中亚热带常绿阔叶林碳储量和地下碳平衡Word文档下载推荐.docx
《中亚热带常绿阔叶林碳储量和地下碳平衡Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中亚热带常绿阔叶林碳储量和地下碳平衡Word文档下载推荐.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
论文评阅人：
论文答辩日期：
2007年6月2日
答辩委员会主席：
翁伯琦
学位授予单位：
福建师范大学
学位授予日期：
年月日
2007年6月
摘要
本研究选择中亚热带常绿阔叶林（细柄阿丁枫天然林和木荷人工林）为研究对象，采用经验模型和野外调查相结合的方法，系统地估计了细柄阿丁枫天然林和木荷人工林生态系统总碳储量、各组分碳储量及占总碳储量的比例；
通过野外对凋落物碳输入量和土壤呼吸碳释放量进行多年连续定位观测，初步探讨了细柄阿丁枫天然林和木荷人工林地下碳平衡。
结果表明，细柄阿丁枫天然林总碳储量56139g/m2，其中活生物量碳库最大（约占3/4），其次为土壤碳库（约占1/4）。
木荷人工林生态系统总碳储量为17769g/m2，土壤碳库最大（约占2/3），其次为活生物量碳库（约占1/3）。
凋落物观测表明，细柄阿丁枫天然林和木荷人工林凋落物年碳输入量分别约349g/m2和214g/m2。
土壤呼吸观测表明，细柄阿丁枫天然林和木荷人工林土壤呼吸年碳释放量分别约1614g/m2和1077g/m2，其中凋落物呼吸分别占20.14%和14.02%。
估计了细柄阿丁枫天然林的总地下碳分配（TBCA）约为1268g/m2，高于木荷人工林（863g/m2）。
全年，细柄阿丁枫天然林和木荷人工林凋落物碳量有少量的净积累（分别约24.4g/m2和63.1g/m2），是大气CO2的碳汇。
本研究可为深入探讨中亚热带常绿阔叶林生态系统的碳汇功能及碳吸存能力提供基础数据，为中亚热带常绿阔叶林的合理利用和区域气候变化的应对提供一些参考和依据。
关键词 常绿阔叶林；
碳库；
碳储量；
地下碳平衡
Abstract
Forestsareimportantanditsecologicalfunctionsaresignificanceofmitigatingtheglobalenvironmentchanges.ThisstudyhasfocusedontheAltingiagralilipesnativeforestandSchimasuperbaplantation,whicharetheconstructivespeciesofevergreenbroad-leavedforestinmid-subtropicsinsouthChina.ThesizeofcarbonpoolsandcontributionsofdifferentCpoolstototalCstoreswereestimatedforAltingiagralilipesnativeforestandSchimasuperbaplantationecosystemsbycombiningtheempiricalmodelsandforestinventoriesmethods.Meanwhile,forestlitterinputandsoilrespirationweremeasuredbylong-termobservationsinfieldsoastodeterminethebelowgroundCbalanceofAltingiagralilipesnativeforestandSchimasuperbaplantation.TotalCstoresinAltingiagralilipesnativeforestecosystemwereabout56139gCm-2.Livebiomassformedthemajorityofthisstore,comprising75%ofthetotal.MineralsoilorganicmatterwasthesecondlargestCpool,anditcomprisedabout23%oftheecosystemstore.While,totalstoresofCinSchimasuperbaplantationwereabout17769gCm-2.MineralsoilorganicmatterwasthelargestCpool,with62%ofthatcomprisedofthetotal.Livebiomasswasthesecondlargestpool,comprising37%.InputratesoflitterinAltingiagralilipesnativeforestandSchimasuperbaplantationwereabout349and214gCm-2yr-1.AnnualtotalsoilrespirationinAltingiagralilipesnativeforestandSchimasuperbaplantationwereabout1614and1077gCm-2yr-1,inwhichthelitterrespirationcontributedabout20%and14%.ItestimatedthatthetotalbelowgroundCallocationinAltingiagralilipesnativeforestwashigherthanSchimasuperbaplantation,whichwere1268and863gCm-2yr-1.Annually,thelitterisasmallCsinkofatmosphereCO2,whichsequestratedabout24and63gCm-2yr-1inAltingiagralilipesnativeforestandSchimasuperbaplantation.Thisstudycanprovideavailabledataforunderstandingthecarbonbalanceanddevelopingregionalecologicalprocessmodelsofevergreenbroad-leavedforestinmid-subtropics.Itcanalsoprovidescientificreferenceforprotectingnativeforestsandmitigatingregionalclimatechange.
KeywordsEvergreenbroad-leavedforest;
Carbonpool;
Carbonstorage;
Belowgroundcarbonbalance
中文文摘
近年来，随着大气温室气体浓度的快速升高和《京都议定书》的正式生效，温室气体减排已成为每个国家必须面对的问题。
因而，在全球变暖背景下，地球系统中碳素的来源、去向及其动态变化的驱动因子，不再仅仅是一个科学问题，也已成为一个政治和经济问题。
森林是陆地生态系统最大的碳储存库，亦是陆地生态系统最大的碳汇，森林碳汇已引起人们的高度关注。
然而，目前对森林生态系统碳储量和地下碳平衡的精确测定仍有一定的难度，对森林碳汇在全球的分布格局、动态和调控机制并不清楚。
亚热带是全球变化的敏感地带，开展对亚热带常绿阔叶林碳储量和地下碳平衡的研究，对深入探讨亚热带常绿阔叶林生态系统的碳汇功能及碳吸存能力具有重要的理论意义，对常绿阔叶林的合理利用和区域气候变化的应对具有重要的现实意义。
本研究选择中亚热带细柄阿丁枫天然林和木荷人工林为研究对象，采用经验模型和野外调查相结合的方法，系统估计了细柄阿丁枫天然林和木荷人工林生态系统总碳储量、各组分碳储量及占总碳储量的比例；
本研究结果表明，中亚热带细柄阿丁枫天然林和木荷人工林生态系统总碳储量分别为56139g/m2和17769g/m2。
在细柄阿丁枫天然林中，活生物量碳库所占比例约3/4，土壤碳库所占比例约1/4，碎屑碳库最小（不到1%）。
活生物量碳库在细柄阿丁枫天然林中具有重要地位。
在木荷人工林中，活生物量碳库约占1/3，土壤碳库所占比例约2/3，碎屑碳库不到1%。
土壤碳库在木荷人工林中具有重要地位。
在细柄阿丁枫天然林和木荷人工林活生物量碳库中，乔木层生物量碳库占到活生物量碳库的绝大部分（99.56%和98.90%）。
在细柄阿丁枫天然林中，森林地被层是最大的碎屑碳库。
土壤有机碳库主要集中在土壤表层（0～20cm），随土层加深，有机碳储量骤减，但在木荷人工林中，土壤有机碳在表层较高，随土层加深，有机碳储量缓慢减少。
连续多年的凋落物野外定位观测表明，细柄阿丁枫天然林和木荷人工林年均碳输入量349g/m2和214g/m2，凋落物碳输入量具有明显的季节变化，呈单峰模式，峰值一般出现在4月份。
在凋落物组成中，叶是凋落物碳输入量中最主要的组成部分（64.54%和91.5%）。
连续1年的土壤呼吸野外定位观测表明，细柄阿丁枫天然林和木荷人工林土壤呼吸年碳释放量分别为1614g/m2和1077g/m2，凋落物呼吸年碳释放量分别为325g/m2和151g/m2，占土壤呼吸比例为20.14%和14.02%。
土壤呼吸和凋落物呼吸碳释放量具有明显的季节动态，温度和凋落物输入量是土壤呼吸、凋落物呼吸季节动态的重要影响因子。
细柄阿丁枫天然林土壤呼吸和凋落物呼吸与温度呈显著指数相关，Q10分别为1.9和1.8。
在木荷人工林中，土壤呼吸、凋落物呼吸碳释放与地温之间具有类似的规律，但其Q10值较高（2.7和2.6）。
在碳平衡方面，细柄阿丁枫天然林的全年凋落物碳量有少量的净积累（24.4g/m2），是大气CO2的碳汇。
这一碳汇具有明显的季节变化，12～6月份表现为碳汇，而其它月份（7～11月）是大气CO2的碳源。
木荷人工林的全年凋落物净碳积累量为63.1g/m2，高于细柄阿丁枫天然林。
凋落物碳库在1～4月份和9～12月份表现为碳汇，5～8月份为碳源。
基于碳平衡方法，估计细柄阿丁枫天然林的总地下碳分配（TBCA）约为1268g/m2，高于木荷人工林TBCA（863g/m2）。
基于TBCA，估计细柄阿丁枫天然林和木荷人工林根系净生产力和根系呼吸约为634g/m2和432g/m2，根系呼吸占土壤呼吸比例39.2%和40.11%。
然而，本研究估计的生态系统碳储量和地下碳平衡还可能存在偏差。
首先，基于经验模型的方法估计细柄阿丁枫天然林乔木层生物量及乔木层干皮、枝、叶和粗根的分配比例存在一定问题，26a生细柄阿丁枫林分与老龄林（150a生）可能存在较大差异，从而导致本研究估计的乔木层器官的碳库分配存在一定程度的偏差。
其次，碳平衡方法假设木荷人工林地下碳库未发生变化，可能高估木荷人工林TBCA。
本研究仅对细柄阿丁枫天然林和木荷人工林碳储量和地下碳平衡作了初步研究，还无法得出整个生态系统的碳平衡，也无法确定细柄阿丁枫天然林和木荷人工林对大气CO2的源汇地位。
未来需要进一步测定地上净初级生产力（生物量增量）和地下净初级生产力（根系净初级生产力）及动态、地上呼吸作用和地下根系呼吸碳释放量及动态、粗木质残体碳输入量和分解碳释放量等，才能进一步确定该生态系统对大气的源汇地位。
另外，尝试开展涡度相关法、分室累加法和模型模拟方法的比较研究，可以减少目前生态系统的碳平衡研究的不确定性。
目录
摘要I
AbstractII
中文文摘III
第1章绪论1
1.1研究背景、意义与目的1
1.2国内外研究概况3
1.2.1森林生态系统碳储量研究进展3
1.2.2森林地下碳平衡研究进展7
第2章试验地概况及研究方法10
2.1试验地概况10
2.2研究方法12
2.2.1活生物量测定12
2.2.2碎屑储量和矿质土壤测定13
2.2.3碳含量14
2.2.4凋落物输入14
2.2.5土壤呼吸14
2.2.6地下碳平衡计算15
2.2.7统计分析15
第3章结果与分析16
3.1生态系统碳储量16
3.1.1活体生物量碳库16
3.1.2碎屑碳库17
3.1.3矿质土壤碳库18
3.1.4不同碳库占生态系统总碳储量的比例21
3.2凋落物输入21
3.3土壤呼吸23
3.4凋落物碳平衡27
3.5地下碳分配27
第4章讨论29
4.1本研究的误差分析和假设29
4.1.1碳库测定29
4.1.2地下碳平衡29
4.2与其它研究结果的比较30
4.2.1活生物量碳库30
4.2.2碎屑和矿质土壤碳库31
4.2.3细柄阿丁枫天然林和木荷人工林生态系统碳库32
4.3凋落物碳输入32
4.4土壤呼吸碳输出33
4.5凋落物碳平衡34
4.6地下碳分配35
第5章主要结论37
5.1生态系统碳储量37
5.2凋落物碳输入37
5.3土壤呼吸38
5.4地下碳平衡38
参考文献40
第1章绪论
1.1研究背景、意义与目的
最近，IPCC在法国巴黎发表的第四次评估报告中指出，全球变暖有90%可能是人类活动增加温室气体排放造成的，而在IPCC第三次评估报告中，这种可能性为60%，表明温室气体导致全球变暖已成为当今主流观点（Albrittonetal.,2001;
曲建升等，2003）。
在全球变暖背景下，地球系统中碳素的来源、去向及其动态变化的驱动因子，已经引起人们的格外关注。
过去几十年在全球范围内针对气候变化、土地利用变化对碳循环的时空动态的影响已经开展了大量研究，但对碳源、碳汇问题并不清楚，全球陆地生态系统中还存在着一个巨大的未知汇（missingsink）（Davidsonetal.,1993;
Fanetal.,1998;
Yangetal.,2007）。
在这种背景下，了解陆地生态系统碳源、碳汇的分布格局、动态和调控机制不仅仅是一个科学问题，也是一个政治和经济问题。
从全球来看，陆地生态系统和海洋是大气CO2的碳汇。
森林是陆地生态系统的主体，亦是陆地最大的碳储存库，其地上部分碳量360～480Pg（占地上部分的80%左右），地下部分碳量790～930Pg（占地下部分的40%左右）（杨玉盛等，2004a）。
森林是陆地生态系统最大的碳汇，但这一碳汇在全球的分布格局、大小并不清楚。
如模型研究表明，陆地碳汇主要集中在北半球中高纬度森林，而生态系统模型研究和实验观测则发现，热带森林可能是较大的陆地碳汇（Graceetal.,1995;
Tianetal.,1998;
Malhietal.,1998;
Phillipsetal.,1998;
Gurneyetal.,2002）。
通常，人工林在生长过程中，经光合作用吸收大气CO2，转换成植物体活生物量而得到短期封存，这种固碳功能已经得到科学界的广泛认同。
基于这一原理，科学界提出了“碳人工林”的新概念；
而在《京都议定书》中，造林、再造林项目被最先纳入为清洁发展机制（CDM）项目（张小全等，2005；
杨玉盛等，2006）。
根据经典的生态学理论，天然森林在成熟以后，光合作用固定的碳基本上被呼吸作用所消耗的碳抵消，而在地上部分净生产力趋近于零的情况下，土壤有机碳的累积也趋于稳定，整个生态系统积累的碳趋于平衡。
从碳汇角度看，传统观点认为天然林在成熟以后，树木生长、更新缓慢，土壤有机碳处于稳定状态，生态系统作为碳汇的功能较弱，甚至接近于零。
然而，近来一些研究相继发现，天然林即使在成熟以后也可能是重要的碳汇，从而使人们又重新燃起了对天然林研究的极大兴趣（Zhouetal.,2006）。
森林碳循环涉及到多个碳库和通量，而一些碳库和通量的测定十分复杂，直接测定森林生态系统碳储量和碳平衡有一定的难度，且精度较低。
然而，由于测定森林碳储量的大小有助于采取适宜的森林管理方式，作出可持续的生态系统碳吸存抉择，这对提高森林对大气CO2的吸存能力具有重要意义。
森林碳库通常包括活生物量碳库、碎屑碳库和土壤碳库。
对于活生物量碳库，国际上流行的异速生长方程估计乔木生物量的方法，仍具有一定的局限性。
如，对于没有、或非常难以获得异速生长方程的乡土树种，其生物量仍只能采用一些邻近树种的异速生长方程，或采用其它间接方法来估算（Harmonetal.,2004;
Fangetal.,2001）。
由于森林中，地下碳储量超过生态系统总碳储量一半以上，因而在评价森林碳汇能力时，地下碳平衡就显得尤为重要。
受制于地下碳库巨大的背景值和空间异质性，直接测定地下碳储量的动态变化难度极大，而通过地下碳库通量及碳平衡的研究，结合地下碳库的测定，则可揭示地下碳库动态信息。
地下碳储量源自于地下碳输入（地上枯落物+地下枯落物）和地下碳输出（土壤呼吸）的平衡。
目前在地下碳输入方面，地上枯落物研究多，地下（根系）枯落物输入量研究少，且缺乏直接、科学、有效的方法，从而较难准确评价细根周转对地下碳库的贡献（Richardetal.,2000;
Silveretal.,2001;
Ruessetal.,2003）。
在地下碳库输出方面，国外对土壤呼吸特征、影响因素及其对气候变化的响应等研究较多（Christensenetal.,1999;
Schlesingeretal.,2000;
Conantetal.,2004
;
Bond－Lambertyetal.,2004;
Schulzeetal.,2005;
Ryanetal.,2005；
盛浩等，2007a；
2007b），多种方法（组分法、根系去除法和同位素方法等）亦被用于区分土壤的异养呼吸和自养呼吸（Kelliheretal.1999
Hansonetal.,2000
Hö
gberyetal.,2001;
Reyetal.,2002;
杨玉盛等，2004a；
Sulzmanetal.,2005;
Saizetal.,2006），但由于土壤呼吸存在较大的时间、空间异质性，如何采取科学的测定策略以提高土壤呼吸测定结果的可靠性目前研究仍较少（Tjoelkeretal.,2005）。
国内虽然对森林土壤有机碳储量及变化、森林土壤呼吸等开展了较多研究，但有关森林地下碳平衡过程的研究与国外相关研究差距甚远（杨玉盛等，2004a；
贺金生等，2004；
陈光水等，2005a；
Trumboreetal.,2006）。
我国亚热带是“回归带上的绿洲”，与全球同纬度的中亚、西亚和北非等著名的荒漠、稀树草原景观形成鲜明对比。
这里是东亚季风盛行的地区，具有冬冷夏热、四季分明、水热同季、湿润多雨的特点，从而造就了这里成为生态系统生产力高、生物多样性丰富、生态系统碳储量大的特殊区域。
亚热带是一个典型的生态过渡带，许多生物有机体分布到这里，已达到了它们的生理界限。
然而，正因为亚热带的过渡性特征，使得外部干扰（如区域环境变化）对生态系统的作用便首先在这里显示出来，所以，亚热带是对环境变化最为敏感的区域之一。
中国亚热带具有带性明显、带幅宽阔的特征，是世界上常绿阔叶林植被和红壤、黄壤等强淋溶土类分布最广泛的区域。
典型的常绿阔叶林是属于中国亚热带典型的地带性植被，主要分布在中亚热带，以层片多、四季常青为明显的林相特征，树种组成以壳斗科的青冈属、栲属和石栎属为群落上层的优势科属，林内还有不属于任何一层的藤本、附生植物。
近年来，伴随着南方商品林基地建设和山地综合开发，大面积的天然常绿阔叶林被改为人工林、次生林、经济林和果园。
目前，原生的地带性植被所剩无几，少量仅存的天然常绿阔叶林零星分布于自然保护区和人迹罕至的偏远山区，且分布面积很小。
有关亚热带天然常绿阔叶林碳储量和碳平衡的研究很少，相关数据非常缺乏，这已经严重制约到区域或国家尺度碳收支清单的准确计算。
细柄阿丁枫（Altingiagralilipes）和木荷（Schimasuperba）是我国中亚热带特有树种，也是我国中亚热带地带性植被的建群种。
本研究选择建瓯市万木林自然保护区的细柄阿丁枫天然林和闽北科教园的木荷人工林为研究对象，采用经验方法和野外调查相结合的方法，系统估计了以上两种常绿阔叶林生态系统各组分的碳储量；
通过野外对凋落物量和土壤呼吸的连续定位观测，初步探讨了以上两种常绿阔叶林生态系统的地下碳平衡，试图为深入探讨中亚热带常绿阔叶林生态系统的碳汇功能及碳吸存能力提供基础数据，为中亚热带常绿阔叶林的合理利用和区域气候变化的应对提供一些参考和依据。
1.2国内外研究概况
1.2.1森林生态系统碳储量研究进展
全球森林面积为41.61亿hm2，面积占陆地总量的1/3。
全球陆地生态系统地上部的碳为562Pg（1Pg=1015g），森林生态系统地上部的含碳量为483Pg，占了86%。
全球陆地生态系统地下部含碳量为1272Pg，而森林地下部含碳约927Pg，占整个世界土壤含碳量的73%（杨玉盛，2004a）。
森林碳储库是陆地生态系统碳储库的主体，森林碳储量研究已成为生态学和全球变化研究的重要内容之一。
通常，森林碳储库数量划分较多，主要包括植被碳库、碎屑碳库和土壤碳库。
在陆地生态系统中，约有85%的生物量集中在森林植被，生物量碳库在全球碳循环中具有重要地位。
20世纪50年代，国外已经开始重视森林生物量的研究，日本、英国和前苏联学者在森林干物质生产、生产力和营养元素等方面的研究颇具特色，取得了许多有意义的成果。
到了60～70年代，随着国际生物学计划（IBP）的开展，各国对包括森林在内的植被生物量进行了大量的调查，为后来的全球变化研究提供了不可缺少的基本数据。
进入80年代，在全球环境变化背景下，植被生物量通常作为地球系统的一个重要组成部分，来研究其与大气、土壤的相互作用。
在全球变化研究中，利用以往在斑块水平的生态系统研究成果和生物量数据逐步扩展到景观、区域乃至全球的空间尺度是研究的趋势。
另外，生物量的研究多侧重于各种模型对不同树种、不同地区的比较，以及探讨生物量模型在不同立地条件下的估计问题。
我国植被生物量的研究始于20世纪80年代初，南至热带、亚热带，北起寒温带，东自滨海，西达青藏高原广大区域内，我国
升级会员 