黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量、碳貯量及其分配特征1)

何 斌 劉紅英

(廣西大學(xué)，南寧，530004)

余春和

(廣西七坡林場(chǎng))

覃祚玉 羅柳娟 劉 莉

(廣西大學(xué))

當(dāng)前，大氣CO2濃度上升引起的溫室效應(yīng)及其所帶來(lái)的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已成為世界上關(guān)注的熱點(diǎn)和面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)第4次評(píng)估報(bào)告指出［1］:到2200年，全球平均氣溫將升高0.5℃。因此，為最大限度地減少全球變化帶來(lái)的不良后果，世界各國(guó)積極致力于減緩全球溫室氣體排放的增長(zhǎng)速度。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其維持的碳庫(kù)占全球總碳庫(kù)的46.3%，而森林植被部分維持的碳庫(kù)占全球植被碳庫(kù)的77.1%［2］。研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對(duì)于了解全球碳平衡和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)全球氣候變化的影響均具有重要意義，而通過(guò)利用陸地生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤積累有機(jī)碳來(lái)增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量，已成為當(dāng)前和今后調(diào)節(jié)和控制大氣CO2濃度，減緩全球變暖速度的全球性重大策略和極其重要的途徑［2－4］。黑木相思(Acacia melanoxylon)原產(chǎn)于澳大利亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和印度尼西亞等地，具有速生、干形較直、耐干瘠和抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種多功能的速生用材樹(shù)種，已成為目前廣東、廣西、福建、海南等省區(qū)推廣種植相思類(lèi)樹(shù)種中的首推樹(shù)種。目前國(guó)內(nèi)有關(guān)黑木相思人工林的研究已有不少報(bào)道［5－8］，但主要集中在引種、苗木選育、生長(zhǎng)特性以及木材材性等方面，有關(guān)黑木相思人工林碳貯量的研究很少。因此，筆者對(duì)8年生黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量、碳貯量及其分布特征進(jìn)行較系統(tǒng)的研究，以期為準(zhǔn)確評(píng)估黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳效益提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西省南寧市北郊，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候帶，年平均溫度21.8℃，極端最高氣溫40℃，≥10℃年積溫約7200℃，年平均降水量1350 mm，降雨多集中在5—9月，相對(duì)濕度約79%，年日照時(shí)數(shù)1450～1650 h。調(diào)查樣地均位于山坡中下部，海拔200～250 m，坡向?yàn)槟掀拢露?5°～28°，土壤類(lèi)型為砂頁(yè)巖發(fā)育形成的赤紅壤，土層厚度在70 cm以上。試驗(yàn)地前茬林分為馬尾松(Pinus massoniana)人工林，2000年12月采伐馬尾松林并經(jīng)煉山整地后，于2001年4月用黑木相思實(shí)生苗定植，初植密度1140株/hm2。造林當(dāng)年和第2年除草撫育管理各1次。2009年3月調(diào)查時(shí)經(jīng)自然稀疏和間伐后林分保留密度為850株/hm2，郁閉度0.75，林分平均胸徑15.2 cm，平均樹(shù)高14.8 m。林下植物灌木層主要有毛桐(Mallotus barbatus)、鹽膚木(Rhus chinensis)、杜莖山(Maesa japonica)、潺槁樹(shù)(Litsea glutinosa)、越南懸鉤子(Rubus cochinchinensis)等，草本植物主要有蔓生莠竹(Microstegium vegans)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)和淡竹葉(Lophatherum gracile)等，凋落物層厚度2～3 cm。

2 研究方法

喬木層生物量的測(cè)定:在對(duì)8年生黑木相思人工林全面踏查的基礎(chǔ)上，于鄰近分布、立地條件相似、長(zhǎng)勢(shì)良好的林分設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地，測(cè)定樣地內(nèi)樹(shù)木的樹(shù)高和胸徑。根據(jù)林分生長(zhǎng)調(diào)查結(jié)果，按林木的徑級(jí)分布，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取各徑級(jí)標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，地上部分采用2 m區(qū)分段“分層切割法”測(cè)定干材、干皮、活枝、枯枝、樹(shù)葉鮮質(zhì)量，地下部分(根系)采用全根挖掘法，分別測(cè)定根蔸、粗根(直徑 D≥2.0 cm)、中根(直徑 0.5 cm≤D＜2.0 cm)、細(xì)根(D＜0.5 cm)鮮質(zhì)量。各器官分別取樣，在80℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算出各器官的干濕比例和干物質(zhì)質(zhì)量，估算林分生物量。

林下植被及凋落物層生物量調(diào)查:于黑木相思人工林每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的小樣方。灌木和草本層用樣方法收割和稱(chēng)量地上部鮮質(zhì)量，再挖掘和稱(chēng)量樣方地下20 cm范圍內(nèi)的根。凋落物層則采用收集和稱(chēng)量樣方內(nèi)所有凋落物，同時(shí)取樣測(cè)定含水率和干質(zhì)量。年凋落物量測(cè)定采用直接收集法，在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的尼龍網(wǎng)收集器，收集網(wǎng)孔徑為1 mm，每月月底收集凋落物1次，選取混合樣并經(jīng)烘干后測(cè)定生物量。

樣品的采集及其碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定:在測(cè)定生物量的同時(shí)，采集不同器官(樹(shù)葉、活枝、枯枝、樹(shù)干、樹(shù)皮、根蔸、粗根、中根和細(xì)根)及灌木層、草本層和凋落物層樣品，經(jīng)烘干、粉碎、過(guò)篩后裝瓶待測(cè)。并在各標(biāo)準(zhǔn)地中按上、中、下地段隨機(jī)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，按0＜土壤深度h≤20、20 cm＜h≤40 cm、40 cm＜h≤60 cm和60 cm＜h≤80 cm分別用環(huán)刀(100 cm3)和布袋取樣。布袋樣品于室內(nèi)自然風(fēng)干、粉碎過(guò)篩后用于測(cè)定土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，環(huán)刀樣品用于測(cè)定土壤密度。植物和土壤樣品碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測(cè)定［9］。

生態(tài)系統(tǒng)碳貯量計(jì)算:黑木相思不同器官、草本層、灌木層和凋落物層生物量與其碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積為其相應(yīng)的碳貯量，土壤碳貯量則是土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤密度、采樣深度和面積的乘積，喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳貯量之和為生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量。喬木層碳素年凈固定量由各器官年平均凈生產(chǎn)力及其相應(yīng)的碳素含量計(jì)算而得。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑木相思人工林林分生物量

從表1可以看出，3個(gè)黑木相思人工林生物量平均為108.47 t·hm－2。喬木層作為林分的主要組成部分，其生物量達(dá)到93.12 t·hm－2，占總生物量的85.85%;灌木層為7.87 t·hm－2，占7.26%，草本層為 2.62 t·hm－2，占 2.42%，凋落物層為 4.86 t·hm－2，占 4.48%。

表1 黑木相思人工林生物量 t·hm－2

3.2 黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2.1 喬木層各組分碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表2可以看出，黑木相思不同組分碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為468.5 ～506.7 g·kg－1，不同組分碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)干材最高，然后依次為樹(shù)葉、活枝、根蔸、粗根、中根、枯枝、細(xì)根，最低是干皮，如按不同器官碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低次序則為干材、樹(shù)葉、樹(shù)枝、樹(shù)根、干皮。

表2 黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2.2 林下植被及土壤層碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表2可以看到，黑木相思人工林草本層和灌木層的碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出地上部分高于地下部分的趨勢(shì)?？偟膩?lái)看，黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)中以喬木層碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次是凋落物層和灌木層，最低為草本層。黑木相思人工林土壤(0～80 cm)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出隨土壤深度增加而明顯下降的趨勢(shì)，由第1層的16.38 g·kg－1下降到第4層的 4.47 g·kg－1，各層次之間土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到顯著差異(t檢驗(yàn)，P＜0.05)，其中 0＜h≤20 cm土層碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其它土層，且隨著土壤深度的增加，相鄰?fù)翆犹妓刭|(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異趨向變小。

3.3 黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配

3.3.1 植被層碳貯量

從表3可以看出，黑木相思人工林喬木層生物量為 93.12 t·hm－2，碳貯量為 46.33 t·hm－2，樹(shù)干作為喬木層碳貯量的主體，其碳貯量為24.95 t·hm－2，占喬木層碳貯量的 53.85%;其次是樹(shù)根、樹(shù)枝(活枝和枯枝)和樹(shù)皮，它們的碳貯量依次占喬木層碳貯量的 14.59%、14.24%和 9.88%;樹(shù)葉最少，僅占喬木層碳貯量的7.42%。

黑木相思人工林灌木層和草本層生物量分別為7.87、2.62 t·hm－2，碳貯量分別為 3.65、1.13 t·hm－2。凋落物層作為土壤有機(jī)碳的最重要來(lái)源，在土壤有機(jī)碳的積累過(guò)程中起著極為重要的作用。受樹(shù)種生物學(xué)特性等影響，黑木相思人工林凋落物現(xiàn)存量較少，其生物量(4.86 t·hm－2)和碳貯量(2.26 t·hm－2)均明顯低于相近林齡的厚莢相思人工林［10］，但均略高于相近林齡的杉木［11］和落葉松人工林［12］。

3.3.2 土壤有機(jī)碳貯量

黑木相思人工林土壤(0～80 cm)有機(jī)碳貯量為89.69 t·hm－2(表3)，其中0＜h≤20 cm 土層有機(jī)碳貯量(41.15 t·hm－2)是 20 cm＜h≤40 cm 土層的2.05倍，占土壤層碳貯量的45.88%;其次是20cm＜h≤40 cm土層，這2層土壤碳貯量占整個(gè)土壤有機(jī)碳貯量的68.25%。由于0＜h≤20 cm和20 cm＜h≤40 cm比較容易受到人為干擾的影響而導(dǎo)致土壤碳損失，因此應(yīng)加強(qiáng)森林植被保護(hù)，盡量避免任何引起水土流失的活動(dòng)，以減少土壤碳損失。

3.3.3 生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其空間分配

黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)的總碳貯量包括喬木層、林下植被層、凋落物層和土壤層。從表3可以看出，黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量為143.06 t·hm－2，喬木層作為生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，其碳貯量為46.33 t·hm－2，占總量的 32.39%，林下植被層(灌草層)碳貯量為4.78 t·hm－2，占總碳貯量的 3.34%;凋落物層為 2.26 t·hm－2，占總量的 1.58%;土壤層(0 ～80 cm)為 89.69 t·hm－2，占總量的62.69%，為植被層碳貯量1.68倍。因此，林地土壤是碳的一個(gè)極重要的貯存庫(kù)，在平衡大氣中的CO2方面有著重要作用。

表3 黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配

3.4 黑木相思人工林碳素年凈固定量

根據(jù)各組分年凈生產(chǎn)力及相應(yīng)組分的碳素含量，計(jì)算出黑木相思人工林年凈固碳量(表4)。從表4可見(jiàn)，黑木相思人工林年凈生產(chǎn)力為17.02 t·hm－2·a－1，碳素年凈固定量為 8.45 t·hm－2·a－1，其中喬木層碳素年凈固定量為 5.79 t·hm－2·a－1，占總碳素年凈固定量的68.52%，為凋落物碳素年凈固定量的2.18倍。不同組分的碳素年凈固定量以干材最大，其年凈固碳量占喬木層碳素年凈固定量53.89%，其次是樹(shù)枝、樹(shù)根和干皮，最小是樹(shù)葉，僅占 7.43%。

表4 黑木相思人工林碳素年凈固定量 t·hm－2·a－1

4 結(jié)論與討論

黑木相思各器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為468.5% ～507.6%，按碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列次序?yàn)闃?shù)干＞樹(shù)枝＞樹(shù)葉＞樹(shù)根＞樹(shù)皮，與馬占相思不同器官碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的排列順序(干皮＞干材或樹(shù)葉＞樹(shù)枝＞樹(shù)根)［3］、杉木不同器官的碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列順序(干皮＞樹(shù)葉＞干材＞樹(shù)根＞樹(shù)枝)［10］和厚莢相思不同器官的碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列順序(干材＞樹(shù)根＞干皮＞樹(shù)枝＞樹(shù)葉)［11］等樹(shù)種存在一定的差異，反映了黑木相思各器官碳素累積特點(diǎn)。黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層不同層次碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為喬木層＞枯落物層＞灌木層＞草本層，土壤層(0～80 cm)有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨土層深度的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

8年生黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量為143.06 t·hm－2，其中喬木層碳貯量為 46.33 t·hm－2，明顯高于燕山北部13年生落葉松人工林(25.18 t·hm－2)［12］和廣西南丹 14 年生杉木人工林(37.29 t·hm－2)［13］，略低于燕山北部33年生落葉松人工林(49.46 t·hm－2)［12］、福建順昌 20 年生馬尾松人工林(50.28 t·hm－2)［14］和湖南會(huì)同 15 年生杉木人工(52.55 t·hm－2)［15］，占生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的 32.39%;灌木和草本層為 10.49 t·hm－2，占 3.34%;凋落物層碳貯量 2.26 t·hm－2，占 1.58%。

森林土壤是碳的一個(gè)極重要的貯存庫(kù)，我國(guó)森林土壤平均有機(jī)碳貯量為 193.55 t·hm－2，約占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳貯量的74.78%［16］。而受研究區(qū)所處區(qū)域和前茬林分即原馬尾松人工林的影響，黑木相思人工林土壤碳貯量(89.69 t·hm－2)及其占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳貯量的比值均明顯低于我國(guó)森林土壤平均碳貯量(193.55 t·hm－2)，占生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的62.69%。但從黑木相思的生物量特性種植黑木相思人工林前后的土壤有機(jī)碳含量可以看出，由于黑木相思具有高落葉量的特性，有利于土壤有機(jī)碳的生物積累，從而提高土壤有機(jī)碳庫(kù)的積累或貯存能力。

8年生黑木相思人工林年凈生產(chǎn)力為17.02 t·hm－2·a－1，碳素年凈固定量為 8.45 t·hm－2·a－1，折合成 CO2的量可達(dá)到30.98 t·hm－2·a－1，高于處于速生階段的福建南平20年生杉木人工林碳素年凈固定量(7.18 t·hm－2·a－1)和湖南會(huì)同 15 年生杉木人工林碳素年凈固定量(5.33 t·hm－2·a－1)，略低于廣西南寧7年生厚莢相思人工林的9.86 t·hm－2·a－1［13］?？梢?jiàn)，黑木相思是一個(gè)既具有較高植物體碳吸存能力，又具有較強(qiáng)土壤碳吸存能力的熱帶樹(shù)種，考慮其具有干形良好、速生、材質(zhì)優(yōu)良而又具有一定的耐寒能力，黑木相思既可以在熱帶亞熱帶地區(qū)作為人工用材林發(fā)展，更適宜在該地區(qū)以生態(tài)公益林或碳匯樹(shù)種為經(jīng)營(yíng)目的的退化山地生態(tài)系統(tǒng)中加以推廣。

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