论文部分内容阅读
通过重大林业工程的实施，中国营造了世界上面积最大的人工林，这对于增加我国陆地生态系统碳汇具有重要意义.然而，以往的研究主要集中于森林生态系统生物量固碳，而忽略了土壤碳汇对林业活动碳汇的贡献，尤其缺乏对于人工林土壤碳汇的系统研究和定量分析.土壤固碳具有有长期、稳定、成本低等优势.造林和再造林是有效的固碳措施，但造林后土壤碳库的变化是一个有争议的科学问题.增加土壤有机碳(SOC)储量是提高土壤肥力、减缓气候变化的重要途径.估算林业活动的土壤碳汇对综合评价林业活动对减缓气候变化的贡献具有重要意义.
本研究采用文献调研和野外试验方法，对造林后土壤碳汇展开系统研究.利用56篇文献数据，构建了以量化分析造林后下层SOC变化为目的的数据库，探讨表层与下层SOC变化之间的关系.以青海省林业工程为典型，采用配对采样法对乔木和灌木造林后SOC和土壤总氮(TN)变化关系进行研究.通过整合中国林业活动对SOC储量的影响，建立不同造林地区三种造林类型（农田人工造林、荒山人工造林和封育自然恢复造林）和农田种草的表层土壤(0-20 cm)SOC变化与造林年限的关系.在此基础上，结合林业统计年鉴不同省份退耕还林还草面积进行土壤碳汇估算.
本研究的主要结果为:
(1) Meta-analysis分析表明，草地造林后土壤0-10，10-20，20-40，40-60和60-80cm内SOC有降低趋势但不显著(p＞0.05），而农田造林（乔木和灌木）后能显著增加土壤0-60 cm内各层次SOC储量(p＜0.05）.造林后表层SOC变化速率与下层SOC变化速率之间存在显著的线性关系(p＜0.05）.线性回归分析表明，造林后土壤0-40，0-60和0-100 cm内SOC变化速率分别为对应的0-20 cm内SOC变化速率的1.33，1.45和1.55倍.偏相关分析表明，造林年限和起始SOC含量是决定表层和下层SOC变化的主要原因.森林土壤有机层(O horizon)对造林后土壤固碳具有重要的作用.
(2)青海野外观测试验表明，灌木造林后SOC浓度显著增加的幅度为28.4％(40-60 cm)～31.5％(0-10 cm)，表层土壤(0-20 cm)TN和C/N显著增加;灌木造林后0-60 cm内SOC和TN的累积速率分别为145.6 g C m-2yr-1和6.1 g N m-2yr-1.乔木造林后SOC浓度增加的幅度为43.0～71.4％，土壤TN浓度和C/N显著增加;土壤容重随着种植年限增加而显著降低.乔木造林后0-60 cm内SOC和TN的累积速率分别为176.5 g Cm2yr-1和10.0 g Nm-2yr-1.SOC和TN变化速率之间的关系表明，造林后SOC变化与TN变化紧密相关，其中乔木造林比灌木造林敏感(斜率差异极显著，p＜0.01).多元回归分析表明，利用造林年限和总物种数可以解释乔木造林后0-20 cm内SOC变化的75％.等质量和等体积法对于计算SOC储量变化具有显著的影响.相比等质量法，等体积法会低估造林后0-60 cm内SOC储量变化的9.7～15.8％.
(3)对1999～2011年中国退耕还林工程土壤碳汇的研究表明，到2012年为止，1999～2011年中国退耕还林工程表层(0-20 cm)土壤碳汇为199 Tg C(95％置信区间158～240 Tg C)，年均固碳速率为15.3 Tg Cyr-1.假设1999～2011年中国退耕还林工程造林和还草的面积全部保存，土壤碳汇将由2012年的199 Tg C增加至2050年的522Tg C，其中蒙新西北地区和西南地区的退耕还林工程对总土壤碳汇的贡献约占一半以上，而东北地区土壤固碳则存在很大的不确定性.
本研究的主要结论为:
(1)下层SOC是森林土壤碳汇的重要组成.忽略下层SOC变化，会严重低估造林后SOC变化.本文量化了造林对下层SOC的影响并计算农田造林和草地造林后表层和下层SOC变化转化系数.我们建议针对造林后土壤碳汇的研究，采样深度应该为60 cm并包括有机层.
(2)通过野外采样和室内实测数据，确认青海省宜林地区造林后土壤是一个显著的碳汇，其固碳强度高于以往的全球整合分析结果和中国其他地区.通过研究青海省宜林地区不同造林类型下SOC和TN储量的变化关系，我们建议采用固氮树种混交林的造林方式和灌草结合的造林方式优于乔木纯林造林和纯灌木造林.
(3)中国退耕还林工程的土壤碳汇约为199 Tg C，约为植被生物量固碳的37％，是一个不可忽略的碳汇.
(4)试验数据来源、有机层的缺失、采样深度不统一以及取样站点空间分布不合理是影响本研究结果准确性的主要原因.