杨树人工林土壤碳动态及固碳潜力

人工林碳汇在全球碳循环及温室气体减排中的重要作用已成为全球共识，加强人工林固碳研究对适应和减缓全球变化具有重要意义。本书以我国典型人工林—杨树人工林为研究对象，围绕温带杨树人工林碳循环的关键环节，基于多年野外实地观测，分析了杨树人工林土壤碳排放的时空变异性，细根生长与周转，并在估测净初级生产力和异养呼吸的基础上，估算了杨树人工林的净生态系统生产力。通过碳循环过程与人工林管理措施的耦合，揭示了人工林生态系统固碳功能的影响机理及其对人为因子的响应机制。研究结果不仅为准确评估人工林生态系统的固碳潜力提供数据支撑，而且为人工林碳汇管理及制定气候变化适应性对策提供理论依据。 本书可供环境科学、生态学和土壤学的研究人员、相关专业师生及环保和林业技术人员参考，也可作为大学生及科技人员普及绿色低碳理念的参考书籍。

工业革命以来，由于化石燃料使用、土地利用方式改变、森林退化等人类活动的影响，CO2等温室气体排放量不断增加，导致全球变暖等一系列全球性生态环境问题，严重威胁人类的生存和发展。随着经济高速发展和城镇化进程的推进，我国能源消耗和温室气体排放量的增加趋势将难以改变，势必面临温室气体减排或限排的巨大压力。因此，如何促进陆地生态系统碳的固定及其稳定，减少CO2排放，已成为减缓气候变化的一个重要课题。森林生态系统的碳循环过程是影响全球气候系统的重要因素之一，其碳收支及碳循环机制一直是全球气候变化成因分析、减缓和适应气候变化领域的研究热点。
在当前全球变暖的大背景下，森林“碳汇”的增长或消减成为最受全球关注的环境问题之一。植树造林，作为一种能有效地增加陆地碳汇、减缓温室效应的土地利用方式，已被国际社会广泛认可及倡导。人工林生态系统作为人为控制下的主要固碳措施之一，对全球碳循环和减缓气候变化具有深远影响。因此，开展人工林生态系统碳储量和碳收支的估算，对构建区域尺度碳收支动态监测体系，定量评价我国森林生态系统的固碳增汇潜力具有重要意义。
人工林的经营与管理是实现和促进其“碳汇”功能的重要手段。作为人工生态系统类型，人工林的树种选择、营造方式、抚育措施等都可能直接或间接地影响人工林生态系统的结构与功能。人工林经营措施可通过改变林地的水热因子、养分因子和土壤结构，从而影响林地生产力、土壤有机碳和土壤呼吸等碳循环过程，是调控生态系统碳收支的更重要因素。因此，加强人工林生态系统管理是减排增汇的重要途径。
本书围绕建设生态文明，增强森林固碳功能和应对气候变化这一主题，以我国典型人工林——杨树人工林为研究对象，围绕温带人工林碳循环的关键环节，基于多年野外实地观测，分析了杨树人工林土壤碳排放的时空变异性，并在实地观测异养呼吸作用的基础上，估算了杨树人工林的净生态系统生产力。通过分析不同营林措施下的土壤碳动态，揭示了人工林生态系统碳循环关键过程的影响因素及其对人为管理的响应机制。
全书共7章。第1章阐述了人工林生态系统碳汇在全球碳循环和减缓气候变化中的重要地位；第2章分析了人工林生态系统土壤碳循环研究的最新进展，着重分析了主要营林措施对碳循环过程的影响；第3章分析了树龄、品种、灌溉及松土对杨树人工林土壤碳排放的影响，明确了土壤碳排放的时空变异性及主要影响因子；第4章分析了造林等不同土地利用类型对土壤碳循环的影响，分析了人工林、草地及农田土壤碳排放的差异及主要影响因子；第5章分析了杨树人工林根系呼吸动态及细根的生长周转；第6章分析了杨树人工林生态系统碳储量及其分配格局；第7章在估算净初级生产力和异养呼吸碳排放的基础上，估算了杨树人工林净生态系统生产力。
本书的研究内容，得到了中国科学院植被与环境变化国家重点实验室及北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室的大力支持；在野外观测中，得到北京师范大学同仁及新疆伊犁州林业局的大力协助；在稿件撰写过程中，引用了相关学者专家的研究成果，在此一并表示谢忱！
本书的出版得到山西省重点研发计划项目（社会发展，201903D321070）资助，特此致谢！
本书可供环境科学、生态学和土壤学的研究人员、相关专业师生及环保和林业技术人员参考，也可作为大学生及科技人员普及绿色低碳理念的参考书籍。

闫美芳
2020年7月

闫美芳，女，博士，太原理工大学副教授，硕士生导师。2006.09—2009.07，中国科学院植被与环境变化国家重点实验室，获博士学位；2009.09—2011.09，北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，从事博士后研究。获国家发明专利3项。现主持山西省社会发展重大研究计划项目，曾参与国家“973”、“863”项目和国家重大专项的研究工作。2018年获山西省教授协会“师德楷模”称号。主要研究方向为生态系统碳氮循环、矿区环境修复和生物炭资源化利用。

本书以杨树人工林为研究对象，围绕人工林碳循环的关键环节，基于多年野外实地观测，揭示了杨树人工林土壤碳排放的时空变异规律，评估了树龄、树种及灌溉等管理措施对土壤碳排放的影响，并在估测净初级生产力和异养呼吸的基础上，估算了杨树人工林的净生态系统生产力。通过碳循环过程与人工林管理措施的耦合，揭示了人工林生态系统的主要固碳机理及其对人为因素的响应机制。
本书可供环境科学、生态学和土壤学的研究人员、相关专业师生及环保和林业技术人员参考，也可作为大学生及科技人员普及绿色低碳理念的参考书籍。

第1章 绪论 / 001
1.1 研究背景 / 001
1.1.1 全球气候变暖及其原因 / 001
1.1.2 森林生态系统碳循环与大气CO2浓度 / 002
1.1.3 适应和减缓气候变化的“森林方案” / 004
1.2 人工林生态系统的固碳功能 / 005
1.2.1 人工林对减缓全球变化的贡献 / 005
1.2.2 人工林生态系统的碳库构成 / 006
1.2.3 管理措施对人工林碳库的影响 / 009
1.2.4 人工林的净生态系统生产力 / 011
1.2.5 杨树人工林现状及其固碳效率 / 013
1.3 人工林固碳的研究意义 / 015

第2章 影响人工林土壤碳循环的主要因子 / 017
2.1 管理措施对人工林土壤有机碳库的影响 / 017
2.1.1 造林树种 / 018
2.1.2 林龄或轮伐期 / 019
2.1.3 灌溉 / 020
2.1.4 采伐 / 020
2.1.5 施肥 / 021
2.2 土地利用方式转变对土壤有机碳库的影响 / 022
2.3 人工林细根生长与周转 / 025
2.3.1 细根生物量 / 026
2.3.2 细根垂直分布 / 027
2.3.3 细根生产与周转 / 027
2.3.4 细根生长的主要影响因子 / 028
2.4 土壤碳循环测定方法研究 / 029
2.4.1 人工林土壤有机碳库的测定 / 029
2.4.2 人工林土壤碳排放的测定 / 030

第3章 杨树人工林的土壤碳循环 / 033
3.1 研究区概况与研究方法 / 034
3.1.1 新疆伊犁——杨树人工林培育的沃土 / 034
3.1.2 样地设置与实验设计 / 035
3.1.3 土壤呼吸测定 / 036
3.1.4 样品采集测定 / 036
3.1.5 数据分析 / 037
3.2 土壤呼吸的时间变化规律 / 037
3.2.1 不同树龄人工林土壤呼吸的季节变化 / 037
3.2.2 土壤呼吸速率的日变化 / 040
3.3 树龄对人工林土壤呼吸的影响 / 042
3.3.1 不同树龄人工林土壤性质及根系的差异 / 042
3.3.2 树龄对人工林土壤呼吸的影响机制 / 043
3.4 杨树品种对人工林土壤呼吸的影响 / 044
3.4.1 不同品种人工林土壤呼吸的时间动态 / 044
3.4.2 不同品种人工林土壤环境因子的差异 / 045
3.4.3 杨树品种对土壤呼吸的影响机制 / 046
3.5 松土对人工林土壤呼吸的影响 / 048
3.5.1 松土前后土壤呼吸比较 / 048
3.5.2 松土促进土壤碳排放 / 049
3.6 土壤水分对土壤呼吸的影响 / 049
3.6.1 不同土壤含水量下的土壤呼吸作用 / 050
3.6.2 品种与土壤水分对土壤呼吸的交互作用 / 051
3.6.3 不同土壤含水量下的土壤呼吸模拟 / 053
3.6.4 土壤含水量对土壤呼吸的影响机制 / 055
3.7 土壤呼吸的空间异质性 / 056
3.7.1 土壤呼吸的空间变异性 / 057
3.7.2 土壤呼吸速率与观测位置 / 058
3.7.3 细根与土壤因子的空间变异 / 060
3.7.4 土壤呼吸的空间变异分析 / 060
3.7.5 观测位置与土壤呼吸空间变异 / 062

第4章 土地利用类型对土壤碳循环的影响 / 065
4.1 研究地概况 / 066
4.1.1 伊犁河谷研究地概况 / 066
4.1.2 太原地区研究地概况 / 067
4.1.3 实验设计及样品采集 / 068
4.1.4 数据分析 / 068
4.2 土地利用类型对土壤呼吸的影响 / 069
4.2.1 人工林地与草地的土壤呼吸日变化 / 069
4.2.2 人工林地与草地的土壤呼吸季节动态 / 071
4.2.3 不同土地利用方式下的土壤碳排放量估算 / 071
4.2.4 土地利用方式对土壤呼吸的影响 / 073
4.2.5 土壤呼吸的温度敏感性分析 / 075
4.3 不同土地利用方式下的土壤碳密度 / 077
4.3.1 人工林地与农田的土壤碳密度比较 / 078
4.3.2 人工林地与草地的土壤碳密度比较 / 079
4.3.3 农田造林可增加土壤碳储量 / 080
4.3.4 细根是林地土壤碳库的重要来源 / 082
4.3.5 土地利用方式对土壤碳储量的影响机制 / 083

第5章 杨树人工林根系动态与碳循环 / 085
5.1 实验设计与样品采集 / 086
5.1.1 根系呼吸与异养呼吸的区分 / 086
5.1.2 细根研究方法 / 086
5.1.3 数据处理 / 087
5.2 人工林根系呼吸动态 / 088
5.2.1 根系呼吸的季节变化 / 088
5.2.2 根系呼吸对土壤呼吸的贡献 / 089
5.2.3 土壤环境因子及细根动态 / 090
5.2.4 根系呼吸与树龄的关系 / 091
5.2.5 根系呼吸主要影响因子分析 / 092
5.3 杨树人工林细根动态 / 093
5.3.1 杨树人工林细根生物量动态 / 094
5.3.2 细根生产、周转和碳储量 / 100
5.4 灌溉对细根生长的影响 / 102
5.4.1 灌溉前后细根生物量的变化 / 102
5.4.2 灌溉对细根生长的影响机制 / 102

第6章 杨树人工林生态系统碳分配 / 104
6.1 研究方法 / 105
6.1.1 人工林生物量和凋落物碳库估算 / 105
6.1.2 人工林土壤有机碳库估算 / 106
6.1.3 人工林固碳速率估算 / 106
6.2 杨树人工林的含碳率 / 106
6.2.1 杨树人工林各组分的含碳率 / 106
6.2.2 杨树人工林含碳率的变化规律 / 108
6.3 杨树人工林的碳密度 / 108
6.3.1 杨树人工林各组分的碳密度 / 108
6.3.2 树龄对人工林碳密度的影响 / 109
6.3.3 人工林类型对碳密度的影响 / 111
6.4 杨树人工林的碳分配 / 112
6.4.1 杨树人工林生态系统的碳分配格局 / 112
6.4.2 树龄对碳分配的影响机制 / 112
6.5 杨树人工林的固碳速率 / 114
6.5.1 杨树人工林生态系统的固碳速率 / 114
6.5.2 人工林固碳速率的影响因素 / 114

第7章 杨树人工林净生态系统生产力 / 116
7.1 研究方法 / 118
7.1.1 异养呼吸碳排放的估算 / 118
7.1.2 净生态系统生产力估算 / 119
7.2 人工林异养呼吸动态 / 120
7.2.1 不同树龄人工林异养呼吸动态 / 120
7.2.2 不同品种人工林异养呼吸动态 / 122
7.2.3 异养呼吸影响因子分析 / 124
7.3 不同树龄杨树人工林净生态系统生产力 / 125
7.3.1 不同树龄人工林净初级生产力估算 / 125
7.3.2 不同树龄杨树人工林净生态系统生产力 / 126
7.3.3 树龄对人工林净生态系统生产力的影响 / 126
7.4 不同品种杨树人工林净生态系统生产力 / 127
7.4.1 不同品种人工林生态系统碳分配 / 127
7.4.2 不同品种人工林净初级生产力估算 / 128
7.4.3 不同品种杨树人工林净生态系统生产力 / 129
7.4.4 品种选择对杨树人工林固碳的影响 / 130
7.5 主要人工林类型净生态系统生产力的比较 / 131

参考文献 / 135