皆伐后不同更新方式对杉木林地温室气体排放的影响机制研究

Forest ecosystems are significant carbon and nitrogen sinks at the global scale, and play an important role sequestering greenhouse gases and regulating climate. The three greenhouse gases (CO2,CH4,N2 O) fluxes from forest are often influenced by human management activities. It is important to carry out the study of the effect on greenhouse gases by forest management activities for controlling soil greenhouse gas fluxes, adjusting management measures and mitigating greenhouse effect. We will examine the effects of four kinds of management scenarios on the fluxes of soil CO2, CH4, and N2O in a mature Cunninghamia lanceolata stand, such as clearfelling + natural regeneration, clearfelling + strip site preparation and artificial regeneration, clearfelling + soil preparation in small hole artificial regeneration, and control (no cut). Soil CO2, CH4, and N2O as well as environmental factors such as light, temperature, humidity, soil physical and chemical properties and soil microorganism would also be examined for 3 growing seasons. We will clarify the characteristics and trends of different regeneration after clearfelling on soil greenhouse gas fluxes, analysis the relationship between it and the organic carbon content of the soil, soil microorganisms, soil total nitrogen, nitrate, ammonia nitrogen content, pH value, soil temperature, humidity and other factors, reveal the impact mechanism and build the relational model of soil greenhouse gases flux and environmental factors. It will provide a scientific basis for evaluating felling and regeneration measures on the trend of soil greenhouse gases fluxes, and management measures for controlling ecosystem greenhouse gases fluxes.

森林是CO2、CH4和N2 O等温室气体重要的源、汇和转换器,在全球气候变化过程中起着重要作用。森林温室气体通量常常受到人类经营活动的影响。经营活动对森林温室气体排放影响的研究对于控制温室气体通量，调控经营措施，减缓温室效应意义重大。本项目选择杉木成熟林为研究对象，拟通过研究皆伐+天然更新、皆伐+带状人工更新、皆伐+穴状人工更新和不采伐四种经营方式下的土壤CO2、CH4 和N2O 三种温室气体排放的月变化、季节变化和年际变化；阐明皆伐后不同更新方式下土壤温室气体通量的变化特征及趋势，分析其与林地光照、温度、湿度等生态环境因子、土壤有机碳、硝态氮等理化性质和土壤微生物的相关关系，构建土壤温室气体排放与各环境因子的关系模型，揭示皆伐后不同更新方式作用于温室气体通量的可能机制。为科学认识采伐更新对林地土壤温室气体排放的影响机制提供理论依据，为提出改善经营措施从而减缓温室气体排放提供理论基础。

本研究发现皆伐显著增加了CO2和N2O气体的排放，抑制了CH4的吸收。皆伐后的更新方式显著影响温室气体的排放，但是不同的更新方式对温室气体排放影响的程度不一。皆伐后林地土壤温度升高，土壤湿度降低，皆伐后的人工更新会加剧这一趋势。杉木林在皆伐后可以萌芽更新形成杉木纯林，这种更新方式除了除萌之外不需要额外的人为干扰，所增加的温室气体排放最小。杉木林人工更新在利用萌芽特性基础上，还会进行各种人为干扰以便形成杉阔混交林。穴状整地+穴状抚育+补植阔叶树（CCRp）、全面整地+全面抚育+补植阔叶树（CCRo）、炼山+全面整地+全面抚育+补植阔叶树(CCB_SO)等人工更新方式经常使用。这三种更新方式对土壤的人为干扰程度CCRp< CCRo< CCB_SO。对温室气体排放的影响CCRp< CCRo< CCB_SO。造成温室气体排放不一的本质是经营措施的不同。人工更新方式是采伐剩余物处理、林地清理方式、整地方式、补植方式和抚育方式等多个环节的自由组合。本研究发现，采伐剩余物和抚育剩余物是否保留在林分内或保留数量直接决定了温室气体排放量，如果采伐剩余物全部带出林分，温室气体排放会显著降低。林地清理时采伐杂灌并保留在林分内越多则温室气体排放越多，如果炼山则短时间内会释放大量CO2，较长时间内林地的CO2通量则显著减少。整地和挖穴时翻出土壤可加快有机质分解，促进温室气体排放。因此，分析更新方式对温室气体排放的影响时不可一概而论。本研究发现皆伐后土壤温度增加，有机物输入增加，土壤扰动面积增加，有机质分解速率加快，微生物活性增加，从而增加了土壤CO2通量。本研究发现翻土增加了土壤孔隙，为土壤硝化微生物的生长创造了有利条件，采伐和抚育剩余物的输入增加了土壤有机质含量，为硝化反应提供了大量的反应底物，加上土壤温度的增加提高了其反应速率，从而增加了N2O的排放。本研究发现皆伐后土壤温度升高，土壤NH4+-N 浓度增加，土壤氮增加和氮素周转速率的加快，从而抑制了土壤CH4的吸收。研究结果为减缓全球气候变化的人工林经营提供了科学依据。