由于地球大气(CO2浓度升高造成温室效应,生态系统碳循环与碳平衡研究成为学者们关注的热点问题,森林对碳循环的作用也受到越来越多的关注。森林碳库是陆地生态系统储存碳元素最多的碳库,在调节CO2浓度及减缓温室效应中发挥着不可替代的作用。林火干扰作为森林生态系统非连续的干扰因子,导致植被碳库、凋落物碳库和土壤有机碳库的动态变化,从而影响生态系统碳循环过程,进而对大气碳平衡及气候变化产生影响。近年来,随着气候变暖的加剧,林火干扰的频率和强度增加,其碳汇效应引起科研工作者们的普遍关注,但目前有关林火干扰对生态系统碳库影响的定量化研究及其影响机制尚不清楚。因而,本研究选择林火干扰易发频发的广东亚热带林区为研究区域,研究林火干扰对生态系统碳库的量化影响及影响机制,进而有利于减少全球碳平衡估算中的不确定性。本研究立足森林生态系统尺度,以广东亚热带4种林型为研究对象,采用相邻样地法,以野外调查采样与室内试验分析相结合的方法,设定固定标准样地,进行植被生物量、凋落物生物量和土壤样品的采样,对采集的样品进行试验分析与数据统计分析,测定植被和凋落物生物量、碳含量以及土壤容重和有机碳含量,计算植被、凋落物和土壤有机碳密度。在森林生态系统水平上,研究不同林火干扰强度(轻度、中度和重度)对森林生态系统各碳库(植被、凋落物和土壤有机碳)及生态系统碳库产生的变化规律和空间分布格局的影响,量化林火干扰对不同林型生态系统碳库的影响,解析林火干扰强度、林型及土层深度对生态系统碳库变异的影响因素,探讨林火干扰对生态系统碳库及其空间分布格局的影响机制。研究结果对阐明林火干扰对亚热带森林固碳效应的影响机制,构建林火干扰对森林碳库影响的评价体系、深化亚热带森林对林火干扰响应机制以及气候变化、林火干扰与生态系统碳循环耦合效应的机制研究提供理论支撑,为森林防灭火部门、林业管理部门以及应急管理部门科学有效地选择林火管理策略、准确估算林业碳汇和恢复修复森林火烧迹地提供科学依据。研究成果对森林防火学以及干扰生态学、林火生态学、土壤生态学、植物生态学的发展具有较好的理论与实践意义。研究结果如下:(1)林火干扰对森林生态系统碳密度产生显著影响林火干扰降低了生态系统碳密度,且随林火干扰强度增加,碳密度减少幅度增大。4种林型的生态系统碳密度变化均表现为对照>轻度林火干扰>中度林火干扰>重度林火干扰。相比对照,轻度、中度和重度林火干扰后马尾松林碳密度依次下降了 6.73%、35.25%和44.95%,杉木林碳密度分别降低了8.29%、26.3 8%和42.37%,桉树林碳密度依次减少了 13.53%、39.41%和56.74%,木荷林碳密度分别下降了 7.99%、23.80%和41.74%。与对照相比,各林型轻度林火干扰强度对生态系统碳密度的影响不显著(P>0.05),而中度和重度林火干扰强度对生态系统碳密度的影响差异显著(P<0.05)。林火干扰对广东亚热带森林生态系统碳密度的影响程度为重度林火干扰>中度林火干扰>轻度林火干扰。双因素方差分析表明,林火干扰强度和林型均对生态系统碳密度有显著影响。林火干扰强度解释了生态系统碳密度变异的71.67%,林型解释了生态系统碳密度变异的17.58%,说明林火干扰强度是导致生态系统碳密度变化的主要因素。(2)林火干扰减少了植被碳密度植被碳密度随着林火干扰强度增强而减少,但不同组分的植被碳密度表现不同,乔木碳密度在不同林火干扰强度下的变化与植被碳密度的变化一致,而草本碳密度则呈现相反的变化趋势。相同林火干扰强度下,植被各组分碳密度均以乔木层减少幅度最大。轻度林火干扰对植被碳密度的影响差异不显著(P>0.05),而中度和重度林火干扰则显著降低了植被碳密度(P<0.05)。乔木碳密度在不同林火干扰强度下的变化与植被碳密度的变化一致,而草本碳密度则呈现与乔木碳密度相反的变化趋势为重度林火干扰>中度林火干扰>轻度林火干扰>对照。林火干扰强度显著影响乔木和草本碳密度,亦对灌木碳密度产生了影响。研究发现,轻度林火干扰虽显著提高了草本碳密度,亦对灌木碳密度产生了影响,但对占植被主体地位的乔木碳密度的影响差异不显著,因而未导致植被碳密度的显著变化。而中度和重度林火干扰虽显著提高了草本碳密度,也对灌木碳密度产生了影响,但显著降低了乔木碳密度,进而显著减少了植被碳密度。双因素方差分析表明,林火干扰强度和林型均对植被碳密度有显著影响,两者之间的交互作用亦对植被碳密度表现出显著影响。林火干扰强度解释了植被碳密度变异的73.17%,林型解释了植被碳密度变异的12.06%,两者的交互作用解释了植被碳密度变异的9.53%,说明林火干扰强度是导致植被碳密度变化的主要因素。(3)林火干扰降低了凋落物碳密度林火干扰均显著减少了凋落物碳密度(P<0.05),并随林火干扰强度的增加其减少幅度增大,但不同林火干扰强度对凋落物碳密度的影响有所差异。轻度林火干扰虽减少了乔木碳密度,但影响差异不显著,同时显著增加了草本碳密度,并影响了灌木碳密度,从而减少了凋落物的来源,进而显著减少了凋落物碳密度。而中度和重度林火干扰虽显著增加了草本碳密度,并影响灌木碳密度,但显著降低了乔木碳密度,从而减少了凋落物的来源,进而显著减少了凋落物碳密度。双因素方差分析表明,林火干扰强度和林型均对凋落物碳密度有显著影响,林火干扰强度解释了凋落物碳密度变异的38.73%,林型解释了凋落物碳密度变异的50.97%。(4)林火干扰减少了土壤有机碳密度及活性有机碳含量林火干扰减少了土壤有机碳密度,并随林火干扰强度增加而呈减少趋势,且减少幅度随土壤剖面深度增加而逐渐变小。不同林火干扰强度后土壤活性有机碳含量总体呈下降趋势。轻度林火干扰仅显著降低了土壤表层(0-20cm)土壤有机碳密度,尚未引起土层(0-100cm)土壤有机碳密度的显著变化,因而对土壤有机碳密度的影响不显著(P>0.05);而中度和重度林火干扰显著降低了土壤表层和浅层(20-40cm)土壤有机碳密度,进而导致土层(0-100cm)土壤有机碳密度的显著变化,因而对土壤有机碳密度产生显著影响(P<0.05)。活性有机碳含量各组分随林火干扰强度增加沿土壤剖面递减的幅度呈现一定的差异性,重度林火干扰后的递减趋势最强,土壤表层活性有机碳的下降趋势较明显,土壤浅层活性有机碳次之,土壤深层(40-100cm)活性有机碳下降趋势较为平缓。林火干扰对各林型土壤细根生物量均产生影响,但轻度林火干扰仅对土壤表层细根生物量的影响差异显著(P<0.05),而中度和重度林火干扰显著降低了土壤表层和浅层细根生物量(P<0.05)。多因素方差分析表明,林火干扰强度、林型、土层深度对土壤有机碳密度均有显著影响,林火干扰强度和土层深度之间的交互作用、林型和土层深度之间的交互作用均对土壤有机碳密度有显著影响。林火干扰强度解释了土壤有机碳密度变异的8.78%,林型解释了土壤有机碳密度变异的5.41%,土层深度解释了土壤有机碳密度变异的70.29%,林火干扰强度和土层深度之间的交互作用解释了土壤有机碳密度变异的8.16%,林型和土层深度之间的交互作用解释了土壤有机碳密度变异的2.68%。(5)林火干扰对生态系统碳库的空间分布格局产生重要影响林火干扰有效改变了生态系统碳库的空间分布格局,表现出生态系统地上(植被)碳库和地表(凋落物)碳库减少幅度大于地下(土壤有机碳)碳库,即林火干扰后地上和地表部分碳库占比减少,而地下土壤有机碳库占比增加的趋势。对照样地马尾松林、杉木林、桉树林和木荷林土壤有机碳库占比分别为56.51%、61.1 5%、58.58%和61.59%,而重度林火干扰后,土壤有机碳库占比呈上升趋势,占比依次为82.97%、78.49%、81.1%和70.96%,占生态系统碳库的优势地位,而植被和凋落物碳库占比呈下降趋势,处于生态系统碳库的次要地位。(6)林火干扰对森林生态系统碳库的影响机制林火干扰消耗大量植被碳库,改变植被及其群落的结构与组成,影响植被的发育和生长,对植被间作用机制起着调节作用,从而调控凋落物量和细根生物量,并对土壤有机碳库产生影响,且影响了生态系统的净初级生产力,从而降低了生态系统的固碳能力,进而造成生态系统碳库减少。研究发现轻度林火干扰仅显著减少了凋落物碳密度和土壤表层土壤有机碳密度及细根生物量,而对植被碳密度的影响差异不显著,但由于植被碳密度占比较大,因而轻度林火干扰对森林生态系统碳密度的影响差异不显著,而中度和重度林火干扰既显著降低了土壤表层和土壤浅层土壤有机碳密度及细根生物量,又显著减少了植被碳密度与凋落物碳密度,因而对森林生态系统碳密度的影响差异显著。综上所述,中度和重度强度的林火干扰对广东亚热带森林生态系统碳库的影响显著,而轻度强度的林火干扰对生态系统碳库的影响不显著,鉴于中度和重度强度的林火干扰易造成生态系统碳库损失大和环境污染,因此,为有效提高森林碳汇效应,维护生态系统碳平衡,尽量减少中度和重度强度的林火干扰对生态系统碳库产生的显著影响,建议在森林经营管理和林火管理措施上应用推广轻度林火干扰强度的计划烧除作为碳减排增汇效应的森林碳汇管理手段。同时研究表明不同林火干扰强度对木荷林生态系统碳损失最少,因而应提倡种植木荷作为南方防火树种,从而达到防火效应与生态效益的有机统一,实现林业可持续发展,促进生态建设。