杨树人工林皆伐对生态系统CH_4、CO_2和水汽通量的影响

【摘要】：采伐和更新是人工林经营的重要环节,它往往会导致生态系统碳水循环过程发生巨大变化,这给人工林在减缓气候变化方面的功能带来极大的不确定性。为揭示滩地杨树人工林皆伐对生态系统碳、水通量的影响及调控机理,为该区域杨树人工林经营管理和生态价值评估提供科学依据,特开展了滩地杨树人工林皆伐与更新期间的碳水通量观测研究。本文以湖南省岳阳市长江滩地杨树(Populus deltoides)人工林为研究对象,以涡度相关法为主要研究手段,对杨树人工林皆伐前后的CH4、CO2和水汽通量进行为期四年多(2010-2013年)的长期连续观测研究。本研究结果显示,滩地杨树人工林的皆伐对生态系统CH4、CO2和水汽通量均产生了较大影响,其具体表现为:(1)皆伐改变了生态系统CH4的源汇功能。皆伐使生态系统CH4吸收强度减弱,并最终转变成长期的CH4源。采伐后非淹水期CH4排放强度为0.11±0.08 mmolm-2d-1,而淹水期的排放强度为2.17±1.16 mmolm-2d-1,最大为~4.4 mmolm-2d-1。(2)滩地非淹水期和淹水期CH4通量的主要调控因子不同。未淹水期间,研究区CH4通量主要受地下水位、土壤含水量、大气湍流状况等共同调节,因而CH4通量的日变化和季节变化规律均不明显。而淹水期间,淹水深度是CH4通量最主要的调控因子,且当水位达~1.2 m时CH4排放强度达到峰值(~40 nmol m-2 s-1),因而研究区CH4通量的年际变化很大程度由淹水状况决定。(3)皆伐对生态系统的CO2净交换产生了重大影响,表现为采伐后生态系统立即从CO2汇转变成CO2源,但于翌年生长季开始时转变为微弱的CO2汇,期间总CO2排放量为209 g-Cm-2。采伐迹地CO2年通量(-4.60±1.90 mol m-2,2012年)仅皆伐前成熟林年通量(-83.12±8.24 mol m-2,2010年)的5.5%。林下草本植被旺盛的生长力是采伐迹地较快转变为碳汇的主要原因。(4)皆伐后ER的总量仅略微升高,但ER对温度的敏感性增强,且ER各组分比例发生变化。采伐迹地年ER(96.41 mol m-2,2012)是成熟林(2010年)的1.07倍。以土壤温度计算的Q10值由采伐前的2.01上升到采伐后的2.12和2.34。由于地上和地下生物量的大幅减少,土壤呼吸的比重上升到ER的94.0%,其中土壤微生物的呼吸是土壤呼吸最主要的部分。去除温度影响后,ER与归一化指标指数(NDVI)呈指数关系。(5)皆伐导致了GEP的大幅下降,其中采伐迹地的年GEP(101.0 mol m-2,2012年)仅成熟林(173.5mol m-2,2010年)的58.2%。皆伐改变了生态系统的植被组成,进而影响了生态系统光能利用效率和最大总生态系统生产力。成熟林和采伐迹地的最大光能利用效率分别为0.1和0.08 mol-CO2 mol-1,而最大总生态系统生产力分别为67.8和16.5umol m-2 s-1。采伐前后的光能利用效率和最大总生态系统生产力均与NDVI呈线性关系。(6)皆伐后,采伐迹地的ET和水分利用效率较成熟林均明显下降。采伐迹地(2012年)年ET和水分利用效率分别为成熟林(2010年)的70.0%和85.6%。皆伐前后ET均和NDVI呈指数响应关系。(7)基于NDVI和其他因子的模型能较好的模拟各种干扰下ER、GEP和ET的动态变化。方程如下:式中为参考温度和NDVI条件下的ER,和分别为参考温度(℃)和NDVI,分别设为15℃和0.4,B1和B2均为试验常数;为生态系统的光量子利用率(mol-CO2 mol-1光量子),为光量子达到饱和状态时的最大总初级生产力(mol-1 m-2),Par为光量子数(mol光量子);ETo为基于FAO Penman-Monteith模型计算的潜在蒸发散(mm d-1)。各式中a,b和c均为试验常数。本研究结果表明,长江滩地杨树人工林皆伐期间产生的碳排放量较小,且杨树人工林生长期间碳汇功能强大,因此长江滩地杨树人工林整个轮伐期将具有较大的碳汇能力。本研究结果还显示,长江滩地人工林的CH4通量在整个生态系统的碳通量中所占比重较小,然而此结论仍需要更长时间数据的佐证。