黃土高原子午嶺人工油松林碳儲(chǔ)量與碳密度研究

孟 蕾，程積民，，楊曉梅，韓娟娟，范文娟，胡秀娟

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌712100;2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌712100;4.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西楊凌712100)

大氣中CO2濃度迅速增加，引發(fā)全球變暖已成為世界面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題[1]。森林作為全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，貯存了陸地生態(tài)系統(tǒng)76%～98%的有機(jī)碳，而且每年的固碳量約占整個(gè)地球生物固定量的2/3[2]。因此，森林生態(tài)系統(tǒng)不僅在維護(hù)和改善全球生態(tài)環(huán)境上起著重要作用，而且在全球碳循環(huán)和碳平衡中發(fā)揮著不可替代的作用[3]。國(guó)內(nèi)外對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和貯存潛力進(jìn)行了大量的研究，但大多局限于天然林[4-5]，對(duì)人工林的研究較少，我國(guó)是世界上人工林面積最大的國(guó)家[6]，已成林的人工林面積約3.43×107hm2[7]，其中 80%以上為中、幼林和近熟林[8]。因此，探究我國(guó)人工林碳儲(chǔ)量及其潛力，對(duì)整個(gè)國(guó)家應(yīng)對(duì)當(dāng)前氣候變暖、履行森林碳匯抵消工業(yè)溫室氣體排放量具有重要的意義。

油松(Pinus tabulaeformis)是我國(guó)特有樹(shù)種[9]，也是我國(guó)暖溫帶森林主要建群種，它對(duì)大陸性氣候及大氣干旱有較強(qiáng)的適應(yīng)性，生長(zhǎng)速度中等，是北方地區(qū)主要的造林樹(shù)種之一，也被認(rèn)為是黃土高原地區(qū)退耕還林工程中的優(yōu)良樹(shù)種[10-11]。目前，在子午嶺林區(qū)分布著較大面積的人工油松林。然而，對(duì)油松林碳儲(chǔ)量的研究主要集中在秦嶺火地塘地區(qū)天然次生林的研究[12-13]，對(duì)黃土高原子午嶺林區(qū)人工油松林的儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究對(duì)油松林及林下植被采用實(shí)測(cè)含碳率，得出該區(qū)域儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量，旨在為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)人工油松林在該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中的作用提供理論依據(jù)，為進(jìn)一步研究黃土高原子午嶺林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量及其潛力提供基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)概況

子午嶺是黃土高原腹地唯一隆起的長(zhǎng)塬，位于陜甘兩省交界處的 108°10′—109°08′E，35°03′—36°37′N(xiāo) ，是洛河和涇河的分水嶺，屬天然次生林針闊葉混交林類(lèi)型。海拔1 280～1 500 m，相對(duì)高差200 m左右，年均氣溫7.4℃，極端最高氣溫36.7℃，極端最低氣溫-27.7℃，≥10℃積溫2 671.0℃，無(wú)霜期112～140 d。年平均相對(duì)濕度 63%～68%，年均降雨量587.6 mm。土壤以石灰性褐土為主，皆發(fā)育于原生(山坡)或次生(溝谷)黃土，黃土層下覆蓋的紅土厚約80～100 m，山體在陰坡和山脊坡面平緩，陽(yáng)坡和半陽(yáng)坡坡面較陡，屬溫涼半干旱區(qū)黃土覆蓋的森林草原地帶，適于楊、樺、櫟等部分落葉闊葉林和溫性針葉林發(fā)育。子午嶺林區(qū)林相整齊，植物種類(lèi)豐富，目前林區(qū)郁閉度0.80～0.95，是黃土高原中部面積最大，保存最為完整，且最具代表性的天然次生林區(qū)[14-16]。其對(duì)于改善隴東及周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)及保障農(nóng)牧業(yè)發(fā)展具有十分重要的作用。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與樣地選擇

試驗(yàn)地設(shè)置在甘肅省合水縣連家砭林場(chǎng)，選擇了具有典型代表性的人工油松林群落，該群落目前的人工造林面積已達(dá)到了4.65×104hm2。本試驗(yàn)主要是對(duì)人工油松林群落碳儲(chǔ)量的現(xiàn)存量進(jìn)行了定量研究，探討森林對(duì)全球氣候變化的貢獻(xiàn)。采樣時(shí)間選擇在林木生長(zhǎng)緩慢、吸收的碳與其自身呼吸作用相對(duì)平衡的10月下旬，采樣時(shí)考慮到地形條件，因此，取樣地點(diǎn)選取了不同坡向(陰、陽(yáng)坡)和坡位(坡上部、坡中部、坡下部)。

2.2 研究方法

2.2.1 森林生物量測(cè)定 (1)喬木生物量:試驗(yàn)選擇林相相對(duì)整齊，在具有一定代表性的地段上(不同的坡向、坡位)設(shè)置12個(gè)(陽(yáng)坡 3個(gè)、陰坡 9個(gè))標(biāo)準(zhǔn)地(10 m×10 m)，標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)每木檢尺，同時(shí)，配合林場(chǎng)的森林撫育工程，實(shí)測(cè)伐倒標(biāo)準(zhǔn)木的樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉、樹(shù)皮、樹(shù)根和果球等各器官生物量，根據(jù)組分與測(cè)樹(shù)因子項(xiàng)(D2H)的異速生長(zhǎng)模型，由回歸方程B=a(D2H)b(B——林分生物量;D——林分平均胸徑;H ——林分平均高;a，b——為回歸系數(shù))推算喬木層的生物量，回歸方程如表1所示。(2)灌木、草本和枯落物生物量:在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)3個(gè)2 m×2 m的樣方，采用收獲法測(cè)定林下灌木(枝+干、葉、根)、草本(枝、葉、根)生物量，同時(shí)測(cè)定小樣方內(nèi)的地面枯落物量(未分解層、半分解層和全分解層)，分別取樣，烘干后換算成單位面積的生物量。

表1 人工油松林喬木層各組分的生物量回歸方程〔Biomass=a(D2H)b〕參數(shù)

2.2.2 土壤樣品采集與處理 在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選擇3個(gè)樣方(左、中、右)，用直徑10 cm 的土鉆取樣，取樣深度為 90 cm;分為 0—10 cm，10—30 cm，30—50 cm，50—70 cm，70—90 cm共 5個(gè)層次，每個(gè)樣方采樣 3個(gè)，采樣時(shí)每一采樣層重復(fù)3次制成一個(gè)混合樣，將采集樣品編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室，取一部分在105±5℃烘至恒重后，計(jì)算土壤含水量，同時(shí)用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。對(duì)剩下的樣品挑除植物根系和石礫等雜物，于陰涼處自然風(fēng)干后用四分法過(guò)0.25 mm篩，編號(hào)備用。

2.2.3 有機(jī)碳含量的測(cè)定 在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選擇不同胸徑的標(biāo)準(zhǔn)木3株，重復(fù) 3次，采用分層切割法，使用全根挖掘得到地下部分根系，收集喬木各器官(枝、葉、根、皮、干和果球)，采樣時(shí)同一胸徑林木重復(fù)3次制成一個(gè)混合樣，并在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)采集灌木(枝+干、葉、根)、草本(葉、根)和枯落物(未分解層、半分解層和全分解層)的樣品，放入80±5℃的烘箱中至恒重，烘干的樣品粉碎之后過(guò)篩、編號(hào)備用。本實(shí)驗(yàn)有機(jī)碳(質(zhì))含量均采用濕燒法進(jìn)行測(cè)定[17]。

2.2.4 人工油松林碳儲(chǔ)量的計(jì)算 喬木層碳儲(chǔ)量為各器官儲(chǔ)碳密度乘以其生物量之和;灌草層碳儲(chǔ)量為各層內(nèi)不同種類(lèi)的碳儲(chǔ)量之和;枯落物層碳儲(chǔ)量為各層儲(chǔ)碳密度與其生物量乘積之和。喬木層、灌草層和枯落物層的儲(chǔ)碳密度采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，土壤儲(chǔ)碳密度與土壤面積的乘積為土壤碳儲(chǔ)量，土壤儲(chǔ)碳密度(t/hm2)計(jì)算公式為[18]:

式中:S——土壤儲(chǔ)碳密度(t/hm2);BD——土壤容重(g/cm3);C——土壤有機(jī)碳含量(%);T——土層厚度(cm)。人工油松林碳儲(chǔ)量是喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層的碳儲(chǔ)量之和。

2.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)野外調(diào)查資料和實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果，用Excel 2003和SPSS 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 人工油松林喬木層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量特征

由表2可以看出，子午嶺人工油松林群落的喬木層儲(chǔ)碳密度是 30.37 t/hm2，總碳儲(chǔ)量為 1.411 8 Tg，其中地上部分(包括樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉、樹(shù)皮和果球)碳儲(chǔ)量為地下部分的4倍，可見(jiàn)在喬木層中地上儲(chǔ)存了絕大部分的碳量。此外，人工油松林各器官的儲(chǔ)碳密度從大到小的順序?yàn)?樹(shù)干＞樹(shù)根＞樹(shù)枝＞樹(shù)葉＞樹(shù)皮＞果球，介于2.28～10.10 t/hm2，從而呈現(xiàn)林木各營(yíng)養(yǎng)器官中的碳密度差異，人工油松林各器官的含碳率平均值為0.522 8±0.030 4，各器官含碳率差異較小，從而使得生物量的大小直接影響其儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量。

3.2 人工油松林灌、草層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量特征

森林灌草層的碳儲(chǔ)量和碳密度與森林類(lèi)型、年齡以及人為干擾有關(guān)[19]。油松林種植密度較大，林齡大約在20 a左右，林相整齊，林窗密度較小，光照投射到林內(nèi)有限，使得林下灌木及草本分布較少。

本試驗(yàn)對(duì)其主要灌木及草本優(yōu)勢(shì)種碳儲(chǔ)量及碳密度進(jìn)行了分析(表3—4)，結(jié)果表明，灌木層，總碳儲(chǔ)量為0.398 0 Tg，各優(yōu)勢(shì)種之間碳儲(chǔ)量從大到小的順序?yàn)?沙棘＞衛(wèi)矛＞懸鉤子，造成種間差異的主要原因與該林地內(nèi)其生長(zhǎng)的狀況和生物量大小相關(guān)。而草本層，不同種各器官的碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)?干+枝＞樹(shù)根＞樹(shù)葉，且種間碳儲(chǔ)量大小各異:大披針苔草＞白羊草＞中華萎陵菜＞披堿草＞鐵桿蒿＞野棉花。

總體來(lái)講，灌草層地上部分生物量較大，從而使得碳密度及碳儲(chǔ)量是地下部分的2倍，同時(shí)也可以看出，碳在灌草層的分布因種類(lèi)的差別而不同，這就給尋找吸碳及儲(chǔ)碳高植被提供了可依循的基礎(chǔ)。

表3 人工油松林灌木層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量分布

表4 人工油松林草本層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量分布

3.3 人工油松林枯落物層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量特征

森林枯枝落層的厚度、生物量大小森林類(lèi)型、森林年齡、枯落物的分解速度、人為干擾以及溫度、水分等因子有關(guān)。子午嶺林區(qū)的人工油松林，盡管林齡在20 a左右，但枯枝落葉層已形成較明顯的層次結(jié)構(gòu)，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)枯枝落葉層(未分解層、半分解層、全分解層)各層碳儲(chǔ)量及密度的分別研究，結(jié)果表明(表5)，人工油松林群落中，枯落物層總儲(chǔ)碳密度為22.88 t/hm2，碳儲(chǔ)量為1.063 8 Tg，而各層的碳儲(chǔ)量從大到小的順序?yàn)?未分解層＞半分解層＞全分解層，分別占整個(gè)枯落物層碳儲(chǔ)量的 63.71%，27.24%和9.04%，這主要是因?yàn)楸韺拥目萋湮镞€沒(méi)有分解，其生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半分解層和分解層，使得其成為枯枝落葉層碳量分布最多的層次。因此，在研究枯落層碳儲(chǔ)量時(shí)，應(yīng)針對(duì)其具體的層次結(jié)構(gòu)分別研究，從而準(zhǔn)確地反映出該層碳庫(kù)的大小。

表5 人工油松林枯枝落葉層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量分布

3.4 人工油松林土壤層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量特征分析

土壤各層的碳儲(chǔ)量在0.4973～1.4002 Tg之間(表6)，上層土(0—50 cm)的碳儲(chǔ)量為3.353 6 Tg，占土壤層總儲(chǔ)量的76.89%;下層土(50—70 cm)為1.008 2 Tg，占23.11%，從而可以看出，土體內(nèi)50 cm深度集中著土壤中大部分的碳，是研究土壤碳庫(kù)的重要深度。此外，碳儲(chǔ)量和儲(chǔ)碳密度都隨土壤深度的增加而逐漸遞減，這與地表枯枝落葉分解、土體內(nèi)微生物活性以及理化性質(zhì)息息相關(guān)。

表6 人工油松林土壤層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量分布

4 結(jié)論

(1)從空間尺度上，人工油松林群落自上而下各層的碳儲(chǔ)量從大到小的順序是:土壤層＞喬木層＞枯落物層＞草本層＞灌木層，碳儲(chǔ)量在 0.398 0～4.361 7 Tg之間，人工油松林整個(gè)土壤剖面的碳儲(chǔ)量4.361 7 Tg，占人工油松林碳儲(chǔ)量的57.02%，人工油松林植物的碳儲(chǔ)量占人工油松林碳儲(chǔ)量的29.08%，說(shuō)明在該區(qū)域中土壤是人工油松林群落中最為重要的有機(jī)碳庫(kù)。

(2)不同的研究者對(duì)油松林喬木層的儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量的估計(jì)不同。本研究對(duì)子午嶺油松林的研究結(jié)果表明，該區(qū)域的儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量分別為:30.37 t/hm2，1.41 Tg。而程堂仁等人[20]對(duì)甘肅小隴山森林植被碳庫(kù)的研究表明，小隴山油松林的喬木層儲(chǔ)碳密度是30.20 t/hm2，與本研究結(jié)果基本一致，而侯琳等人[12]對(duì)秦嶺火地塘林區(qū)油松的喬木層儲(chǔ)碳密度是6.59 t/hm2，比本研究結(jié)果偏小，這可能是由于在秦嶺火地塘地區(qū)設(shè)置的試驗(yàn)地坡度陡、土層薄、林窗較大，導(dǎo)致喬木分布不均勻且密度較小，致使喬木層的碳密度不高。

(3)本試驗(yàn)對(duì)子午嶺油松林灌木層和草本層儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量的研究，采用與以往研究者不同的研究方法，對(duì)灌木層和草本層的含碳率采用的是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而有些研究者[21-23]采用0.45或0.50作為林下植被的含碳率，與它們相比較本研究采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更真實(shí)地反映了林下植被的儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量，為今后研究者在該區(qū)域?qū)μ純?chǔ)量的研究提供基礎(chǔ)資料。

(4)不同研究者對(duì)中國(guó)土壤儲(chǔ)碳密度估計(jì)結(jié)果差異很大，李克讓和方精云等人[24-25]對(duì)中國(guó)常綠針葉林土壤有機(jī)碳密度的估算結(jié)果分別為179.80和71.60 t/hm2，而子午嶺人工油松林土壤的儲(chǔ)碳密度為93.83 t/hm2。這可能是由于土壤類(lèi)型、植被結(jié)構(gòu)的不同以及氣候差異造成了相關(guān)研究結(jié)果的不一致，說(shuō)明今后針對(duì)不同林分研究土壤有機(jī)碳庫(kù)有著重要的意義。

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