人工林物种多样性对土壤碳汇功能影响研究综述

勾昕

摘 要 通过土壤碳固定应对气候变化和生物多样性的保护一直是科学家、政府和民间关注的重点，但以前它们很少被放在一起讨论。通过造林的方式建植人工林是应对全球气候变化的重要手段，研究人工林物种多样性与土壤有机碳储量间的关系，能为设计建植碳富集的人工林生态系统提供理论和方法。

关键词 人工林；土壤碳汇功能；物种多样性

中图分类号：S154 文献标志码：B 文章编号：1673-890X（2015）24--02

森林生态系统是全球陆地生态系统重要组成部分，约占整个陆地面积的65%，， 存储了整个陆地生态系统62%-～78%的碳， ，而其中的70%又蓄储存于森林土壤中。 另外，每年森林生态系统通过植被的光合和呼吸作用与大气间交换的碳约为50 Pg，这相当于每年人为排放量的7倍。 因此，森林生态系统碳密度的波动对大气中CO2的浓度将产生重大影响，而这也为通过增加森林生态系统的面积以及提高其碳密度来减缓全球变暖提供了可能。通过在撂荒（abondaned）农田或者牧场以及自然草地上进行造林（（afforestation， 造林区域以前没有森林覆盖））和再造林（（reforestaion，造林区域以前被森林所覆盖）），不但能使生态系统的功能以及生物多样性有机会得以恢复，并且还可以在土壤和植物生物量中重新累积并储存大量的碳，从而被政府间气候变化专门委员会推荐作为应对大气CO2浓度升高的一种方法. 。

近年来，世界范围内高的生物灭绝的速率，使得生态学家更加关注物种多样性与生态系统过程和功能之间的关系[1]。植物物种多样性及物种组成会影响生态系统的生产力、稳定性、养分动态等生态系统功能和过程[2]，也会对土壤碳汇功能产生影响[3]。但目前，关于生物多样性与生态系统碳平衡间的相互关系缺少实验证据，特别是而关于植物多样性及其变化对土壤碳固定影响的研究更不充分[4]。充分地研究物种多样性与陆地生态系统碳固定之间的关系，能使人们更好地应对气候以及土地利用变化对自然生态系统的影响；特别是研究人工林物种多样性与碳密度的关系，能为设计建植碳富集的人工林生态系统提供理论和方法，以加强人类应对气候变化的能力[5]。

1 人工林物种多样性影响土壤碳汇功能的理论基础

以往关于植物物种多样性和群落组成与生态系统功能之间关系的研究主要集中在草地生态系统。而通过这些研究，发现了许多生物多样性影响生态系统功能的现象，也提出很多理论和假说来解释这些现象。例如，提出“生态位互补”和“抽样效应”2种假说来解释物种多样性与生产力间的正相关关系。“生态位互补”假说认为，由于物种丰富的群落对限制资源的利用更有效率。因此，该生态系统的生产力就更高。而“抽样效应”假说认为，物种丰富度越高的群落包含高生产力且具有较强竞争力的物种的可能性就越大。但是这些结论和假说能否应用到其他生态系统还存在诸多疑问[6]。

2 人工林群落生产力与土壤碳汇功能研究

植物物种多样性和群落组成通过植物群落生产力对土壤碳库潜在的输入量产生影响[3]。另外，植物物种多样性和群落组成还通过植物群落生产力调节土壤呼吸，进而影响土壤碳元素的输出。然而来自不同森林生态系统的研究却显示植物物种多样性与土壤碳固定和碳储量间并不存在确定的相互关系。Zhang[7]等人调查了位于中国西南部的亚高山针叶林演替序列，发现植物多样性与土壤碳储量间没有相关性，但与地上部分生物量碳储量间呈显著负相关。在人工管理的森林生态系统和农林复合生态系统内，也发现物种多样性与土壤碳储量或密度没有相关性。Jonsson[8]等分析了来自于30个不同时间经历火烧的阔叶林岛屿的数据，发现了植物物种多样性和群落组成与整个生态系统碳储量（包括地上生物量碳储量，土壤和植物地下生物量碳储量）显著正相关，但他们认为，对于森林生态系统植物物种多样性对生态系统碳储量的影响要远小于群落物种组成的影响。

3 人工林物种组成与土壤碳汇功能

森林生态系统的植被主要包括两个部分，林冠层的乔木和林下植被。由于自身碳储量较少，在计算森林生态系统碳储量时，一般不将林下植被考虑在内。然而，林下植被对森林生态系统的许多生态系统过程和特征起着至关重要的作用，例如，森林生态系统演替，物种组成，控制森林微气候影响种植萌发和幼苗生长，影响养分循环和能量流动等。最近的研究表明，林下植被在不同的森林生态系统碳循环中也起着重要作用。例如，通过剔除人工林林下植被，Wang[9]等人发现土壤呼吸和土壤碳固定发生了显著变化。在一项关于黑云杉林生态系统土壤碳库的研究中，研究人员发现一种关键物种Sphagnum moss的多度是土壤碳库重要的指示因子[10]。而同样是林下植被的一种茜草的数量以及它的功能特征，对热带人工林的生产力和养分可利用性等生态系统功能也起着极其重要的作用[11] 。

参考文献

[1]Hooper DU，Chapin IIIFS，Ewel JJ. Effects of Biodiversity on Ecosystem Functioning： A Consensus of Current Knowledge[J]. Ecological Monographs， 2005（75）：3-35.

[2]Tilman D，Fargione J，Wolff B，et al. Forecasting Agriculturally Driven Global Environmental Change[J]. Science，2011（292）：281-284.

[3]Kirby KR， Potvin C. Variation in Carbon Storage Among Tree Species： Implications for the Management of A Small-scale Carbon Sink Project[J]. Forest Ecology and Management，2007（246）：208-221.

[4]Fornara DA， Tilman D. Plant Functional Composition Influences Rates of Soil Carbon and Nitrogen Accumulation[J]. Journal of Ecology，2008（96）：314-322.

[5]Ruiz-Jean M， Potvin C. Tree Diversity Explains Variation in Ecosystems Function in A Neotropical Forest in Pananma[J]. Biotropica，2010（42）：638-646.

[6]Loreau M， Hector A. Partitioning Selection and Complementarity in Biodiversity Experiments[J]. Nature，2011（412）：72-76.

[7]Zhang YB， Duan BL， Xian JR， et al. Links Between Plant Diversity，Carbon Stocks and Environmental Factors Along A Successional Gradiert in Subalpine Coniferous Foret in Southwest China[J]. Forest Ecolory and Management，2011（262）：361-369.

[8]Jonsson M， Wardle DA. Structural Equation Modelling Reveals Plant-community Drivers of Carbon Storage in Boreal Foret Ecosystems[J]. Biological Letter，2010（6）：116-119.

[9]Wang XL， Zhao J， Wu JP， et al. Impacts of Understory Species Removal and/or Addition on Soil Respiration in A Mixed Forest Plantation with Native Speceis in Southern China[J]. Forest Ecology and Management，2011（261）：1053-1060.

[10]Hollingsworth TN， Schuur EAG， Chapin IIIFS et al. Plant Community Composition as A Predictor of Regional Soil Carbon Storage in Alaskan Boreal Black Spruce Ecosystems[J]. Ecosystems，2008（21）.

[11]Firn J， Erskine PD， Lamb D. Woody Species Diversity Influences Productivity and Soil Nutrient Availability in Tropical Plantations[J]. Oecology，2007（154）：521-533.

（责任编辑：赵中正）