湖南4 種森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能研究

肖 英,劉思華,王光軍

(中南林業(yè)科技大學生命與科學技術學院， 中國 長沙 410004)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其植物通過光合作用能固定并減少大氣中的CO2，同時釋放出 O2．這對維持地球大氣中的CO2與O2的動態(tài)平衡、減少溫室效應以及提供人類的生存基礎，有著不可替代的地位和作用．據(jù)估計，森林匯聚著全球植被碳庫86%以上以及土壤碳庫73%的碳，當前許多科學家都支持森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能，對全球森林碳匯功能展開了大量研究[1-5]．目前，我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究在區(qū)域、國家尺度森林植被碳貯量和年凈固碳量都有所展開[6-7]．

城市森林是城市森林生態(tài)網(wǎng)絡體系的重要組成部分，有著城市“肺臟”之稱．城市森林的固碳釋氧作用，保持著城市碳氧平衡，對緩解城市熱島效應，改善城市生態(tài)環(huán)境有著舉足輕重的作用．因此，開展城市森林碳匯功能的研究，對改善城市生態(tài)環(huán)境，支撐城市可持續(xù)發(fā)展有著重要意義．本文著重對組成湖南城市森林的4種森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能進行研究，同時對其碳匯功能進行對比、分析與評價，為湖南省城市森林網(wǎng)絡體系的布局與構建提供理論依據(jù)．

1 研究區(qū)概況

試驗地位于湖南省長沙市南郊的天際嶺國家森林公園，即東經(jīng)113°02′～01′，北緯28°06′，核心區(qū)面積約4 356 hm2，海拔46～114 m，坡度為5～25°．當?shù)啬昶骄鶜鉁?7.2 ℃，1月最冷，平均4.7 ℃，極端最低溫度-11.3 ℃；7月最熱，平均氣溫29.4 ℃，極端最高氣溫40.6 ℃；無霜期為270～300 d，日照時數(shù)年均1 677.1 h；雨量充沛，年平均降雨量1 422 mm．屬典型的亞熱帶濕潤季風氣候．其地層主要是第四紀更新世的沖積性網(wǎng)紋紅土和砂礫，屬典型紅壤丘陵區(qū)，園內(nèi)小生境眾多，植物種類達2 200余種，植被以人工次生林為主．

從2006年12月開始，在天際嶺國家森林公園選擇樹齡相同或相近的杉木(CunninghamialanceolataHook)、馬尾松(PinusmassonianaLamb)、樟樹(Cinnamomumcamphora)和楓香(LiquidambarformosanaHance)4種類型森林群落作為研究對象，2007年1月調(diào)查4種森林群落的基本情況見表1．4種森林群落主要組成成分分別為：杉木群落以杉木為主、林下植被有檫木(SassafeastsumuHemsl.)、山礬(SymplocoscaudataWall.exA. DC.)、大青(ClerodendroncyrtophyllumTurcz)和樟樹，草本植物有腎蕨(NephrolepisauriculataTrimen)、淡竹葉(Lophantherum.gracileBrengn.)和商陸(Phytolacca.acinosaRoxb.)；楓香群落以楓香為主，木荷(SchimasuperbaGardn.EtChamp.)、苦櫧(CastanopsissclerophyllaSchott.)、山礬、大青和樟樹，草本植物有五節(jié)芒(MiscanthusfloridulusWarb)、淡竹葉和商陸為主；馬尾松群落以馬尾松為主，林下植被有樟樹、大青、山礬和青岡(CyclobalanopsisglaucaOerst.)；草本植物有五節(jié)芒、腎蕨、淡竹葉和商陸為主；樟樹群落以樟樹為主，白櫟(QuercusfabriHance)、毛泡桐(PaulowwniatomaentosaSteud)、苦櫧、山礬，糙葉樹(AphanantheasperaPlanch)和柘樹(CudraniatricuspidataBur.)，草本植物以淡竹葉、酢漿草(Oxalis.comiculataL.)、雞矢藤(PaederiascandensMerr.)和商陸為主．

2 研究方法與內(nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的基本資料是湖南省林業(yè)廳提供的森林資源清查資料中各個森林類型的面積、蓄積量等為基礎數(shù)據(jù)[8]，部分數(shù)據(jù)來源于方精云等的有關我國森林植被生物量和凈生產(chǎn)力的研究，并以湖南省森林資源統(tǒng)計年報(2007年)的基礎數(shù)據(jù)為補充，估算出4種森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量．對所收集到的資源和數(shù)據(jù)進行整理分析，得到4 種森林類型的總生物量和碳匯能力．

2.2 樣地選擇

自天際嶺國家森林公園杉木、樟樹、楓香和馬尾松4種森林群落中，各選擇3塊半徑15 m 的圓形固定樣地，共12塊，每塊樣地之間相隔100 m 以上．調(diào)查每個樣地內(nèi)出現(xiàn)的物種及其高度、蓋度，并記錄其胸徑等．在每個樣地選5～6個點，每個點挖1個土壤剖面，利用環(huán)刀分層(0～15、15～30、30～45、45～60 cm)采集用于測定容重的土樣，同時分層采集用于分析有機碳的土樣．

表1 4種森林群落的基本情況

2.3 室內(nèi)分析

野外采集的土壤樣品，在105 ℃ 條件下土樣烘干至恒重，并測定容重和其中 >2 mm 的礫石含量；用于測定有機碳濃度的風干土樣，四分法取樣后挑去其中 >2 mm 的礫石，并使其全部通過 2 mm 土壤篩，然后挑去其中的根系，最后利用Retsch S100球磨機粉碎，并使其全部通過0.15 mm 土壤篩，采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定土壤有機質(zhì)濃度(鮑士旦等，2000)．

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 生物量 根據(jù)收集和整理方精云等在研究中國森林生物量和生產(chǎn)力中所進行的研究結(jié)果以及湖南省森林資源監(jiān)測中心的森林資源清查資料中各個森林類型的面積、蓄積量等為基礎數(shù)據(jù)進行估算．對所收集到的各類資料、數(shù)據(jù)進行整理分析，得到主要森林類型的生物量．

2.4.2 土壤有機碳含量和碳密度的測定 利用室內(nèi)分析的結(jié)果，采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定土壤有機質(zhì)濃度[9]．

土壤有機碳密度是指單位面積一定深度的土層中SOC的貯量，土壤碳密度已成為評價和衡量土壤中有機碳貯量的一個極其重要的指標．考慮到土壤有機碳密度隨深度的垂直變化(Jobbágy & Jackson，2000)，采用分層方法計算每個剖面的有機碳含量(kg C·m-2)．首先計算每層的有機碳密度(g·cm-3)(公式1)，在此基礎上建立有機碳含量與深度的函數(shù)關系，并計算整個剖面的有機碳含量(式2)．

SOCDi=0.58×ρi×Mi×(1-Ci)/10，

(1)

式中，0.58為Bemmelen系數(shù)(將有機質(zhì)濃度轉(zhuǎn)化為有機碳濃度)，ρi表示第i層土壤容重(g ·cm-3)，Mi表示有機質(zhì)含量(%),Ci表示 >2 mm的礫石含量(%)，SOCDi為第i層土壤有機碳密度(g·cm-3)．

(2)

式中，n為剖面層數(shù)，Ti表示第i層土層厚度(cm)，SOCC為土壤有機碳含量(kg·m-2)[10],其他同式(1).

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型的基本特征

通過野外數(shù)據(jù)的采集與分析，4種森林類型的基本特征見表1.

3.2 不同森林類型碳匯的功能比較

3.2.1 不同森林類型生物量的比較

表2 湖南4種森林類型喬木層生物量與碳含量

﹡注：表中單位1 Tg =106t[11]，全文同.

由表1可知，4 種森林生態(tài)系統(tǒng)的平均碳含量相差不大，都在50%左右，但平均生物量相差較大．平均生物量最大的楓香為 127.266 t/hm2相當于馬尾松(16.277 t/hm2)的7.8倍，其次是樟樹和杉木，分別為84.351 t/hm2和36.516 t/hm2．對平均碳含量、平均生物量、總面積與總生物量進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)總面積與總生物量之間存在著明顯的直線相關性，R2=0.873，P=0.02．因此，各種森林類型的總生物量是與其種植面積呈正相關的．在4種森林類型中，總生物量最大的是杉木，為97.52 Tg，而楓香和樟樹雖然在平均生物量上占有很大比重，但由于種植面積較小，其總生物量也受到影響，分別為10.61 Tg和12.80 Tg，這兩種森林類型生物量只占4種森林類型總生物量的14.75%．說明生物量在不同樹種之間存在著顯著的差異，湖南森林生態(tài)系統(tǒng)所提供的生物量與其種植面積有很大關系．

3.2.2 不同森林類型喬木碳匯功能分析 4種森林類型植被的單位面積碳貯量由森林植被的生物量(地上生物量和地下生物量)乘以實測的主要樹種的平均碳含量得出(見表3)．

表3 湖南4種森林類型碳貯量

從表3可以看出，4種森林類型中，碳密度差異較大，以樟樹的單位面積碳貯量最大，為41.165 1 t/hm2，杉木、馬尾松這兩種湖南主要的針葉樹種由于平均生物量較小，其碳密度均在20 t/hm2以下，可見森林植被的平均碳貯量與單位面積生物量的關系密切．各森林類型的碳密度從大到小排列順序為：樟樹、楓香、杉木、馬尾松．中國森林植被平均碳密度為38.4～49.45 t/hm2[12]，湖南4種森林的平均碳密度(25.31 t/hm2)與我國的一些研究估計值相比存在較大差距，特別是針葉樹的估計值偏低，這是多方面的原因造成的，也表明研究如何加強林分管理，進行合理生態(tài)規(guī)劃和改善林分結(jié)構，對今后提高湖南省主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的潛力空間具有重要意義．

3.2.3 森林土壤碳匯能力 森林土壤的有機碳貯量在森林生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量中占了很大的比重，本文定義的森林土壤碳貯量主要是由某類森林植被覆蓋下的貯存在一定土壤深度內(nèi)的土壤有機碳的總和．從表4可知，4種森林類型中，土壤碳密度最大的依然是楓香，最小的是杉木，但由于種植面積的巨大差異，湖南4種森林類型的土壤碳儲量中，碳儲量最大的還是馬尾松(166.11 Tg)，最小的是楓香為代表的軟闊葉樹種(8.09 Tg)，以馬尾松和杉木為代表的針葉林占了4種森林土壤碳儲量的70%，盡管樟樹的碳儲量較大，但兩種闊葉樹土壤碳儲量也只占4種森林類型中的30%左右．

4種森林類型土壤的有機碳貯量從大到小排序是：杉木、馬尾松、樟樹、楓香．

表4 4種森林類型土壤碳貯量

3.2.4 4種森林類型碳匯功能比較 根據(jù)湖南省4種森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和碳儲量估算結(jié)果可知，以杉木、馬尾松、樟樹和楓香為代表的湖南4種森林類型的生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量(包括喬木層和土壤層)為586.237 9 Tg C，其中杉木169.847 2 Tg C，馬尾松為211.673 5 Tg C，樟樹194.910 5 Tg C，楓香9.806 7 Tg C．主要森林類型生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量從大到小排序為：杉木、馬尾松、樟樹、楓香．可見湖南的森林以杉木、馬尾松為針葉林代表是主要的森林生態(tài)系統(tǒng)，兩者的碳貯量占了4種森林生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量的65.27%，樟樹森林生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量在闊葉樹當中是最多的，占了總碳貯量的33.35%；而楓香雖然是湖南主要的森林類型，但是它們的碳貯量相對來說就很少了，只占了1.68%，可見森林類型分布不均勻是湖南森林存在的主要問題．

4 結(jié)論

本文初步研究了湖南省4種森林生態(tài)系統(tǒng)生物量及碳儲量，為評價湖南省森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能提供了一些必要的參數(shù)．湖南省4種森林總碳儲量為586.237 9 Tg，分別為杉木169.847 2 Tg，馬尾松211.673 5 Tg，樟樹194.910 5 Tg，楓香9.806 7 Tg．4種森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量中最大的是馬尾松，最小的是楓香．4種森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量從大到小排列為：馬尾松、樟樹、杉木、楓香．湖南省碳匯能力中起主要作用的是以馬尾松和杉木為代表的種植面積最廣的針葉林，樟樹和楓香等闊葉林雖然占有較大的生物量和平均碳密度，但由于種植面積相對較少而在整個湖南省森林碳儲量中只占很小的比重．說明森林資源分布不均勻是湖南省森林資源發(fā)展中需要解決的問題．

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