中亞熱帶山區(qū)典型土地利用方式土壤co

中亞熱帶山區(qū)典型土地利用方式土壤co

自21世紀(jì)初以來，土地利用在世界上2.3個國家中的生態(tài)和環(huán)境效應(yīng)不僅影響到當(dāng)?shù)?，而且也影響到世界，成為地理和鄰近科學(xué)的中心。土地利用/覆被變化(LUCC)是當(dāng)前生物圈碳素循環(huán)的最主要人為驅(qū)動力之一。據(jù)政府間氣候變化委員會(IPCC)第4次評估報告,20世紀(jì)90年代全球LUCC向大氣排放了1.6Pg/a的碳,僅次于化石燃料燃燒釋放的碳(7.2Pg/a),是大氣中第二大人為碳源。土壤碳庫的儲量約為大氣碳庫的2～3倍,土壤CO2排放(土壤呼吸過程)是土壤圈碳流入大氣圈的主要形式。自20世紀(jì)70年代以來,土地利用變化對土壤碳庫的影響受到廣泛關(guān)注,迄今全球已積累大量資料;由于碳通量觀測技術(shù)較為復(fù)雜,土地利用變化對土壤碳通量的影響研究則相對較少,有限的研究僅集中在溫帶地區(qū)和熱帶拉丁美洲地區(qū)。中國缺乏清晰的土地利用歷史記載資料,土地利用變化對土壤CO2排放影響研究仍很有限,已有研究大多觀測時間短、土地利用史不清,更多側(cè)重不同土地利用方式下,土壤CO2排放量直接對比研究。目前,土地利用變化對土壤CO2排放的影響,不同區(qū)域和氣候帶的結(jié)果差異很大,存在增加、減少和無差異3種結(jié)論[6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。一般看來,不同時空尺度的土壤CO2排放主要受環(huán)境因子(溫度和土壤水分)、有機(jī)物數(shù)量和質(zhì)量、光合產(chǎn)物的分配、土壤結(jié)構(gòu)和土壤生物等因素的調(diào)控。例如,在溫帶和寒帶的野外研究中,溫度通常是影響土壤CO2排放季節(jié)變化的主導(dǎo)因子,而在熱帶地區(qū),水分則起著更為關(guān)鍵的作用[6,7,8,9,10,11,12,13,14]。一些研究顯示,氣候(年均溫和降水)和植被共同控制著全球不同生物群區(qū)的土壤CO2排放;但也有研究報道,植被生產(chǎn)力決定著大洲內(nèi)部不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤CO2排放。近年來,地上過程特別是光合產(chǎn)物的生產(chǎn)及分配對土壤呼吸的影響,日益受到重視。土地利用/覆被變化通過轉(zhuǎn)變植被類型,增加人為干擾活動(如開墾、施肥),不同程度改變局地小氣候、土壤理化性質(zhì)、地上有機(jī)物和無機(jī)養(yǎng)分輸入以及土壤有機(jī)質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量等狀況,從而可能影響土壤CO2排放量。中國整個亞熱帶地區(qū)是世界上一個重要的生態(tài)類型區(qū),南北跨越超過10個緯度,面積約占中國陸地面積的1/4。獨特的東亞季風(fēng)氣候,造就了本區(qū)成為生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力高、碳儲量大、生態(tài)過程對氣候響應(yīng)多樣的特殊區(qū)域,被譽(yù)為回歸帶上的綠洲。中國亞熱帶山區(qū)面積廣大,降雨量高、暴雨頻繁、雨強(qiáng)大,加上山多坡陡、土壤有機(jī)層薄、有機(jī)質(zhì)含量低、土壤抗蝕性差而易發(fā)生嚴(yán)重的水土流失,山區(qū)自然環(huán)境極具潛在的脆弱性。常綠闊葉林是本區(qū)的地帶性植被,也是全球生物多樣性最高的生物群區(qū)之一,棲息著眾多中國獨有物種。長期以來,伴隨著南方商品林基地建設(shè)和山地綜合開發(fā),大面積常綠闊葉林經(jīng)皆伐、煉山后,被改為經(jīng)濟(jì)林和果園。目前,天然常綠闊葉林呈斑塊狀地散布于自然保護(hù)區(qū)和偏遠(yuǎn)山區(qū),分布面積不到林地總面積的10%。大面積快速土地利用/覆被變化造成嚴(yán)重水土流失、土地退化、植物生產(chǎn)力下降等一系列環(huán)境問題,進(jìn)一步可能將對碳循環(huán)和全球、區(qū)域氣候產(chǎn)生重要影響。然而,關(guān)鍵的生態(tài)-地理過程對這些變化如何響應(yīng)仍不清楚。通過在中亞熱帶閩北山區(qū)(福建建甌市)選擇本底條件基本一致、土地利用史清晰的天然常綠闊葉林、次生林、人工林(杉木人工林和木荷人工林)、柑橘園和坡耕地的典型土地利用序列,以空間換時間方法探討土地利用變化對生態(tài)-地理過程影響。此前,我們已對中亞熱帶山區(qū)土地利用變化對土壤有機(jī)碳儲量和質(zhì)量的影響進(jìn)行過報道,本文主要探討土地利用變化對土壤CO2排放量的影響,為精確制定國家溫室氣體排放清單和山區(qū)碳匯技術(shù)開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。1材料和方法1.1試驗地和試驗材料試驗地設(shè)在福建省建甌市萬木林自然保護(hù)區(qū)(118°09′E、27°03′N)以及附近的閩北水土保持科教園(118°23′E、27°04′N)(圖1),地處武夷山脈東南,鷲峰山脈西北。試驗地海拔390～430m,坡度15～28°,為典型的東南低山丘陵地貌。氣候為典型的中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫18.7℃,年均降雨量1670mm。試驗地土壤為典型的山地紅壤,土層厚度一般超過1m。天然常綠闊葉林自然演替超過500a,為穩(wěn)定的氣候頂級植被,建群種為細(xì)柄阿丁楓(Altingiagracilipes),喬木分層明顯,灌木層不明顯,草本稀少。次生林、人工林和果園前身均為雜木林,1986年皆伐后,部分營造木荷(Schimasuperba)和杉木(Cunninghamialanceolata)人工林,林下灌木稀疏,草本覆蓋度較高;部分皆伐地1986年封山育林,經(jīng)20a次生演替形成次生林,林內(nèi)喬木幼樹、灌木和草本密布;1986年部分皆伐地改為柑橘園,種前施基肥,定期施肥(化肥為主,有機(jī)肥為輔),適當(dāng)噴農(nóng)藥管理病蟲害,旱季時人工噴灌,每年對園面除草翻耕2～3次,柑橘年產(chǎn)量約30t/hm2。2000年部分柑橘園改為坡耕地、壟作,每年種一季紅薯,種前施草木灰,定期施肥、灌溉和除草,紅薯年產(chǎn)量約27t/hm2。詳見表1和文獻(xiàn)。1.2呼吸環(huán)境質(zhì)量觀測系統(tǒng)2004年12月底,在不同土地利用方式內(nèi),隨機(jī)設(shè)置3塊25m×25m長期標(biāo)準(zhǔn)樣地,每塊樣地隨機(jī)布置6個PVC環(huán)(5cm×20cm內(nèi)徑)。PVC環(huán)底端削鋒利,插入土壤2～5cm。柑橘園和坡耕地的呼吸環(huán),每年翻耕后重布,其余PVC環(huán)埋入土壤后不再移動。2005年1月到2007年12月,每月月末隨機(jī)選擇1d,測定土壤CO2排放速率。土壤CO2排放采用3臺Li-8100土壤碳通量自動觀測系統(tǒng)(LI-8100,LI-COR公司,美國)連接20cm短期腔室同時觀測。定期檢查PVC環(huán)內(nèi)植物的生長狀況,發(fā)現(xiàn)綠色植物立即剪除,確定每次觀測時,環(huán)內(nèi)不生長植物。每次觀測時段為北京時間上午9:00～12:00。本區(qū)研究表明,該時段觀測的土壤CO2排放速率可以較好的代表當(dāng)天土壤CO2排放的平均值。1.3型土壤co年排放量的比較采用單因素方差分析方法(ANOVA)比較不同土地利用類型土壤CO2年排放量的差異。采用國內(nèi)外普遍應(yīng)用的方法,以每月測定的土壤CO2排放速率,作為該月平均土壤CO2排放速率,通過逐月累加法計算得到當(dāng)年土壤CO2排放量。2結(jié)果與討論2.1全球土壤co排放量在研究區(qū)內(nèi),天然常綠闊葉林、次生林、人工林(杉木人工林和木荷人工林)、柑橘園和坡耕地土壤CO2的C年排放量分別為1861、1259、962～1011、698和929g/m2(圖2)。6種典型土地利用方式平均土壤CO2年排放量為1120g/m2。該觀測值符合全球土壤CO2的C排放的緯度地帶性規(guī)律,即:從高緯到低緯,隨著年均溫升高,土壤CO2的C年排放速率從極地苔原帶的60g/m2增加到赤道熱帶雨林的1260g/m2。在6種土地利用方式中,以天然常綠闊葉林土壤CO2排放量最大,處于全球森林土壤CO2高排放水平,這很可能與亞熱帶常綠闊葉林較高的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和較大的地下碳分配量有關(guān)。。全球范圍內(nèi),熱帶和亞熱帶山地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)土壤CO2排放數(shù)據(jù)很少,特別是坡耕地作為中國南方乃至東亞、東南亞山區(qū)的重要的農(nóng)業(yè)耕作區(qū),其土壤CO2排放量在全球碳收支中一直缺乏研究數(shù)據(jù)。研究區(qū)內(nèi),柑橘園和坡耕地土壤CO2排放量均較好落入熱帶和溫帶農(nóng)業(yè)土壤CO2的C排放范圍[180～3170g/(m2·a)]2.2土壤co排放情況土地利用活動通過影響地上植被狀況和土壤性質(zhì),進(jìn)而影響土壤CO2排放。研究區(qū)內(nèi),天然常綠闊葉林改為次生林、人工林、柑橘園和坡耕地,土壤CO2排放量分別下降了32%,46%～48%,63%和50%(圖2)。分析全球不同區(qū)域和氣候帶森林轉(zhuǎn)換對土壤CO2排放的影響,發(fā)現(xiàn)在熱帶(包括亞熱帶,下同)區(qū)域,天然林改為次生林和人工林,土壤CO2排放平均減少29%;而在全球范圍,森林改為農(nóng)業(yè)用地,土壤CO2排放平均減少33%(表2)。在中亞熱帶東部山區(qū),天然常綠闊葉林改為次生林和人工林,土壤CO2排放量減幅高達(dá)31%～67%,處于熱帶多數(shù)研究結(jié)果的上限;而天然常綠闊葉林改為農(nóng)業(yè)用地,土壤CO2排放減幅為50%～62%,明顯高出全球平均水平(表2)。天然林改為其它土地利用方式后土壤CO2排放降幅巨大的原因主要與地上凋落物歸還數(shù)量減少,植物細(xì)根生物量和周轉(zhuǎn)銳減,以及嚴(yán)重的水土流失和高強(qiáng)度的人工經(jīng)營管理措施(煉山、耕作、除草和施肥)引起土壤有機(jī)碳庫數(shù)量和質(zhì)量大幅下降等因素有關(guān)。土壤CO2排放主要源自植物根呼吸和微生物對凋落物、土壤有機(jī)質(zhì)的分解。首先,天然常綠闊葉林改為人工林,地上凋落物輸入量減少13%～50%。因此,土地利用變化后,凋落物分解排放的CO2減少。其次,作為亞熱帶頂級氣候植被的常綠闊葉林細(xì)根生物量較大,改為人工林和農(nóng)業(yè)用地后,細(xì)根生物量銳減,根呼吸排放的CO2減少。我們之前的研究亦表明:天然林改為人工林,植物活細(xì)根生物量減少35%～70%,細(xì)根周轉(zhuǎn)量減少63%～68%,根系呼吸CO2排放減少39%～72%;其中,細(xì)根周轉(zhuǎn)的減幅處于濕潤熱帶地區(qū)的上限。據(jù)Hertel等報道,熱帶原始林改為農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)后,細(xì)根的周轉(zhuǎn)量僅減少45%。第三,土地利用變化后,土壤有機(jī)碳儲量和質(zhì)量大幅下降,土壤異養(yǎng)呼吸排放的CO2減少。研究顯示,本區(qū)土地利用變化后,土壤有機(jī)碳儲量下降26%～51%,土壤有機(jī)碳質(zhì)量(輕組有機(jī)碳儲量)大幅下降52%～84%;亞熱帶天然林改為人工林后,土壤異養(yǎng)呼吸CO2排放減少24%～62%。統(tǒng)計分析表明,土壤CO2年排放量和表層土壤有機(jī)質(zhì)儲量、總氮儲量均有較高的相關(guān)性(圖3)。由于中國亞熱帶約80%的地貌為山地、丘陵和崗地,多數(shù)省份超過50%的面積為大于25°的陡坡地。這些陡坡地遍布著發(fā)育在花崗巖母質(zhì)上的山地紅壤,其土層薄、有機(jī)質(zhì)含量低且集中在表層、抗蝕性差。再加上本區(qū)年降雨量高(一般超過1500mm)、多暴雨,如夏秋季節(jié)頻繁的強(qiáng)對流天氣和臺風(fēng)常帶來暴雨、大暴雨,自然環(huán)境極具潛在脆弱性。天然林砍伐以及隨后的土地利用活動(如煉山、整地和翻耕),常造成土壤有機(jī)質(zhì)的嚴(yán)重流失。本區(qū)天然林皆伐后,廣泛沿用傳統(tǒng)的火燒煉山來清理地面,瞬間將地表殘留的枯枝落葉層燃燒殆盡,同時因火的直接灼燒,0～10cm表層土壤有機(jī)質(zhì)的損失可達(dá)1/14;在天然林改為其它土地利用方式的初期,地表缺乏植被的覆蓋,加上暴雨頻發(fā),陡坡上極易發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。據(jù)估計,第一年就可導(dǎo)致杉木幼林地土壤有機(jī)碳流失高達(dá)0.3t/hm2;最后,天然林改為人工林,地上凋落物輸入量減少,特別是改為坡耕地后,人工收獲地上和地下農(nóng)作物產(chǎn)品,源自地上植物的有機(jī)質(zhì)輸入幾近于零,導(dǎo)致土壤有機(jī)碳凈損失特別嚴(yán)重。我們之前的研究發(fā)現(xiàn),本區(qū)天然林改為次生林、人工林和農(nóng)業(yè)用地后,造成土壤有機(jī)碳儲量的降幅處在熱帶研究的上限,并明顯高出全球平均水平。由于本區(qū)山區(qū)自然環(huán)境極為脆弱(暴雨頻繁、坡陡),土地利用變化導(dǎo)致細(xì)根周轉(zhuǎn)和土壤有機(jī)碳儲量的下降幅度明顯高出熱帶和全球平均水平,很可能是本區(qū)土地利用變化后土壤CO2排放的減幅高出熱帶和全球平均水平的關(guān)鍵因素。3增加土地利用的總量,提高土壤co總量和碳儲量,降低土壤水平均水平1)中亞熱帶天然常綠闊葉林、次生林、人工林、柑橘園和坡耕地土壤CO2的C年均排放量分別為1861、1259、987、698和929g/m2;天然林轉(zhuǎn)換導(dǎo)致土壤CO2年均排放量減少32%～63%,尤以改為柑橘園減幅最大。中亞熱帶山區(qū)天然常綠闊葉林改為次生(人工)林土壤CO2排放減幅(50%～63%)高于熱帶(包括亞熱帶)平均水平(29%),改為農(nóng)業(yè)用地,土壤CO2排放減幅(32%～48%)明顯高出全球平均水平(33%)。2)天然林改為其它土地利用方式后土壤CO2排放減少主要與地上凋落物歸還的數(shù)量減少,植物細(xì)根生物量和周轉(zhuǎn)速率銳減,以及嚴(yán)重的水土流失和高強(qiáng)度的人