【论文】原始森林退化对土壤温室气体排放的影响

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本文字数：1314字

阅读时间：4分钟

 

研究背景

土地利用改变是全球变化问题的重要组成之一，是导致未来温室效应加剧的关键因素，仅次于化石燃料燃烧。随着人类干扰与气候变化的加剧，全球范围内大面积的原始森林转变为其它植被类型，如次生林、人工林、草地和农田等；由此导致的物种组成、植被生产力、土壤有机碳储量、微生物群落组成及生物量等的改变可能会对土壤温室气体(CO₂、N₂O和CH₄)排放产生巨大的影响。

近几十年来，大量案例研究报道了有关原始森林的土地利用方式转变后对土壤温室气体排放的影响，但结果并不一致，从而限制了我们对大尺度土地利用改变效应的评估。

其中，土地利用方式转变的类型、原始林退化后的时间和人为的经营管理(尤其是农田、草地)均是导致不同研究结果之间差异性的可能原因。尽管前期已有了相关的整合研究，但是存在着诸多限制：

(1)只关注局部区域，如热带区域的原始森林；

(2)涉及的土地利用类型不全面；

(3)未考虑自原始森林退化后所经历时间的影响；

(4)缺乏对响应机制的探讨；

(5)样本量有限。

目前，全球尺度有关原始森林的土地利用方式转变对土壤温室气体排放影响的一般化模式以及控制因素仍不清楚。因此，研究组通过meta分析的手段对该问题进行了系统研究。

图1 研究样点分布

材料与方法

本研究基于已发表的101篇文献，分别获取了有关土壤CO₂、N₂O和CH₄通量的137、104和88个成对样本数据。

其中，原始森林的土地利用方式转变划分为如下6个类型：原始林-次生林(Pri.-Sec.)、原始林-人工林(Pri.-Pla.)、原始林-草地(Pri.-Gra.)、原始林-农田(Pri.-Agr.)和原始林-其它(Pri.-Other)。

采用混合效应meta回归模型(mixed-effects meta-regression model)和加权的随机森林分析(weighted random-forest analysis)等方法进行了相关分析。

结果&讨论

研究发现，原始森林转变为其它植被类型总体上降低了土壤CO₂排放，而对CH₄排放表现出促进作用，相比之下对N₂O排放没有明显影响。

此外，这种效应在不同的土地利用转变类型之间并不一致(图2)。比如，在原始森林转变为草地的情况下，土壤CO₂通量没有明显的变化。

有关时间序列的分析表明，土壤N₂O通量在原始森林转变后的最初阶段(< 5年)表现出显著的增加，之后则慢慢降低(图3)。

图2  原始森林转变对土壤温室气体排放及相关环境因子的影响

图3 土壤温室气体排放效应值的时间动态

进一步分析发现当原始森林转变为其它植被类型后，土壤微生物生物量碳和根生物量的效应值，以及年平均降水量是调节土壤CO₂通量响应的关键因子；土壤N₂O通量的变化主要受土壤硝态氮、容重和铵态氮对原始森林转换响应的调节；与土壤通气状况密切相关的湿度和容重等因素的效应值是调节土壤CH₄通量变化的主要因素(图4和图5)。

图4 土壤温室气体的效应值与主要环境变量之间的相关关系

图5  调节土壤温室气体通量效应值的相关环境变量之间的重要性

小结

总体而言，本研究揭示了原始森林在转变为不同土地利用方式情况下，对土壤CO₂、N₂O和CH₄三种温室气体排放影响的全球模式，并结合主要环境变量分别探讨了相关的影响机制；在当前全球土地利用变化问题日益严峻的背景下，本研究结果为理解原始森林转变或退化如何影响土壤温室气体排放提供了重要数据基础。

本研究于2020年1月13日以“Changes in soil greenhouse gas fluxes by land use change from primary forest”为题在线发表于Global Change Biology期刊上。北京大学地下生态学研究组2018级博士生韩孟光为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者。本研究受到国家重点研发专项（2017YFC0503903）和基金委基础科学中心项目（31988102）资助。

编辑 丨 干大勇

审核 丨 朱彪

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