没有影响的报道都有见到[12～13,17]。如Mancinelli等[12]和Liu等[18]研究表明，施用无机肥可显著减少土壤中有机碳含量，主要是因为无机肥施加可以加快土壤有机质的分解。然而，Gong等[13]报道，施用无机肥可明显增加有机碳含量，主要是因为无机肥可以提高森林生产力，加快作物生长，进而产生更多的凋落物输入到土壤中，而作物残渣和凋落物中含有大量的有机碳输入土壤。同时，无机肥施加对土壤碳储量的影响还受到植被类型、土壤类型、施肥方式及用量、以及持续施肥的时间等因素的影响[8,14]。因此，施用无机肥对土壤有机碳的影响主要取决于土壤有机碳分解速率和土壤有机碳（包括作物残渣和凋落物输入）增加之间的平衡。

近些年，随着学者们对森林土壤有机碳认识的不断加深，经营措施（特别是施肥）对森林土壤活性碳库的影响的报道也有见到，但经营措施对土壤活性有机碳的影响还没有统一的结论[11,19]。如Li等[11]报道，雷竹林地中土壤水溶性有机碳（WSOC）、热水溶性碳（HWSOC）和易氧化碳（ROC）随着集约化经营的时间的持续而增加，而微生物量碳则表现为先增加后降低的趋势。姜培坤等[20]在板栗林地中的研究结果表明施用有机肥可以显著增加WSOC和MBC的含量，并随着有机肥用量的增加土壤活性有机碳含量增加，而单施化肥对土壤活性有机碳含量没有显著增加甚至反而降低的可能。这说明施肥对森林土壤活性有机碳的影响会因肥料种类和施肥量、施肥时间和方式和植被类型等的差异产生不同的影响。

1.2 林下植被管理对森林土壤有机碳库的影响

现今，林下植被管理已成为人工林经营管理的重要手段之一[21]。林下植被是森林生态系统中重要的组成部分[22～23]，不同林下植被管理（如去除林下植被、去除凋落物以及种植绿肥等）都会对土壤性质以及土壤碳库产生显著地影响，但影响存在很大的差异性[22,24～30]。一般而言，去除林下植被（或除草）可以显著减少土壤有机碳含量，而林下增加固氮植物（绿肥）可以增加土壤有机碳含量[24～25]。这主要是因为去除林下植被可以提高土壤温度和通气性，进而加快有机物质的矿化分解；而增加固氮植物（绿肥）不仅可以增加作物生产力和根系生物量，进而增加凋落物输入到土壤中，增加有机碳储量[24～26]。然而，也有研究发现去除林下植被没有显著影响土壤基本性质如全氮和有机碳含量[30～31]，但去除地上所有植被会对土壤有机碳产生一定的影响[30]。这可能是因为去除林下植被对土壤有机碳的影响会因林下植被种类，林下土壤特性以及去除植被强度等的不同产生差异。另外，徐秋芳等[29]和姜培坤等[28]在板栗林中的研究表明，除草对土壤活性有机碳库（WSOC和MBC）的影响会随着除草方式的不同而不同[29]；种植绿肥可以增加土壤活性有机碳库，且种植绿肥之间没有显著差异[28]。同时，李海防等[24～25]发现，去除林下植被一定程度改善了土壤微生物生存条件，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对土壤MBC没有显著影响。因此，林下植被管理对土壤碳库的影响是多因素共同的结果（如植被类型、土壤类型、管理方式和气候等），最终影响结果也会有所差异。

1.3 土地利用方式改变对森林土壤有机碳库的影响

土地利用方式改变（LUCC）是重要的人为活动之一，也是土壤碳平衡和碳循环的重要驱动因子[32]。大量的研究表明，土地利用方式改变可以显著影响陆地生态系统中土壤有机碳储量和碳循环[32～35]。一般认为，从林地转变为农田土壤或草原土壤均会造成土壤有机碳储量的下降，而农田或草地恢复为林地时会提高土壤有机碳储量[35～37]。如Zhang等[37]研究发现，当水稻田转变为竹林可以增加土壤SOC和TN储量。然而，Peichl等[38]研究却发现恢复造林对土壤有机碳库和总氮库没有显著影响。Dube等[39]发现，自然草原转变为森林时，土壤表层（0 ～10 cm）有机碳储量降低了44%。此外，Gamboa等[35]也发现林地转变为农田时降低了土壤碳密度，但土壤有机碳储量只在山麓地带有所降低，在其他地带均没有显著影响。Arevalo等[40]研究发现，当农田转变为白杨林时，土壤有机碳最初2 a表现为碳释放源，然后再表现为土壤碳汇。这些结果的差异性主要是因为土地利用变化对有机碳储量的影响会受到土壤类型、微气候环境、作物种类，经营方式以及土地利用持续时间的影响变化产生差异[36,40]。

1.4 其他经营措施对森林土壤有机碳库的影响

近些年，耕作对森林土壤有机碳库的影响越来越受到关注。一般而言，免耕可以增加有机碳储量[41]，而耕作可以减少有机碳储量[42]。Li等[11]研究发现雷竹林中土壤表面进行有机秸秆覆盖可以显著增加土壤有机碳含量。此外，闫美芳等[43]报道，森林采伐、间伐和轮伐等都会造成人工林生物碳库的下降，改变人工林林下土壤微生物结构、土壤结构及水热条件，最终促进土壤有机质的分解，进而影响人工林地土壤碳汇功能。

此外，人工林经营（集约化经营）往往不是单独一种措施，而是多种经营措施配合进行，如施肥、除草等都会伴随着耕作措施。因此，人工经营对土壤有机碳库的影响非常复杂，而且土壤有机碳库的变化是多种因素（包括自然因素和人为因素）综合影响的结果，这对我们准确评估人工林土壤碳汇带来一定的难度。在今后的研究中，如何准确评估土壤有机碳库变化还有待于进一步研究。

2 经营措施对森林土壤温室气体排放的影响

2.1 施肥对森林土壤温室气体排放的影响

施肥不仅是人工林管理重要的手段之一，也是影响土壤温室气体排放的重要因素[44～45]。一般认为，人工林施肥可以增加土壤温室气体排放，如Deng等[45]和Iqbal等[46]在亚热带森林的研究报道，施用氮肥可以显著增加土壤CO2的排放；Tu等[47]在集约化毛竹林中的研究结果表明，N肥施用对土壤肥力、微生物活性、地上凋落物的数量和质量都有显著提高，进而了土壤产生CO2的微生物过程，导致土壤CO2排放增加；Zhang等[48]研究表明常绿阔叶林中N增加后土壤N2O排放显著提高；Cao等[49]、Zhang等[50]和Fender等[51]研究发现，施肥对森林土壤CH4吸收有明显的抑制作用。这主要是因为：一方面：施肥可以为土壤微生物提供充足的营养，加快土壤微生物的繁殖生长，进而微生物分解有机质的速度加快，产生更多的温室气体排放[48]；另一方面，一般都是施肥和耕作共同进行，改善了土壤通气性状况，有机物质矿化加快，CO2和N2O排放增加；此外，施肥可以促进植物根系生长，进而根系呼吸增加，消耗氧气，造成反硝化作用加强[52]。但施肥对森林土壤温室气体排放减少或没有影响报道也有[44,48,53]。如Mo等[44]在亚热带森林的研究发现，施加氮肥可以导致土壤呼吸速率减弱，CO2排放减少；Jassal等[52]研究发现，在杉木林中施肥后第1年和第2年对土壤N2O排放存在着一定的差异。Zhang等[53]在扰动林地中却发现施加无机氮肥对土壤CH4氧化的抑制没有显著影响。造成这些结果的差异性主要是施肥对土壤温室气体排放的影响原因比较复杂，会受到诸多因素如微气候环境、植被类型、微生物活性，肥料类型与施肥量等因素的显著影响[44,46,54～55]。

2.2 林下植被管理对森林土壤温室气体排放的影响

林下植被管理已成为人工林经营管理的重要手段之一[21]，而且林下植被管理对土壤温室气体的影响已经受到广泛关注[23～25]，但至今没有统一的结论。如李海防等[24～25]对尾叶桉林和马占相思林的研究表明，剔除林下灌草和种植固氮植物均可以增加土壤CO2和N2O排放，但剔除林下灌草和种植固氮植物处理下土壤CH4分别表现为CH4库和CH4排放源。这主要是因为去除林下植被土壤温度升高和水分减少，加快了土壤中有机物质的矿化分解，进而土壤CO2排放和N2O增加[24～25]；同时，去除林下植被可以增加土壤的通气性，有利于甲烷氧化菌活动，造成CH4吸收增加（排放减少）；而种植固氮植物可以增加林下土壤的根系生物量，进而呼吸作用加强，最终导致总呼吸提高[21,25]；此外，种植绿肥可以增加土壤中总有机碳和各种形态氮的含量，进而为N2O产生提供条件，抑制CH4的产生[25～26]。然而，Wang等[21]也发现，去除林下植被相比对照土壤年呼吸减少了 6%。Li等[27]在华南 4种不同林地中的试验发现，去除林下植被对土壤N2O排放均没有显著地影响，而种植固氮植物对N2O排放会随着林分的不同而不同。Li等[26]报道，植被类型会影响土壤中CH4的排放，添加翅荚决明在尾叶桉林和合欢林中可以增加CH4排放，在混交林中可以减少CH4排放。这些差异可能是由于林下植被种类的不同以及凋落物不同，林下植被增加或去除对林下土壤中根系生长以及微生物结构改变的影响存在一定的差异性[21～22,30]，进而对土壤温室气体排放的影响产生一定的差异。

2.3 土地利用方式改变对森林土壤温室气体排放的影响

土地利用方式改变是引起土壤温室气体排放的重要人为活动，如农田转变为林地、草地转变为林地以及林地转变为农田或草地等都会对土壤温室气体的排放产生不同的影响[36]。一般认为，土地利用方式从林地转变为农田土壤温室气体排放增加，从农田转变为林地生态系统土壤CO2排放量降低[56～59]。如Iqbal等[56]在亚热带地区不同土地利用方式研究发现，水稻田土壤排放明显高于果园和林地土壤中CO2的排放量；Inubushi等[58]在热带地区的研究也发现，水稻田中土壤CO2排放显著高于次生林土壤CO2的排放；Adolfo Campos等[60]在热带地区的研究表明，土地利用方式从云杉转变为玉米—土豆—玉米轮作耕地或草地生态系统，都会导致土壤表层CO2排放显著增加。农田或其他耕地中比森林土壤CO2排放较高的原因可能是：一方面，农田或其他耕作系统受到更多人为活动（如耕作、施肥和收获等）的干扰，这会降低土壤结构的稳定性，促进有机质分解，最终导致水稻田土壤CO2排放显著增高[7]；另一方面，在稻田中土壤CO2排放较高可能是由于稻田干湿交替频繁，会引起土壤有机质矿化分解作用，进而土壤CO2排放增加[61]；另外，在农田或草地中，与森林生态系统相比，土壤表层更容易接触到光照，土壤温度高，同时耕作可以增加土壤通气性，造成土壤有机物质分解加快[58]。

然而，土地利用方式转变形式非常多样，而且土壤温室气体排放还会受到试验立地条件、微气候因素、土壤类型和人工经营措施多种因素的影响，进而导致对土壤温室气体排放的影响存在很大的差异[57,62]。如Don等研究表明，土地利用方式从天然林地转变为农田、多年生作物耕地、草地和次生林，土壤有机碳分别下降了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，这主要是由于微生物碳和可溶性有机碳氮的不同，进而影响土壤CO2排放。Zona等[64]在农田改为白杨林的研究中发现，在最初农田转变为白杨林的6个月，土壤中均有大量的CO2、CH4和N2O排放，同时，第1年土壤表现为CO2净排放，但第2年表现为CO2净吸收。也有研究表明，土地利用方式从天然林转变为次生林年土壤呼吸降低了32%，转变为人工林降低了46% ～ 48%，转变为果园降低了63%，转变为耕地降低了50%[57]。Saurette等[65]等发现，农田转变为白杨林，在短期内，土壤呼吸没有明显的变化。Inubushi等[58]在热带泥炭地土地方式利用方式改变变化对温室气体影响的研究发现，从次生林转变为水稻田可以增加土壤CO2的排放和CH4排放，而从次生林转变为山地，土壤CO2和CH4排放减少，但N2O排放没有明显的固定变化趋势。因此，土地利用方式改变对土壤温室气体的影响还难以量化，这要求我们今后对土地利用引起温室气体改变方面作更进一步深入研究。

2.4 其他经营措施对森林土壤温室气体排放的影响

研究表明，不同人为压实对人工林土壤CO2排放也有着显著减少作用，这主要是因为人工压实改变了土壤物理结构，土壤容重增加，孔隙度减少，进而通气和透水性减弱，不利于土壤有机物质分解，最终土壤CO2排放降低[66]。Jiang等[67～68]发现竹林林下进行秸秆覆盖可以增加土壤呼吸，这主要是由于秸秆覆盖不仅为土壤提供了外来碳源，而且可以起到保温效果，微生物活动加快，最终土壤微生物呼吸增强。孟春等[69]的研究发现，择伐对混交林地土壤呼吸也有显著地影响。

总之，长期森林经营（特别是集约化经营）对人工林土壤温室气体排放改变起到十分重要的作用，但人工林土壤碳汇功能变化的机理还不清楚，有待于进一步研究。

3 总结与展望

3.1 总结

通过阐述主要人工经营措施对土壤有机碳库和土壤温室气体影响变化，得出以下主要结论：

（1）一般而言，施肥可以显著增加土壤有机碳库，但同时也可以增加土壤温室气体排放。施肥对土壤碳循环的影响主要取决于施肥引起的有机物质输入和土壤碳释放之间的平衡关系。当土壤碳输入大于碳输出时，森林土壤表现为土壤碳汇；当土壤碳输入小于碳输出时，森林土壤表现为碳排放源。

（2）通常，去除林下植被可以提高土壤温度和减少土壤水分，进而加快有机碳的分解，最终导致土壤有机碳含量降低，土壤CO2排放增加；添加林下植被（种植绿肥、保留凋落物、覆盖秸秆等）可以增加土壤有机碳的输入，最终土壤有机碳库和土壤呼吸均会增加。

（3）土地利用方式是影响土壤碳平衡重要的人为活动。一般而言，天然林转变为其他土地利用方式（包括次生林、农田、耕地、草地等），土壤有机碳含量均会下降，土壤呼吸（土壤CO2排放）增加；同时，土地利用方式改变对土壤碳库和土壤温室气体的影响具有一定的可逆性。

（4）此外，人工林耕作、收获、砍伐、间伐等也都会对土壤碳库和土壤温室气体排放产生显著地影响。

3.2 展望

虽然先前的研究者对森林土壤碳平衡和碳循环方面已经取得了一定的成果，但仍然有许多问题需要进一步研究：

（1）人工林经营管理中，多种经营措施（如除草、去除凋落物、化肥施用、间伐等）都会降低森林生态系统土壤有机碳储量，增加土壤碳排放。因此，如何在人工林经营过程中，通过经营手段调整技术等将森林生态系统土壤有机碳损失降到最小，这是我们今后林业研究中需要解决的重要问题。

（2）前人有关人工林经营措施对土壤碳库（碳储量）的研究大多集中于表层土壤，对深层土壤碳库的研究还比较少见，这就造成我们对土壤碳储量的研究结果缺乏一定的准确性。因此，今后我们应该针对人工林土壤表层和深层土壤碳库进行全面的研究，为科学准确评价碳储量提供科学依据。

（3）当今，关于人工林经营措施对土壤碳库的影响主要集中在对总有机碳储量变化方面，而对土壤活性有机碳库（水溶性有机碳、微生物量碳、易氧化碳等）影响还比较缺乏，特别是土壤各形态碳含量及结构变化的系统性研究很少见到；同时，人工林经营措施对土壤温室气体的影响，大多数研究集中在对CO2排放（土壤呼吸）的研究，而对N2O和CH4排放的研究还不多；此外，人工林土壤碳库和土壤温室气体系统性的研究还比较匮乏，这对我们全面评价人工林土壤碳库变化及综合温室效应造成了很大难度。因此，今后我们应该针对人工林土壤各形态碳含量及结构（特别是活性有机碳）和温室气体排放（CO2、N2O和CH4）做更全面更系统更深入研究。

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