不同森林经营模式下亚热带森林土壤有机碳损失差异.pdf
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1、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
2、.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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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()
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