【人工林固碳增匯研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述5700字】

人工林固碳增匯研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1人工林提質(zhì)措施對(duì)人工林碳匯的影響研究由于溫室氣體排放引起的全球氣候變化，是當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)面臨的主要威脅之一。森林作為緩解全球氣候變化的重要措施之一，引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。目前人工林提供碳匯是指人工林生態(tài)系統(tǒng)吸收大氣中的二氧化碳并將其固定在植被和土壤中，從而降低大氣中二氧化碳濃度的過程，這相當(dāng)于減少了二氧化碳排放以更好發(fā)揮生態(tài)功能為目的常見的人工林提質(zhì)措施有森林撫育、林木改造、采伐更新、護(hù)林防火等。撫育間伐作為一項(xiàng)重要的經(jīng)營措施，在一定程度上能降低林分密度、改善光照與水分條件，同時(shí)有效調(diào)整森林結(jié)構(gòu)，影響森林植被生物量的變化，而碳儲(chǔ)量的變化則主要體現(xiàn)在生物量的變化上。蘭秀（2019）采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法描繪了植被碳密度空間分布，并利用主成分分析方法和回歸分析方法分析了植被碳儲(chǔ)量的影響因素，發(fā)現(xiàn)林分密度是影響植被碳儲(chǔ)量的主控因子之一，可知撫育間伐后林分密度的改變對(duì)于森林碳儲(chǔ)量的影響作用不可忽視。朱元金等（2010）對(duì)三江平原丘陵區(qū)佳木斯市孟家崗林場(chǎng)的長白落葉松進(jìn)行間伐，研究5.8%—23.8%的3—4次中、低強(qiáng)度撫育間伐至成熟林時(shí)能夠維持高的活立木生物量碳、生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和林分累計(jì)固碳量。近年來各地政府大力推進(jìn)了退耕還林和植樹造林計(jì)劃的實(shí)施，雖然實(shí)現(xiàn)了碳匯的快速增長，但在森林和水資源的平衡問題上卻出現(xiàn)了不少爭議，王彥輝（2018）在研究森林增加對(duì)產(chǎn)水量影響的問題時(shí)發(fā)現(xiàn)森林面積在大量增加后，導(dǎo)致森林年均產(chǎn)流減少了59%，段亮亮等（2017）也發(fā)現(xiàn)森林的干擾會(huì)使周圍流域的平均枯水流量降低26.58%，特別是速生人工林的建設(shè)使得這類問題變得更為嚴(yán)重。但也有不少學(xué)者對(duì)此持有反對(duì)意見，孫美榮（2021）認(rèn)為森林植被的恢復(fù)能在水源涵養(yǎng)、防洪補(bǔ)枯和預(yù)防土壤侵蝕等方面起到絕對(duì)有效的作用，因此他認(rèn)為森林恢復(fù)對(duì)水資源的利用是有積極作用的。從而可以看出，人工林提質(zhì)措施對(duì)人工林碳匯的影響非常復(fù)雜，而且不同尺度的研究得出的結(jié)論往往也不相同。因此，研究人工林生態(tài)系統(tǒng)的耦合關(guān)系對(duì)于如何科學(xué)的經(jīng)營管理人工林已成為全球氣候變化下生態(tài)學(xué)研究的前沿性科學(xué)問題。1.2人工林固碳增匯的影響因素1.2.1林分特征對(duì)人工林固碳增匯的影響作為描述林分生長變化的重要指標(biāo)，林分結(jié)構(gòu)直接影響森林樹木的質(zhì)量組成和空間分布。所以，在立地條件較難改變的條件下，通過調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，能夠按照人為意愿有效的管理和調(diào)控森林功能的各種變化。眾多林分結(jié)構(gòu)因素中，林齡、優(yōu)勢(shì)度和林分密度是對(duì)森林經(jīng)營影響較大的因素，也是最基本的結(jié)構(gòu)特征。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)林分結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究一直是研究的熱點(diǎn)問題，是科學(xué)的反映林分內(nèi)部林木的更新、競(jìng)爭及自然稀疏等林分生長過程和人類活動(dòng)對(duì)林分影響程度的主要狀態(tài)指標(biāo)（寧波，2007）。林分結(jié)構(gòu)在測(cè)樹學(xué)中一般指在未受到嚴(yán)重的自然災(zāi)害破壞及人類活動(dòng)的影響，并在自然條件下經(jīng)過長時(shí)間生長、枯損、更新及演替的情況下，林分內(nèi)的各項(xiàng)特征因子如直徑、樹高、形數(shù)、年齡及樹種組成等均具有一定的數(shù)量分布狀態(tài)，且呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)規(guī)律性（孟憲，2006）。對(duì)林分結(jié)構(gòu)的研究主要包括空間和非空間結(jié)構(gòu)兩方面。林分空間結(jié)構(gòu)一般指林木在林地水平空間上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，即森林群落的組成樹種、大小及分布等空間關(guān)系（胡艷波，2003），即樹種的組成、空間分布格局及其空間配置情況，在一定程度上決定了林木之間的競(jìng)爭及其空間生態(tài)位，決定了林分的穩(wěn)定性和發(fā)展經(jīng)營的可能性（惠剛盈，2001）。吳應(yīng)建等（2019）根據(jù)林分的立地條件、發(fā)育程度，生長狀況、主導(dǎo)功能等的不同對(duì)油杉林實(shí)行差別化近自然經(jīng)營，結(jié)果表明，近自然經(jīng)營可以提高林木生長量、改良林地養(yǎng)分循環(huán)和提高水源涵養(yǎng)能力，與純林相比，近自然經(jīng)營林分的土壤肥力狀況更好，這是因?yàn)榱址汁h(huán)境因子的改善促進(jìn)了碳氮磷等養(yǎng)分的循環(huán)與吸收。混交林經(jīng)營模式比純林模式更能實(shí)現(xiàn)高效、高產(chǎn)和高價(jià)值。由不同樹齡和不同樹種構(gòu)成的多層次林分結(jié)構(gòu)比純林結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，可以增加抗病蟲害和抗災(zāi)害能力，從而促進(jìn)林木生長和維持較高的森林生物量?？傊斯ち謱W(xué)發(fā)展的目的是如何更好地構(gòu)建與經(jīng)營人工林，使其防護(hù)功能或生態(tài)服務(wù)功能高效、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展（朱教君，2013）。1.2.2土壤性質(zhì)對(duì)人工林固碳增匯的影響人工林固碳主要是指人工林植物從大氣中吸收二氧化碳合成有機(jī)質(zhì)，隨后將其以凋落物或根系分泌物的形式轉(zhuǎn)移到土壤中，最后以土壤有機(jī)質(zhì)的形式在濕地土壤碳庫中積累。有研究證實(shí)在森林生態(tài)系統(tǒng)中，地上生物生產(chǎn)力與土壤二氧化碳和甲烷排放量呈正相關(guān)，同時(shí)也與土壤有機(jī)碳含量高度正相關(guān)（張涵，2022）。這說明土壤中有機(jī)碳輸入量越多，作為土壤有機(jī)碳被封存于森林的碳含量也就越高，但同時(shí)被降解釋放到大氣中的碳也會(huì)增加。因此，如果不了解土壤碳分解和礦化的過程，就不能很好掌控人工林碳的固存。首先，土壤溫度對(duì)微生物活動(dòng)產(chǎn)生重要影響，在溫度34度以下，溫度升高能促進(jìn)微生物活動(dòng)并提高呼吸強(qiáng)度，增加土壤二氧化碳排放（張中杰等，2005）。在許多研究中，在一定范圍內(nèi)土壤二氧化碳排放與土壤溫度呈顯著正相關(guān)（Morelletal.,2010），在表達(dá)土壤二氧化碳排放與溫度的關(guān)系時(shí)，更多研究認(rèn)為土壤二氧化碳排放與土壤溫度呈指數(shù)增長關(guān)系。在華北平原5cm地溫與土壤呼吸相關(guān)性最大（王立剛等2002）。土壤含水量通過影響生物活動(dòng)來影響土壤呼吸，在適宜的水分范圍內(nèi)有利于微生物和作物生長，提高活性，增加二氧化碳排放。許多研究表明在一定范圍內(nèi)，土壤水分與呼吸呈顯著正相關(guān)（Reyetal.,2002）。當(dāng)水分過于飽和時(shí)，除抑制微生物活動(dòng)外，也從物理上限制了通氣性，降低了排放。土壤含水量通過影響硝化和反硝化作用來影響氧化亞氮的排放。在耕作土壤中，硝化作用產(chǎn)生氧化亞氮主要在30-70%土壤充水孔隙度時(shí)，而反硝化作用產(chǎn)生氧化亞氮主要在70%-90%的土壤充水孔隙度時(shí)（Granli,1994）。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮為微生物和作物供應(yīng)為氮素養(yǎng)分，影響了其生長活性，從而影響了土壤二氧化碳排放。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮分別作為硝化和反硝化作用的底物，與氧化亞氮排放有密切聯(lián)系。土壤有機(jī)質(zhì)通過礦化作用產(chǎn)生銨根離子，氧化為亞硝態(tài)氮，在氧氣限定條件下，亞硝態(tài)氮不能徹底氧化會(huì)增加氧化亞氮生成。Mulvaneyetal.（1997）認(rèn)為較高的硝酸根含量能促進(jìn)反硝化速率和延遲氧化亞氮還原為氮?dú)?，因此氧化亞氮排放一般與硝酸根濃度程正相關(guān)關(guān)系。土壤異養(yǎng)呼吸程度主要取決于土壤有機(jī)質(zhì)含量和礦化速率，微生物的數(shù)量和活性。土壤可溶性有機(jī)碳土壤中活性碳庫，可為微生物生長代謝提供直接的碳源?？扇苄杂袡C(jī)碳能與土壤二氧化碳排放顯著相關(guān)（Louetal.,2004），但也研究表明可其與土壤二氧化碳排放無相關(guān)性（CookandAllan,1992）。Liuetal.（2013a）的研究觀察到在森林土壤中氧化亞氮的排放與可溶性有機(jī)碳含量相關(guān)。微生物量碳是所有微生物活體所含的碳總和（曹志平等，2006）。其作為不穩(wěn)定碳，在土壤碳素循環(huán)中具有非常重要的作用，也是土壤有機(jī)質(zhì)中活躍組分。微生物量碳同時(shí)能直觀表現(xiàn)土壤肥力和微生物狀況（王繼紅等，2004）。土壤pH能通過影響生物和非生物活動(dòng)間接影響土壤二氧化碳的排放（歐陽學(xué)軍,2005）。在pH為6-8之間，通常有利于大多數(shù)土壤微生物活性，而在不適宜pH范圍內(nèi)，可能會(huì)因不利于生物活性而降低土壤呼吸（謝軍飛等2002）。土壤pH能影響硝化和反硝化微生物及其過程的氮素轉(zhuǎn)化來影響氧化亞氮排放。Sitaulaetal.（1995）發(fā)現(xiàn)pH值在3.4-6.8范圍內(nèi)，硝化作用隨土壤pH值的提高而增強(qiáng)。當(dāng)土壤pH為6-8時(shí)，反硝化強(qiáng)度幾乎不受pH影響，而在這范圍外過高過低都會(huì)使反硝化作用受到抑制，影響氧化亞氮排放（劉忠寬等2004）。pH還能通過底物碳氮的有效性來影響反硝化作用（?imekandCooper,2002）。土壤有機(jī)碳是微生物異養(yǎng)呼吸主要底物，同時(shí)為異養(yǎng)微生物提供能量。有機(jī)碳含量大小會(huì)影響土壤活性有機(jī)碳，對(duì)土壤生物呼吸有直接影響，從而影響土壤二氧化碳排放（柳敏等，2006）。團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)構(gòu)成的基礎(chǔ)，在農(nóng)田中是由各種物理，化學(xué)和生物共同作用的結(jié)果，同時(shí)又影響著土壤中物理，化學(xué)和生物過程（Trivedietal.,2015;Zhaoetal.,2017b）。土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)對(duì)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生重要影響（趙金花等2015）。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)會(huì)影響土壤氧氣，水流的擴(kuò)散，碳氮等物質(zhì)的吸附與分解，微生物的群落結(jié)構(gòu)等（Uptonetal.,2019）。團(tuán)聚體粒徑對(duì)土壤二氧化碳和氧化亞氮排放有明顯影響。一些研究發(fā)現(xiàn)大團(tuán)聚體（>0.25mm）比微團(tuán)聚體（<0.25mm）能排放更多的土壤二氧化碳和氧化亞氮（Wangetal.,2019;Jayarathneetal.,2021），但另外一些研究則觀察到了相反的現(xiàn)象（Reevesetal.,2019）。1.2.3土壤微生物對(duì)人工林固碳增匯的影響土壤微生物群落是人工林固碳增匯的主要驅(qū)動(dòng)力，土壤中各種來源的重新進(jìn)入地球化學(xué)循環(huán)過程的有機(jī)碳，須經(jīng)過微生物的分解作用，微生物的腐解和利用過程會(huì)影響土壤二氧化碳的排放?？紤]到近年來人們對(duì)氣候變化下生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的持續(xù)關(guān)注，已有諸多研究利用人工模擬增溫的方法開始著手研究氣候變暖對(duì)土壤微生物群落組成的影響，且該項(xiàng)工作已在多類生態(tài)系統(tǒng)中開展。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，F(xiàn)rey等人（2008）的研究表明經(jīng)過連續(xù)12年5℃的增溫土壤微生物群落真菌豐度降低，相應(yīng)細(xì)菌群落中革蘭氏陽性菌和放線菌豐度增加。同樣，在溫帶橡樹森林生態(tài)系統(tǒng)的研究表明土壤變暖（1.6℃）顯著增加了革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌的比值，降低了真菌與細(xì)菌的比值（JINGY，2019），然而在溫帶山地森林生態(tài)系統(tǒng)為期兩年的增溫試驗(yàn)表明，4℃的土壤增溫對(duì)于土壤微生物群落組成以及微生物生物量未產(chǎn)生任何影響，但顯著增強(qiáng)了微生物的代謝活動(dòng)并降低了微生物碳利用效率（SCHINDLBACHERA，2011）；在草原生態(tài)系統(tǒng)中，Sheik等人（2011）的研究表明，草原土壤經(jīng)為期4年平均2℃的增溫處理后顯著增加了微生物種群數(shù)量（40~150%），但同時(shí)降低了微生物的群落多樣性，微生物群落組成發(fā)生了明顯改變，具體表現(xiàn)為經(jīng)增溫后土壤放線菌門豐度降低，酸桿菌門和泉古菌門（Crenarchaea）豐度增加。此外，在美國麥克萊恩（Mclean）草原，通過對(duì)增溫環(huán)境下土壤微生物的時(shí)間演替進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)（5年，3℃）發(fā)現(xiàn)增溫導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)日益分化（XUEG。2018）。值得注意的是，有研究發(fā)現(xiàn)在未經(jīng)過收割處理的草原生態(tài)系統(tǒng)增溫顯著改變了微生物群落結(jié)構(gòu)，使得土壤中真菌比例增高，但在經(jīng)過收割處理的試驗(yàn)樣地發(fā)現(xiàn)，增溫未改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)（ZHANGW，2005）。由此推測(cè)引起土壤微生物群落變化的主要原因是增溫所引起的植物生長增強(qiáng)而非溫度升高本身；而在極地和高寒生態(tài)系統(tǒng)，溫度往往是土壤微生物活動(dòng)的限制因子，因而其對(duì)于環(huán)境溫度的變化更為敏感。在青藏高原高寒草原，通過移栽模擬增溫試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)增溫顯著增加了土壤α-變形菌（Alphaproteobacteria），γ-變形菌（Gammaproteobacteria）和放線菌的豐度；但是，酸桿菌，β-變形菌（Betaproteobacteria）和δ-變形菌（Deltaproteobacteria）豐度在增溫環(huán)境下降低（RUIJ，2015）。另一項(xiàng)試驗(yàn)，在永久凍土覆蓋的高緯度苔原上利用宏基因組技術(shù)發(fā)現(xiàn)短期模擬增溫（2.3℃）僅1.5年后，凍土帶活躍層微生物功能群落發(fā)生顯著變化，與好氧、厭氧碳分解以及營養(yǎng)循環(huán)相關(guān)的微生物功能基因豐度顯著提高，這種快速反應(yīng)表明了高寒和極地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于全球變暖具有很高的敏感性（RUIJ，2015）。綜上所述可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前微生物對(duì)于固碳增匯響應(yīng)的研究結(jié)果有相似的地方，也有相互矛盾的地方，甚至相同生態(tài)系統(tǒng)間的研究也會(huì)出現(xiàn)相悖的結(jié)果。這些不一致發(fā)生的原因有很多，例如模擬增溫方式的不同（主動(dòng)增溫VS被動(dòng)增溫），增溫強(qiáng)度和時(shí)間長度不同，以及微生物檢測(cè)手段的差異，但最為主要和根本的原因是研究生態(tài)系統(tǒng)的差異，氣候、土壤環(huán)境、植被、基質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量都是影響土壤微生物的重要因素。因此，了解人工林土壤有機(jī)碳和微生物對(duì)于固碳增匯的響應(yīng)，對(duì)預(yù)測(cè)未來全球氣候變化以及碳動(dòng)態(tài)有著重要意義。參考文獻(xiàn)：[1]蘭秀,杜虎,宋同清,等.廣西主要森林植被碳儲(chǔ)量及其影響因素[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2019(6):11.[2]朱元金,鐘兆華,孫志虎.三江平原丘陵區(qū)長白落葉松適生立地條件分析[J].森林工程,2010,26(5):4.[3]王彥輝,于澎濤,張淑蘭,等.黃土高原和六盤山區(qū)森林面積增加對(duì)產(chǎn)水量的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究,2018,31(1):12.[4]段亮亮,滿秀玲,俞正祥,等.森林干擾對(duì)大興安嶺北部森林小流域徑流情勢(shì)的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(5):10.[5]孫美榮,張維誠.森林生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展-氣候變化下的森林碳水耦合[J].林業(yè)和草原機(jī)械,2021(006):002.[6]寧波.樟子松人工林結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)及生物量的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2007.[7]孟憲宇.測(cè)樹學(xué)（第三版）[M].北京：中國林業(yè)出版社，2006.[8]胡艷波，惠剛盈，戚繼忠，等.吉林蛟河天然紅松闊葉林的空間結(jié)構(gòu)分析[J].林業(yè)科學(xué)研究，2003，16（5）：523-530.[9]惠剛盈，胡艷波.混交林樹種空間隔離程度表達(dá)方式的研究[J].林業(yè)科學(xué)研究，2001，14（1）：23-27.[10]吳應(yīng)建,張超,潘得江,等.油松近自然育林差別化經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)[J].林業(yè)科技通訊,2019.[11]朱教君.防護(hù)林學(xué)研究現(xiàn)狀與展望[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2013,37(9):17.[12]張涵,唐常源,禤映雪,等.珠江口紅樹林土壤甲烷和二氧化碳通量特征及其影響因素研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2022,31(5):10.[13]曹志平,胡誠,葉鐘年,等.不同土壤培肥措施對(duì)華北高產(chǎn)農(nóng)田土壤微生物生物量碳的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006,26(5):1486-1493.[14]Liu,Chen,CR,etal.SoilenvironmentalfactorsratherthandenitrificationgeneabundancecontrolN2Ofluxesinawetsclerophyllforestwithdifferentburningfrequency[J].SOILBIOLBIOCHEM,2013,2013,57(-):292-300.[15]LouY,LiZ,ZhangT,etal.CO2emissionsfromsubtropicalarablesoilsofChina[J].SoilBiology&Biochemistry,2004,36(11):1835-1842.[16]MulvaneyRL,KhanSA,MulvaneyCS.Nitrogenfertilizerspromotedenitrification[J].Biology&FertilityofSoils,1997,24(2):211-220.[17]GranliT.Nitrogenoxidefromagriculture[J].NorwegianJ.Agric.1994,12.[18]ReyA,PegoraroE,TedeschiV,etal.AnnualVariationinSoilRespirationandItsComponentsinaCoppiceOakForestinCentralItaly[J].GlobalChangeBiology,2002,8(9):851-866.[19]MorellFJ,Lvaro-FuentesJ,JLampurlanés,etal.SoilCO2fluxesfollowingtillageandrainfalleventsinasemiaridMediterraneanagroecosystem:Effectsoftillagesystemsandnitrogenfertilization[J].AgricultureEcosystems&Environment,2010,139(1):167-173.[20]江長勝,王躍思,鄭循華,等.川中丘陵區(qū)冬灌田甲烷和氧化亞氮排放研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2005,16(003):539-544.[21].王立剛,邱建軍,李維炯.黃淮海平原地區(qū)夏玉米農(nóng)田土壤呼吸的動(dòng)態(tài)研究[J].土壤肥料,2002(6):5.[22]王繼紅,劉景雙,于君寶,等.氮磷肥對(duì)黑土玉米農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物量碳、氮的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2004.[23]柳敏,宇萬太,姜子紹,等.土壤活性有機(jī)碳[J].生態(tài)學(xué)雜志,2006,25(11):1412-1417.[24]Trivedi,PankajRochester,IanJ.Trivedi,ChandaVanNostrand,JoyD.Zhou,JizhongKarunaratne,SenaniAnderson,IanC.Singh,BrajeshK.Soilaggregatesizemediatestheimpactsofcroppingregimesonsoilcarbonandmicrobialcommunities[J].SoilBiology&Biochemistry,2015,91(Null).[25]ZhaoJ,ChenS,HuR,etal.Aggregatestabilityandsizedistributionofr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