森林生态系统管理与土壤可持续固碳能力

 

陆地生态系统碳循环、碳源汇格局及其驱动机制，以及陆地生态系统的固碳潜力及其可持续性是当前国际气候变化科学界广泛关注的前沿科学问题。目前，国际上关于生态系统碳固持潜力及其维持机制认识明显不足，尤其是对土壤系统的关键碳过程及其稳定性变化，导致陆地生态系统碳汇潜力的评估结果存在着极大的不确定性。因此，迫切需要深入开展陆地生态系统碳循环机制、关键过程和碳源汇格局及其驱动力机制的研究，藉以增强对全球气候变化和生态系统管理对陆地生态系统固碳潜力及其不确定性的科学认识。

过去几十年，生态学家们在全球范围内针对气候变化、土地利用对碳循环时空动态的影响开展了大量的研究，认为陆地生态系统在调节全球碳平衡和减缓全球气候变化中起着重要作用。20世纪80—90年代，全球陆地生态系统每年净吸收1—4Pg (1Pg =1015g)的碳，这抵消掉了约10%—60%的化石燃料燃烧释放的碳。但仍不能确切解释碳排放与碳吸收的收支不平衡的现象，这中间存在一个巨大的未知汇。陆地生态系统碳汇的时空分布及其不确定性，主要缘于陆地生态系统类型的多样性、结构复杂性、时空分布的异质性，以及陆地生态系统和气候变化之间相互作用的关系复杂性和人类活动对陆地生态系统的干扰，还有碳储量、碳汇的监测与评估的方法学等等，造成了陆地生态系统碳汇及其变化的不确定性。关于陆地生态系统最大碳汇的阈值尚未科学定论。经典生态学理论认为与非成熟森林相比，成熟森林作为碳汇的功能较弱，甚至接近于零，“成熟森林碳循环趋于平衡”是现今大量生态学模型的基础。而我国中科院华南植物园周国逸博士研究团队通过25年持续观测, 发表在2006年《科学》杂志的研究成果，揭示我国南亚热带成熟的老林龄在1979－2003年SOM浓度平均每年增加0.035%，SOM储量增加0.61吨/年/公顷，即成熟森林土壤可持续积累有机碳。国际著名期刊《科学》和《自然》认为该研究奠定了成熟森林作为新的碳汇的理论基础，有力地冲击了成熟森林土壤有机碳平衡理论的传统观念，将从根本上改变学术界对现有生态系统碳循环过程的看法。这一发现有可能将从根本上颠覆学术界对现有生态系统碳循环过程的理论，对全球碳循环研究产生深远影响。

北京大学城市与环境学院朴世龙与方精云研究小组及合作者在2009年《自然》杂志上发表的研究成果，采用土地利用和资源清查数据、大气CO2浓度观测数据、遥感数据以及气象数据，并结合大气反演模型和基于过程的生态系统碳循环模型，综合研究了中国陆地碳汇/源的时空格局及其机制，得出中国陆地生态系统是个碳汇。但是，我国中高纬度的北方地区并不是陆地碳汇，而陆地碳汇却发现主要分布在南部，主要缘于大规模造林和灌丛植被的恢复重建形成的碳汇。这一结论与国际社会普遍认为北半球中高纬度地区是陆地生态系统的碳汇的结论并不一致，再次表明了陆地生态系统碳汇的时空变异性及不确定性。

上述两项标志性的研究成果，显示出我国生态学研究对全球变化科学的贡献，科学阐述了中国陆地生态系统在中国乃至全球碳平衡中的巨大作用，也得到了国际社会的普遍赞誉。中国还将继续推进生态建设和加强陆地生态系统的有效管理，以扩大和增强陆地生态系统的碳汇潜力。在中国应对气候变化的国家方案中，确定了继续实施林业生态建设工程，扩大森林面积，力争实现森林碳汇数量比2005年增加约0.5亿吨二氧化碳的目标。胡锦涛主席代表中国政府在2009年联合国大会上庄严承诺，中国将在2020年前，再净增森林面积4000万公顷，增加林木蓄积13亿立方米，藉以实现中国对增加全球碳汇的贡献(初步估计可增加碳吸收16.25亿吨-19.5亿吨，折合二氧化碳59.26亿吨-71.12亿吨)。然而，大规模植被建设需要相应匹配的水资源支持，水资源的有效性与时空变化的异质性必然影响陆地生态系统的固碳潜力，以及产生固碳能力的不确定性。因此，区域植被建设的水、碳平衡及其调控将成为关注的核心问题。

包括IPCC报告在内的相关研究显示，陆地生态系统碳收支的最大不确定性在于土壤碳储量和变率的科学估算。Johnston et al. (2004) 发表在《生态环境前沿》的文章将土壤系统的研究面临的挑战概述为两个主要方面：1）土壤系统的结构和过程我们无法直接观察到，地上系统的研究方法（遥感方法等）无法直接应用到土壤系统；2）土壤是一个动态系统，随地下环境的改变而变化。土壤系统是由植物、微生物和动物的残体和代谢产物共同构成的一个复杂的混合体，并且土壤系统包含了固体、液体和气体三种基质。对土壤系统这个复杂的“黑箱”的各个组分分解研究的同时，它的功能也会发生变化。

土壤碳储量和动态变化的科学估算的准确性受限于研究者对关键的土壤过程理解程度和土壤系统和全球变化之间相互作用的复杂性。因此，研究者需要清楚掌握控制土壤有机碳化学性质、形成过程和稳定固持的关键机制，并且包括增加土壤固碳潜力和持续固碳能力的技术和方法。Johnston et al. (2004) 总结了当前土壤碳研究需要重视的几大关键问题：1）目前受土壤容重测定方法的限制，土壤容重测定的准确度较低，导致目前对土壤碳储量的计算误差；2）准确计算源于根系的土壤碳库需要深入了解根系生命周期的动态过程，而目前的方法尚需改进和提高；3）考虑根系、土壤微生物和土壤动物在历史过程中的协同进化效应，有助于理解当前的土壤碳循环过程；4）土壤动物是调控土壤碳动态的关键因子。需加强在全球变化背景下，土壤动物入侵对土壤碳动态影响的研究；5）随城镇化的加快和湿地面积的减少，土地利用方式的改变对土壤碳过程的影响需要考虑；6）需要获取更全面的有关全球变化造成的极端气候，如干旱、火灾和土壤侵蚀等，对土壤碳储量和碳动态产生影响的数据和信息。

基于上述陆地生态系统土壤碳关键过程和机制研究面对的挑战和问题，未来的研究需要改进现有的测定技术，如采用地面穿透雷达、激光分解波谱、13C核磁共振和热解质谱测量等土壤原位和非破坏性分析的技术和手段。综合人工调查数据、网络长期监测数据和建模等研究方法，并且整合生态学、地球化学和化学等领域的技术和资源，以减少对陆地生态系统土壤碳储量和变率的科学估算的不确定性，建立与人类经济社会发展相协调的土壤持续固碳的管理体系。

人类活动已经明显的改变了全球碳循环。森林作为陆地上最大的生态系统，在调节全球碳循环的过程中具有重要的作用。如何通过森林经营管理增强森林减缓和适应气候变化的能力是当前国际上关注的焦点。

土壤是陆地生态系统最大的碳库，土壤碳储存与释放的平衡发生微小变化即会对温室气体产生很大影响。森林保护、恢复、造林再造林等经营管理措施可以直接影响森林生物量碳库，并且能够通过改变凋落物数量和化学性质及土壤有机质分解影响土壤碳库。综合已有的研究结果，维持森林的高生产力带来的碳输入，并且避免由于土壤干扰等造成的碳释放是提高土壤碳储量和土壤持续固碳能力的有效森林经营管理方式。但是，土壤有机碳是由不同有机组分构成的高异质性混合体，结构的差异决定了性质的不同，并且碳稳定地固持在土壤中是一个漫长而又复杂的过程，关于森林经营管理对土壤固碳潜力和持续固碳能力的影响仍有很多不确定性。目前的研究较多的关注了森林生态系统管理对土壤有机碳储量的影响，而对土壤碳是否能稳定并持续的固持及其维持机制的研究较少。综合研究森林经营管理对土壤有机碳储量、化学组成及其稳定性的影响有助于更全面地评价森林生态系统的可持续固碳潜力。

我国人工林发展十分迅速，人工林面积居世界第一，已经逐渐成为世界森林资源的重要组成部分。提高人工林的碳汇功能和持续固持能力是林业减缓气候变化的重要途径之一，并在京都议定书中予以肯定。目前，国内外人工林均存在树种单一，特别是人工针叶纯林所占比例较大，生态稳定性较差和生态服务功能低等亟待解决的问题。欧洲国家近年来主要通过增加阔叶树比例和采用近自然林经营模式改造人工林藉以提高人工林的多样性和生态稳定性。世界范围内热带地区也正通过造林再造林及可持续森林管理恢复退化的土地。因而，如何通过合理的森林经营模式，包括造林树种的选择、林分抚育和采伐措施等，提高人工林的经济、社会效益并且获得最大化的固碳潜力成为国内外关注的焦点。在中国广西，我们选择了树龄25a的马尾松、红锥、火力楠和米老排4类主要的亚热带人工林类型，研究了不同造林树种对土壤碳储量，碳库稳定性和温室气体排放的影响。预期从森林土壤固碳潜力和持续固持能力考虑，为在亚热带地区筛选造林树种提供科学依据。研究结果表明：（1）不同树种对土壤碳储量的影响仅表现在土壤表层（0-10 cm）；（2）马尾松林土壤碳储量比红锥、火力楠和米老排林分别低11%、19%和18%；（3）13C核磁共振波谱显示马尾松林土壤碳的稳定性高的组分比例明显高于红锥、火力楠和米老排林；（4）马尾松林比其他三种阔叶林具有较低的土壤CO2和N2O排放速率，并且具有较高的土壤CH4吸收速率。以上结果说明红锥、火力楠和米老排3种阔叶林虽然比马尾松林有较高的土壤碳储量，但土壤碳的稳定性较低并且土壤温室气体排放较高。因此，在我国亚热带地区，从森林土壤的固碳潜力和持续固持能力考虑，马尾松等人工针叶林应该与人工阔叶林均衡发展，空间上合理配置森林类型，维持适宜的森林景观多样性，森林的经营管理需要综合考虑树种对土壤碳储量及其稳定性的影响。

很多研究表明随林龄升高，土壤表面碳通量随之改变。事实上，在研究林龄与土壤呼吸的关系时，大多数研究只测定了总的土壤呼吸通量，而较少研究区分了自氧和异氧呼吸对土壤总呼吸的贡献。然而，根呼吸占土壤呼吸的比例是不可忽视的，占到了土壤呼吸总量的10-90%。另外，目前大多数的土壤呼吸模拟模型并未分别估计土壤呼吸中的自氧和异氧组分，而近来有研究表明，土壤呼吸中自氧和异氧呼吸具有不同的温度敏感性，也就是两个组分对气候变化的响应是有差异的，因而有必要对两种组分进行区分研究。通过区分土壤呼吸不同组分，不仅可以阐明土壤呼吸随林龄的变化规律，还可以进一步阐明土壤呼吸随林龄的变化规律是由土壤呼吸中哪个组分的贡献起到了更关键的作用。因此，了解不同林龄土壤呼吸的控制因素对于估计中国森林碳收支具有重要意义。

通过暖温带地区典型群落锐齿栎年龄序列（幼林，中龄林，成熟林，过熟林）土壤自氧和异氧呼吸研究发现：1) 各林龄根系呼吸的时间变异同异氧呼吸一样，可以很好的被土壤温度所解释。但不同林龄根系呼吸的季节格局存在差异，即不同林龄间物候特征可能存在差异；2) 不同林龄土壤自氧，异氧呼吸存在显著差异。土壤总呼吸随林龄增加而增加。土壤异氧呼吸也随林龄增加而增加；3）土壤表层的轻组有机碳库很大程度上解释了土壤异氧呼吸的空间变异。我们没有发现细根生物量与根系呼吸很好的相关性，但土壤基础呼吸很大程度上依赖于细根生物量，表明根际对土壤呼吸的影响；4）异氧呼吸表面温度敏感性高于自氧呼吸，表明该地区土壤微生物呼吸对未来气候变化将更加敏感；5）林龄增加造成了成熟林和过熟林土壤毛管空隙度的降低，一定程度上解释了这两种林龄较高的土壤呼吸通量，尤其在土壤水分含量较高时解释程度更高。以上结果表明，组分分离在评价林龄对土壤呼吸影响时的重要性；该区土壤异氧呼吸对未来全球变暖响应较自氧呼吸更加敏感。

通过以上研究，了解了部分典型的森林管理模式下土壤固碳潜力和持续固碳能力的变化规律，增强了对我国陆地生态系统固碳潜力评估的不确定性的理解。但是，对我国陆地生态系统管理影响土壤碳截获的关键科学问题仍需进一步地深入探讨

专家简介：中国林业科学研究院副院长、研究员，森林生态学首席专家，博士生导师，长期从事森林生态系统与森林景观生态学研究，涉及生产力生态学、养分循环、恢复生态学、生态水文学和全球变化对森林影响机制等方面研究。国家级垮世纪学术技术带头人,国家杰出青年基金获得者。曾取得过国家科技进步二等奖二项、省部级科技进步三等奖三项，获第四届中国林业青年科技奖，主编或参编的学术专著有10部，在国内外发表学术论文120余篇。