人工林土壤碳库及其影响因素

罗 红 吴建普 普布顿珠 朱雪林*

(1.贵州省林业科学研究院 贵阳 550005；2.西藏自治区林业调查规划研究院 拉萨 850000)

1 引言

土壤碳库是指储存在土壤中的碳，由有机碳和无机碳组成。土壤有机碳(Soil organic carbon, SOC)是土壤碳库的主要部分和研究重点。土壤固碳指减少土壤中碳的释放，将大气中的碳固定到土壤中，取决于土壤碳素输入和输出对比，通常借助土壤有机碳的含量和变化量来评估碳库动态和固碳能力[1]。SOC是陆地碳库的最大碳库，至少是大气、植被碳库的3倍[2]。森林生态系统的固碳水平由其碳收支状况决定，与全球碳循环关系密切，而造林形成的人工林是世界森林的重要组成部分。造林是人类改变土地用途，以获得林木产品、改善环境、保护自然的一种行为，是全球土地利用覆盖/变化的驱动之一，也是获得碳排放权的一种途径[3]。因而造林对碳库的影响备受关注，是人类缓解气候变暖，抵消碳源的重要措施。虽然在局域尺度上来看造林对土壤碳库的影响较小，但从全球尺度来看，当有足够的土地可转化时，造林将会对全球碳收支产生显著影响[4]，特别是在农地和荒地上的造林使土壤表层碳库显著增加[5～7]。

2 森林土壤碳库

森林生态系统的土壤碳库高于植被碳库。全球森林植被及其土壤的碳储量分别为359Gt、787Gt(1Gt=109t)，是早期最受公认的针对全球森林土壤碳库容量的研究[8]。从全球尺度来看，不同纬度所形成的气候带具有典型代表性的森林植被。全球森林土壤碳库的大小虽存差异，一般北方(寒带)森林土壤碳库最大，其次是热带(季)森林(雨林)，均高于温带森林[9]。洲际划分上，全球森林土壤碳库数欧洲和北美最大，森林土壤碳密度则数欧洲和亚洲最大[10]。国内吴仲民等最早测算出海南典型热带森林SOC储量在97.10～119.54t/hm2间[11]。中国各森林类型土壤碳储量在44～264t/hm2之间，天然林一般高于天然次生林和人工林[12]。中国森林生态系统土壤碳库为21.02～23.82Gt之间[13～14]，约为中国森林总碳储量的74.6%[13]。合理评价森林土壤碳库，分析其收支平衡，才能掌握森林土壤所发挥的碳汇或碳源作用。

3 人工林土壤固碳

世界人工林面积在不断增加，我国人工林面积多年居世界第一[15]。伴随着气候变化问题的不断升级，人工林在全球碳循环及温室气体减排中发挥的作用也日益重要[16]。Post等采用整合分析方法计算出寒温带至亚热带地区造林后土壤的平均固碳速率，使得人工林土壤固碳研究实现了一定程度上的尺度推译[17]。在此以前，人工林土壤碳库研究多为小尺度或区域性研究。大尺度的人工林土壤碳库研究是对人类活动增汇减排更加全面的监测，对气候变化的预测及应对措施的制定具有重要意义。中国人工林0～40cm土层年均固碳速率为73.94g/m2•年[18]。中国退耕还林工程预计2020年年均土壤固碳速率36±13Tg/年，至2050年土壤固碳将增至1171 ± 266Tg[3]。但尚未有研究估算世界或中国人工林的土壤碳库。

4 影响人工林土壤碳库的因素

4.1 造林前土地利用类型

土地利用变化会导致地面覆盖变化及其相关联的碳储量变化[19]，碳储量的变化主要由SOC变化所引起[17, 19]。人工林前期地类是造林后SOC变化的主要因素[7]。一般而言，耕地、荒地上造林，其土壤能够固碳，而天然林、草地上造林反而造成SOC净损失[20]。SOC的净变化与前期地类积累的SOC以及造林后土壤中新输入、新分解的SOC有关。土地利用变化打破了土壤碳输入和输出的平衡，直到一个新的平衡出现[20]，这个平衡点的碳储量与之前地类的比较则形成了碳固定或碳损失。耕地向人工林的转化能使表层SOC显著增加20%[7]，中国的退耕还林工程是一个碳汇，显著增加了土壤碳储量[3]。也有基于全球尺度的研究结果指出耕地、草地向人工林的转化对土壤碳库影响不显著，森林向草地转化使土壤碳库增加最显著(680 t/hm2年)[21]，一定程度上与不同根系类型的更新周转速度或研究的土层厚度有关。土地利用类型的不同，决定了SOC储量的差异，而SOC储量的差异性主要由植被类型的差异引起。从各地类上分布的植被来看，初期地类为荒地、弃耕地、农地的植被少，其SOC积累少，而草地和天然林的SOC积累多，造林后稳定的新林分SOC与前期地类SOC储量存在差异，因而荒地、弃耕地、农地造林易土壤固碳，而草地和天然林造林易发生土壤碳损失。

4.2 造林年限

林龄会影响土壤的固碳机制[22]。多数研究认为造林后土壤碳储量初期一定时间内会减少，随后开始恢复并逐渐出现积累[23～25]，但积累并不意味着土壤碳储量超过造林前。SOC和土壤碳库变化一般保持着相同趋势，即早期SOC变化速率多为负值，导致SOC储量减少，SOC变化速率随造林年限增加逐渐接近0值，当SOC变化速率由负变正时，SOC开始出现积累，不断增加直至出现稳定平衡。有研究指出造林年限29年内的林分表层土壤碳减少，而同样邻近的200年林龄的人工林土壤碳储量非常之高，说明林分土壤碳库达到平衡点的年限可能很长[26]。从积累到平衡点的过程中，SOC可能已达到或超过造林前水平，或者直至平衡点仍未能超过造林前水平，因此导致一些研究成果在判定造林的固碳效应上出现偏差。Paul等指出造林后前5年土壤碳库减小，约30年后土壤碳储量超过之前的农业土壤[4]。Li等指出造林约30年后土壤碳库显著增加，在此之前不变或者减少[23]。有的研究中人工林土壤碳损失转为增加的林龄约在24年[27]。人工造林后土壤碳库呈现先减小后增加的趋势[25]，存在年限转换界点。既定土层一定年限内，人工造林后SOC储量与造林年限呈正相关，其中，中国退耕还林工程表现为几何增长关系[28]，>5年的人工林土壤碳库呈净增加[19]。

4.3 造林树种

造林树种对土壤碳库会产生重要影响，树种不同土壤剖面的碳积累速率和分配也会不同[29]，也会造成SOC差异显著。土壤碳库会随着种植针叶树种而减少，随种植阔叶树种而增加[4, 20]。造林后阔叶树种(硬木类，如桉树)能增加土壤碳库，而种植针叶树种(软木类，如松树)则土壤碳库不会变化(包含腐殖质层)[23]。如果不计初期地类影响，这可能与人工林阔叶树种较针叶树种其SOC积累能力更强有关[30]。有研究指出固氮树种较桉树有非常强的固碳作用[31]，种植固氮的灌木树种比乔木具有更高的土壤固碳效应[6]。固氮树种能通过固氮作用潜在增加土壤氮的有效性，改善植物生产力，增加土壤碳输入，降低土壤微生物的呼吸速率，进而加速土壤固碳、增加土壤肥力[31]。植物通过光合作用所生产净初级生产力是造林后土壤固碳的来源[28]。地表凋落物及其氮含量也有较大差异，固氮树种中差异更大[32]。凋落物中木质素含量的不同会影响微生物的分解速率[33]，分解速率越低则土壤积累的越多。与树种相关的多种因素都与土壤碳储量关系密切，树种不同影响SOC的输入量和输入土壤中物质的分解速率。

4.4 气候因子

气候条件影响着全球生物圈和碳库格局。气候因子与其他因子一起产生协同作用影响土壤碳库，高纬度地区土壤植被碳比值高于中纬度，而低纬度地区该比值最小[34]。主要通过影响植物生产力、改变土壤有机质的输入[35]以及影响微生物分解活动、改变土壤碳的输出来影响土壤固碳[36]，且温度和降雨分别正、负作用于SOC的变化速率[36]，年均降雨量较年均温对土壤碳库的影响更大[37]。高温高湿会增加分解而降低SOC储量[34]，温度会影响土壤碳周转，是影响土壤呼吸的主要因素之一[38]。而土壤有机质分解时的温度敏感性受其本身多种组分和特性所决定，且多重环境因子影响下有机质分解的温度敏感性很隐蔽，使得观测到的明显温度敏感性很少，但其本身对气候是敏感的[39]。在人工林土壤固碳的研究中普遍认为(年均)降水量具有重要影响，而(年均)温度则不显著[6]。大多数研究结果表明，造林后土壤碳的变化速率与降雨量之间呈负相关[5, 27]，年均降雨量小于一定阈值时，土壤易出现碳积累[24]，而降雨量大于一定域值后，土壤易出现碳损失[20]，该相对变化率还会受其他因素影响而不断变化。

4.5 土壤性质

造林后影响土壤固碳且与土壤性质有关的因素研究多为土壤质地。一般而言，SOC随粉粒和粘粒含量的增加而增加[40]。粉粒和粘粒组成能够保护SOC免受分解，一方面：粘质矿物颗粒表面吸附能力强，且带有金属氧化物等形式正离子(以Al、Fe为代表)，而土壤有机质带负电，两者通过配位体置换、高价离子键桥、范德华力和络合作用等方式形成由化学键连接的稳定复合体[41]，使其具有粘质表层，起到化学保护作用；另一方面：在土壤动物、微生物的参与下粘质矿物颗粒与SOC大分子物质形成有机-无机复合体形式的微团聚体结构，对SOC起到物理保护作用[42]。自然生态系统中SOC随粘粒含量增加而增加[43]。造林后表层(<30cm)土壤中，土壤碳储量随粘粒含量增高而增加，从长期来看粘质土壤固碳潜力更大[4]。造林后人工林表层SOC在低粘粒组成的土壤中损失更显著[44]。草地造林后高粘粒含量的土壤中碳损失更低[45]。粘土较粗质土造林地，粘粒含量越高，其SOC积累更多[30]，粘粒含量和SOC有正效应[24]。但Bárcena等研究的粗质地、火山土、细质土人工林地(北欧)，与大多数研究结果相反[7]，可见造林后土壤质地对SOC影响的方向多变。其他土壤特性如粘土矿物类型、微生物、pH、土壤容重、物理结构及其养分状况等均会影响SOC积累，探究这些因素在造林中对SOC影响的研究则相对较少。

4.6 经营管理措施

人工林经营管理措施可通过改变林地的温度、水分、养分和土壤结构，来影响土壤有机碳储量和土壤呼吸等碳循环过程，是影响人工林土壤碳平衡的重要因素[16]。经营管理措施包括整地、灌溉、施肥、收获等。整地破坏土壤结构和土壤团聚体，使土壤透气性加强，加速了微生物对土壤有机质的分解活动，从而造成土壤碳损失[17]。特别是造林初期，凋落物的输入无法抵消土壤干扰造成的损失，土壤碳呈下降趋势[29]。免耕有益于SOC的积累[46]，整地加速土壤呼吸进而影响土壤碳储量，第一年最显著[47]。灌溉措施可显著改变土壤湿度和温度，土壤呼吸会随着土壤湿度的降低而减弱[48]，在一定范围内，适度灌溉会增加土壤呼吸，不利于土壤固碳[49]。而土壤含水量低于萎焉系数或高于最大田间持水量时，土壤呼吸明显降低[16]，不利于植物和微生物生长。目前还没有研究明确指出灌溉对人工林土壤碳库的影响。施肥能够增加植物生产力，从而提高土壤碳的输入[50]，但也会加速土壤呼吸[51]，加速有机碳分解。不同施肥程度对土壤固碳总效应差异不大[52]，而施肥效应在不同的树种间变化很大[53]。施肥能增加地表凋落物量，但有研究指出地下总碳反而低于未施肥地[54]。农业研究曾表明，长期的施肥加上保留植物残茬仍无法避免土壤碳损失[55]，而也有研究指出施肥能增加土壤固碳[56]。目前为止，施肥对人工林土壤的固碳影响仍无定论[29]。收获是常见的人工林经营手段。森林收获对土壤碳储量的影响不大且取决于收获方式，不同收获方式对后续生长的生物量有较大影响，而对土壤碳的影响微弱[57]。温带森林的收获会使得土壤碳降低8%，但主要影响地被层，矿质土壤层的土壤总碳储量变化不显著[58]。也有研究指出收获会造成土壤呼吸加速形成大量的土壤碳损失[59]，而择伐(类似疏伐)相对皆伐能大大降低土壤碳损失，延长轮伐期有利于人工林土壤的碳积累[29]。大限度的收获较无清桩、清场方式的收获造成后续土壤碳储量更低，差异也主要在有机质层，矿质土壤层无变化[60]。可见收获后生物量的移除量对土壤碳有一定影响。

5 总结或结论

总结各项研究结果：在耕地、荒地、农地造林，其土壤碳库增加，天然林、草地造林反而造成土壤碳库损失；造林后土壤碳储量初期一定时间内会减少，随后开始恢复并逐渐积累，但并不意味着超过造林前；人工林中阔叶树较针叶树的土壤碳库积累能力更强，树种的凋落物分解速率越低则土壤积累越多；森林土壤碳库存在显著的气候带差异，高纬度地区土壤植被碳比值高于中纬度，而低纬度地区该比值最小；既定降水条件下，土壤碳库会随着温度的降低而升高，年均降雨量较年均温对土壤碳库的影响更大，高温、高湿气候因子会降低碳库储量；土壤特性如粘土矿物类型、物理结构、pH值、土壤容重、养分状况、微生物等均会影响SOC的积累；虽然经营管理措施是人工林土壤碳平衡的重要因素，但不确定整地、施肥、灌溉、收获等影响因子在某一特定研究中影响土壤碳库变化的主导性。一般至研究节点时，土壤碳已经历多项因素错综复杂的影响，人工林土壤是固碳或损失碳是各项因子相互作用的结果。经营措施影响的不确定性较其他影响因子更大。整地干扰造成的造林初期土壤碳储量减少是造林后土壤碳库变化的重要因素。

造林对SOC的影响是一个复杂的生物-物理过程，上升到一定空间尺度才能形成变化规律，经历一定年限才能形成时间规律，且影响因素各种各样，部分影响因素存在尺度效应，具有一定区域特征。只有加强对不同影响因子的认识，加强对不同区域的研究，才能科学认识不同区域、国家尺度乃至世界尺度的变化。