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人工造林是是吸收CO2、减缓气候变暖最有效且最具生态效应的碳增汇方法，也是我国林业、生态工程的一项重要措施。南方红壤丘陵区是我国主要的人工林区，亦是我国仅次于黄土高原的“红色荒漠”水土流失严重区，江西省于20世纪80年代初开始的山江湖工程是生态恢复、红壤丘陵综合开发治理和可持续发展模式的成功典范。本研究选择江西省作为南方红壤丘陵区的典型代表，围绕人工林碳汇功能年际变化及人工造林这类土地利用变化的生态效应这个前沿的科学问题，综合应用树轮生态、地面调查、模型模拟、遥感分析、尺度扩展和GIS等方法，基于树木年轮信息、森林清查资料、区域碳通量模型和区域气候模式结果，从样地(点)到样带(带)再到省区(区域)的尺度扩展，探讨了人工林生态系统生产力和碳蓄积估算的新方法，从多尺度分析人工林生产力和碳蓄积的时空变化规律、未来碳汇潜力以及冰雪冻害、森林火灾等自然灾害和人类活动对森林特别是人工林碳蓄积的影响，形成适合我国人工林碳蓄积时空动态估算的技术体系。试图刻画主要造林树种的林分生长曲线和林龄与净初级生产力的关系，解决在区域尺度上用模型方法并考虑林龄和干扰来刻画人工林生产力和碳蓄积过程的问题，同时根据不同生长曲线和造林行为分析森林的碳汇潜力，综合评估南方红壤丘陵区土地利用变化特别是人工造林的生态效应以及生态恢复重建工程的成效，有利于研究人工造林这类土地利用变化的生态效应，有利于准确估算我国人工林生态系统的碳汇潜力，有利于评估生态恢复重建工程的生态成效。
研究得出：
(1)人工林初级生产力是决定森林生态系统碳蓄积的一个关键特征。通过树木年轮信息模拟的南方红壤丘陵区主要人工造林树种马尾松、湿地松和杉木的净初级生产力随林龄增加先急剧升高，分别于10a、10a和11a达到生艮顶峰(约1058、901.09和1305.67 g m-2y-1)，而后下降至42a、42a和40a达到稳定的生产力水平(约87.2、156.0和33.0 g m-2y-1)。基于森林资源清查样方数据拟合的林分蓄积生长曲线结果表明，Richards方程拟合的马尾松和Gompertz方程的杉木林分蓄积生长曲线具有最高精度；海拔越高，马尾松林分蓄积越低，杉木林分蓄积越高；拟合的马尾松和杉木净初级生产力随林龄增大先快速增加后缓慢降低，达到生长顶峰的时间分别是16a和18a。
(2)江两省的森林覆盖率虽从最低的26.98％升至目前的60.05％.但由于森林以天然残次林和人工中幼龄林为主，导致林分单位蓄积量特别是人工林单位蓄积量偏低。基于树木年轮信息和单木年际生长模型(TGTRing)模拟的千烟洲人工林和碳蓄积过程表明，马尾松年碳蓄积量在林分年龄18a左右开始增长速率放慢，杉木和湿地松年碳蓄积增长速率在林分年龄15a左右开始减少。基于区域碳模型(InTEC)模拟得出，江西省自1959年开始，森林年平均净初级生产力和年际碳蓄积净增量先呈波动下降而后急剧上升，人工林生态系统净初级生产力和碳蓄积过程自1980年开始有一个下降的过程，而后缓慢增加。江西省从1980年前的碳源转变为弱碳汇和目前的较强碳汇，受2008年初冰雪冻害影响，碳汇功能急剧下降。降水在1520-1750mm范围内影响NPP，而温度的影响较小；海拔造成的碳蓄积差异最大，500-700m的NPP年平均值最高，为622.15 g Cm-2y-1；树种差异而言，杉木林和阔叶类具有最高的NPP；人工造林和飞播造林的NPP逐年增加，而封山育林的逐年减少；荒山造林后的NPP持续增加，而耕地、草地和水域上造林后NPP先减少再增加。利用树木年轮估算值和千烟洲站的NEP观测值对模拟结果进行验证得出，模型模拟的碳蓄积年净增量一致性较NEP模拟值低。
(3)森林干扰通过直接碳释放和间接碳转移改变林龄从而影响森林的碳蓄积。就极端森林干扰而言，异常增温和强降温过程以及四次超强降水过程是造成2008年初森林冰雪冻害的主要气象因素。树木折损类型以中龄人工林的中、重度折冠和极重度折干为主，主要发生在海拔500m以F、坡度16-25°的区域。材质疏松、割脂和地形等因素导致湿地松受害最重，以极重度折冠和倒伏为主；材质较硬的杉木以折冠为主。此次灾害造成江西省森林生态系统生物量损失约为104.854 Tg，活生物量碳损失约为52.578 TgC，占江西全省植被碳库的27.02％，其中约19.576 TgC转入木质林产品碳库，11.281 TgC进入枯枝落叶碳库，马尾松、湿地松和杉木的活生物量碳损失分别约9.637、14.527和6.694 TgC。森林火灾是江西省最常见的森林干扰之一，近58a年均发生森林火灾762次、年均过火面积1.578×104 ha；基于统计数据、遥感产品和入户调查等发现，林火发生的三个最主要原因是烧荒烧炭、上坟烧纸和野外吸烟。江西省1950-2007年森林火灾导致的森林生物量总损失约61.155Tg，活生物量碳库损失约30.993 TgC，占江西全省植被碳库的15.92％。20世纪70年代之前的林火生物量碳损失约占总碳损失的74.3％，90年代以后，年均林火生物量碳损失小于0.097 TgC。森林火灾释放的CO2、CH4和CO气体分别约为5.408 Tg、0.047 Tg和0.486 Tg，导致22.436 TgC活生物量碳进入土壤碳库。入户调查分析得出，江西省农户的造林积极性较为被动，其造林方式极大地影响人工林的碳蓄积过程，而经营管理措施的影响较小。
(4)区域气候模式HadCM3模拟的B2情景下江西省2009-2099年平均气温和降水量都呈增加趋势，与前58年相比，年平均气温和年降水量将以0.032℃/y和3.974 mm/y的速率增加，2011～2020年、2041～2050年和2071～2080年将分别增温0.454、1.241、2.459℃，降水增加346.6mm、267.4mm和371.6mm。江西省2000年的新增木质林产品碳蓄积为0.56 TgC，随着对木材产品需求的日益增强，预计2050年的木材产量约9.47×107m3，新增木质林产品碳蓄积将是2000年的46.8倍。2005年开始的新增森林和2005-2050年规划造林在2010年的碳汇潜力为0.994 TgC，2020年为1.65(考虑轮伐期)～2.56 TgC(不考虑轮伐期)，2050年5.62(考虑轮伐期)～10.35 TgC(不考虑轮伐期)。仅考虑森林生长、更新以及森林火灾和采伐的情景下，江西省现存森林2010、2020和2050年的碳汇潜力分别为135.55、177.72、274.59 TgC，加强森林经营管理以提高森林生长的新增碳蓄积应该作为江西省森林碳管理的重点。