疏伐调控：次生阔叶林碳汇功能短期响应机制及其对气候减缓的优化策略

《Plants》：Short-Term Effects of Thinning on the Carbon Sink Function of Secondary Broadleaf Forest Ecosystems Xiaohong Wu, Xiaomei Jiang, Suyun Zheng, Weiqing Qiu, Guojun Miao, Jianjun Zhong, Lin Xu and Yongjun Shi

本研究系统探究了不同疏伐强度对次生阔叶林生态系统碳汇功能的短期影响，揭示了适度（10%）疏伐可协同提升植被与土壤碳固存，增强生态系统整体碳汇能力，为优化森林管理、提升次级森林碳汇潜力以应对气候变化提供了关键数据支持和科学依据。

　　

1. 引言

森林是陆地生态系统中最大的植被碳库和碳汇，在调节全球碳循环和缓解气候变化方面扮演着至关重要的角色。二氧化碳(CO₂)是气候系统中影响最深远、持续时间最长的温室气体，其大量排放导致的全球变暖效应显著。森林通过植被的光合作用吸收并固定大气中的CO₂，形成植被碳库；同时，通过微生物转化和植物根系将碳封存于土壤中，形成可储存数十年甚至数百年的土壤碳库。因此，制定科学的森林管理措施对于缓解气候变化至关重要。

常见的森林经营技术包括造林、计划烧除和疏伐。作为一种普遍的森林管理实践，疏伐被广泛应用于森林经营中。疏伐通过减少林木间的竞争来增强林分活力，从而有效促进林木材积生长。适当的疏伐强度能够刺激树木生长，改善林分环境，维持生态系统功能。疏伐不仅直接影响地上植被，还会通过改变森林小气候、凋落物数量与质量、根系分泌物及细根周转等，间接影响地下土壤微生物群落及其功能，进而深刻影响微生物群落组成、代谢活性及其介导的土壤碳循环过程。

不同森林类型的碳汇能力存在差异。其中，亚热带森林因其高生产力、高生物多样性和碳储量潜力而尤为重要。亚热带常绿阔叶林是分布在湿润亚热带气候区的典型植被类型。然而，由于长期人为干扰或自然气候变化，我国大部分亚热带常绿阔叶林已退化为次生阔叶林，导致其在演替过程中稳定性差，存在生长缓慢、碳汇能力低、经济价值不高等问题。鉴于其分布广泛、面积巨大，恢复次生阔叶林的生态功能和经济价值具有重要意义。不同强度的疏伐实践对森林产生的影响不同。实施适当的疏伐措施以优化林分结构，可以增强次生阔叶林生态系统的稳定性并提高其碳汇能力。

本研究旨在阐明不同疏伐强度对次生阔叶林生态系统碳汇能力的影响。具体目标包括：(1) 研究不同疏伐强度对温室气体通量的影响；(2) 研究不同疏伐强度对次生阔叶林生态系统碳汇能力的影响。我们提出以下假设：(1) 疏伐会增加土壤温室气体排放，且增加幅度与疏伐强度成正比；(2) 在短期恢复期内，疏伐通过刺激土壤微生物活性而减少土壤碳储量；(3) 重度疏伐促进短期植被碳积累，但这种收益可能会被增加的土壤温室气体排放部分抵消。本研究通过整合植被碳动态、土壤碳动态、土壤温室气体通量及其驱动因素，综合评估了疏伐对生态系统碳汇功能的影响。

2. 材料与方法

2.1. 研究区域

研究区位于中国浙江省丽水市遂昌县虎山森林场。该地区属亚热带季风气候，冬冷夏热，四季分明。年平均降水量1345毫米，年平均气温15.6℃。无霜期年平均251天，年日照时数2146小时。海拔在400米至460米之间。根据2014年联合国粮农组织土壤分类系统，研究区土壤被归类为铁铝土。

2.2. 实验设计

研究区域以青冈、冬青、木荷等树种为优势树种。于2024年7月，在海拔、气候条件和立地特征相似的次生阔叶林林分内设立样地。为减少环境变异性并增强处理间比较的精度，根据地形的相似性、土壤类型和植被结构，将研究区域划分为四个空间独立的区组，区组间至少间隔20米。每个区组内的环境条件相对均匀，使我们能够将疏伐强度的影响与潜在的立地变异性分离开来。在每个区组内，随机建立四个20米×10米的永久样地，并施加以下四种疏伐处理：对照(CK, 0%树木去除率)、轻度疏伐(LT, 15%)、中度疏伐(MT, 25%)和重度疏伐(HT, 35%)。该设计共产生16个实验样地。为尽量减少处理间的干扰，在同一区组内的相邻样地间建立了至少5米宽的缓冲带。

在每个永久样地内，林木选择基于径级分布结构和树木分级。具体而言，为释放林分生长潜力并优化种内竞争格局，我们识别并标记了所有径级中生长受到抑制、干形不良和生长活力减弱的被压木（主要是小径级），以及对周围目标树种构成严重竞争的所有径级中的干扰木。优先移除枫香等先锋树种，而将青冈、冬青等顶极树种保留为目标树。所有采伐剩余物在收获后均被清理，以消除凋落物输入对土壤碳动态的干扰。样地建立后，在每个样地的关键处理位置部署了静态箱。

2.2.1. 土壤温室气体排放测量

从2024年7月到2025年6月，于每月中旬的晴天上午9:00至11:00之间采集温室气体样品。静态箱由聚氯乙烯(PVC)底座和可拆卸的盖子组成。盖上中心有一个装有橡胶塞的小孔。在气体收集前，使用剪刀移除底座内的植被。盖子闭合后，在U型槽中注水以确保密封。使用配备三通阀的100毫升注射器每隔10分钟（即在0、10、20和30分钟时）采集样品。样品存储在100毫升密封铝箔气体袋中用于实验室分析。同时，测量并记录5厘米深度的土壤温度。测试样品采集后，在48小时内使用岛津气相色谱仪分析气体样品。样品分析采用实验室标准参考条件下制备的温室气体浓度标准曲线。

2.3. 植被与土壤碳储量测定

（注：文档“材料与方法”部分在详细描述土壤温室气体通量计算公式后中断，未提供关于植被生物量、土壤有机碳等具体碳储量测定方法的详细内容。根据学术论文常规结构，此部分通常包括树木调查、生物量估算、土壤取样与分析等方法。由于提供的文档内容在此处不完整，无法根据原文详述植被与土壤碳的具体测定方法。下文“结果”部分提及的植被碳固存和土壤有机碳固存数据表明相关测定已完成。）

3. 结果

3.1. 疏伐对土壤温室气体排放的影响

结果显示，与对照(CK)相比，不同疏伐处理显著改变了土壤温室气体(CO₂、N₂O、CH₄)的排放通量。土壤总温室气体排放量在轻度疏伐(LT)、中度疏伐(MT)和重度疏伐(HT)下分别增加了1.9%、31.86%和42.18%。这表明疏伐确实增加了土壤温室气体排放，且增加幅度与疏伐强度呈正相关，验证了研究的第一个假设。

3.2. 疏伐对植被碳固存的影响

疏伐对植被碳固存的影响呈现非线性变化。与对照相比，植被碳固存在轻度疏伐(LT)和中度疏伐(MT)下分别下降了5.26%和16.22%，而在重度疏伐(HT)下则增加了13.17%。这表明轻度到中度的疏伐在短期内可能因生物量移出而导致植被碳库减少，而重度疏伐可能通过显著改善剩余木的生长条件（如光照、水分和养分），促进了留存植被的碳积累，部分验证了研究的第三个假设。

3.3. 疏伐对土壤有机碳固存的影响

不同疏伐强度对土壤有机碳固存的影响差异显著。与对照相比，土壤有机碳固存在轻度疏伐(LT)下增加了37.33%，但在中度疏伐(MT)和重度疏伐(HT)下分别下降了5.89%和61.41%。这表明轻度疏伐可能通过改变微环境（如适度增温、增加凋落物分解）促进了土壤碳的短期固定，而中度和重度疏伐则可能因强烈的环境扰动（如土壤温度大幅升高、微生物活性激增）导致土壤有机碳的加速分解和损失，这与研究的第二个假设部分相符。

3.4. 疏伐对生态系统碳汇功能的综合影响

综合植被碳动态、土壤碳动态及温室气体排放，评估了不同疏伐处理下生态系统净碳汇的变化。与对照相比，生态系统碳固存量在轻度疏伐(LT)下增加了30.66%，而在中度疏伐(MT)和重度疏伐(HT)下分别减少了32.06%和71.73%。这一结果清晰地表明，轻度疏伐(10%树木去除率)是短期内增强次生阔叶林生态系统碳汇功能的最优策略。它能够在不过度增加土壤温室气体排放的前提下，显著提升土壤有机碳固存，虽然植被碳固存略有下降，但生态系统整体碳汇能力得到增强。

4. 讨论与结论

本研究表明，疏伐强度是调控次生阔叶林生态系统碳平衡的关键因子。轻度疏伐(LT)处理通过优化林分结构，改善了土壤微环境，可能在短期内刺激了土壤微生物对新鲜有机质的固定，从而显著提升了土壤有机碳储量。其带来的土壤碳增益远远抵消了因植被碳少量减少和温室气体排放微增所产生的碳损失，最终使生态系统净碳汇能力提升超过30%。

相反，中度和重度疏伐虽然可能促进留存木的生长（在HT中体现），但引发了更剧烈的土壤环境变化，导致土壤呼吸和温室气体排放（特别是CO₂和N₂O）显著增加，同时造成土壤有机碳的大量损失。这种碳支出的急剧增加远超植被可能产生的碳收益，导致生态系统整体碳汇功能大幅下降，尤其是在重度疏伐下，碳汇能力降低了超过70%。

因此，对于旨在快速提升碳汇功能以应对气候变化的次生阔叶林管理，推荐采用约10%的轻度疏伐强度。该强度能够在不显著破坏现有植被碳库的前提下，有效激发土壤碳封存潜力，实现生态系统碳汇功能的短期增益。这为亚热带地区退化次生林的近自然经营和基于自然的气候变化解决方案提供了直接的科学依据。未来的研究需要关注不同疏伐处理下碳通量变化的长期趋势，并深入揭示其背后的微生物学机制和关键环境驱动因子。