火干扰下森林土壤有机碳储量的区域估算研究

Fire is one of the most important disturbances in boreal forests, which significantly affects soil organic carbon cycle processes of these forests. However, the concurrent regional forest soil organic carbon storage estimations in Chinese boreal forests does not account for fire disturbances directly, which may lead to overestimation of soil organic carbon storage. Thus, this research intends to investigate four key scientific questions in Chinese boreal forests (Great Xing’an Mountains) that integrate field data collection, spatial statistic, and model simulations: 1) how do fires interact with vegetation and topographic factors in influencing forest soil organic carbon storage and its distribution? 2) what is the spatial heterogeneity characteristic of soil organic carbon in the Chinese boreal forests? Whether the soil organic carbon storage will be overestimated if ignoring the effects of fire disturbance? 3) how much can the fire disturbance impact the soil organic carbon storage over a whole period of forest succession? What is the difference of soil organic carbon storages that observed at short and long time frames? (4) how to reduce uncertainties in forest soil organic carbon storage estimation and how to validate model predictions over large spatial extent and long time frame? The research will quantify post-fire soil organic carbon storage and its dynamics in Chinese boreal forests, which would provide scientific basis for China’s carbon trade negotiation and forest fire management policies.

火干扰是影响北方森林土壤有机碳储量的主要因子之一。然而，当前北方森林土壤有机碳储量估算忽视了火干扰的作用，可能高估碳储量。本研究以我国北方森林（大兴安岭林区）为研究对象，采用野外调查、空间统计、模型模拟为手段，探讨火干扰对土壤有机碳储量的长期影响，回答4个科学问题：（1）林火如何与植被、地形等因子交互影响土壤有机碳储量？（2）火干扰后土壤有机碳储量空间异质性如何？忽视火干扰的作用，是否会高估景观尺度土壤有机碳储量？（3）在一个植被演替周期内火干扰对大兴安岭土壤有机碳储量影响有多大？长时间尺度观测的火干扰后土壤有机碳储量与当前短时间尺度（如<30年）观测的结果有什么区别？（4）如何处理火干扰后景观尺度土壤有机碳储量估算（时空外推）的不确定性问题？本研究的实践意义在于评估了火后景观尺度土壤有机碳储量及其空间分布；剖析了火后土壤有机碳的时间序列变化特征，为我国国际碳排放贸易谈判提供科学依据。

林火是驱动大兴安岭森林土壤有机碳动态变化的主要因子之一。量化火干扰对土壤有机碳库的影响，对我国碳估算具有重要意义。本研究以大兴安岭呼中区森林为研究对象，采用野外调查、空间统计、模型模拟为手段，研究了：1）林火烈度空间格局及其影响因素；2）火干扰后土壤有机碳时空格局及其影响因素；3）火干扰后土壤有机碳长时间序列变化轨迹。.得到以下主要结论：.（1）大兴安岭森林景观火烧后以重度火烧斑块为主导。重度火烧斑块的空间格局与中度、轻度以及未过火斑块存在显著差异性。相对于气候，地形和植被对塑造重度火烧斑块空间格局具有重要作用。.（2）0-10cm和10-20 cm层有机碳含量在轻度火烧后比未过火分别高12.53g•kg-1和14.08g•kg-1。重度火烧后0-20 cm层有机碳可以恢复至火前水平。中度火烧下20-30 cm层含量比未过火、轻度火烧和重度火烧高7.56~9.3g•kg-1；0-20 cm层有机碳含量随着火后恢复时间的延长逐渐增加。火后3年是有机碳含量较低的一个时期，比未过火低4.63~20g•kg-1。火后10年是碳含量较高的一个时期，比未过火高约8.03~16.59g•kg-1。.（3）影响土壤有机碳含量的环境因子中，地形因子中的海拔和坡位贡献率较大，最高可达18%左右；植被因子中郁闭度贡献率较大，最高达到 26%以上；火干扰因子里火烧强度贡献较大，最高可达17%左右。高海拔区主要分布的是偃松林，通常形成重度火烧。这在一定程度上能够解释海拔和火烧强度对土壤有机碳含量影响大的原因。.（4）长期模拟（2000-2300年）结果显示火干扰减少了5.4±3.1 t/ha土壤有机碳储量。未来短期（0-20年）、中期（30-50年）和长期（60-150年）火干扰对有机碳储量的相对影响分别为13.6％，23.9％和37.0％。未来100年后，B1气候情景林火预案下有机碳储量为110.9 t/ha，大于现行气候和A2气候变化情景林火预案下有机碳储量。.（5）未来大兴安岭林区温度和降雨量变化幅度存在不确定，导致未来100 年该地区土壤有机碳储量估算不确定性在 6.6-10.4%之间。