鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)不同森林類型固碳釋氧功能研究

王忠誠 ，王淮永 ，華 華 ，張 展

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) a.林學(xué)院；b.農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.株洲市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 株洲 412007）

鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)不同森林類型固碳釋氧功能研究

王忠誠1a,b，王淮永1a，華 華1a，張 展2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) a.林學(xué)院；b.農(nóng)林經(jīng)濟(jì)管理研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.株洲市林業(yè)科學(xué)研究所，湖南 株洲 412007）

為研究不同森林類型固碳釋氧功能效益，采用野外觀測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)會(huì)同鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)的闊葉混交林、杉木毛竹混交林和杉木林等森林類型植被生長(zhǎng)狀況和林地土壤容重、有機(jī)質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并運(yùn)用蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)不同森林類型的生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧功能效益進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明：（1）不同森林類型林木平均生物量存在明顯的差異性，即：闊葉混交林（233.49 t·hm-2）＞杉木毛竹混交林（181.18 t·hm-2）＞杉木林（82.53 t·hm-2）；（2）土壤碳密度表現(xiàn)為：杉木毛竹混交林（42.55 t·hm-2）＞闊葉混交林（36.60 t·hm-2）＞杉木林（32.94 t·hm-2）；（3）主要森林類型的固碳釋氧效益表現(xiàn)為：闊葉混交林＞杉木毛竹混交林＞杉木林。該研究成果較為準(zhǔn)確地反映了鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧效益，對(duì)鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)森林建設(shè)與保護(hù)有一定的參考價(jià)值。

森林類型；固碳釋氧；生物量；林木蓄積量；鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[1-2]，通過植被、土壤動(dòng)物和微生物固定碳素，并釋放氧氣[3]。全球森林資源已由人類文明初期的76億hm2減少到38億hm2[4]。同時(shí)，由于煤、石油、天然氣等化石燃料消耗的增加，大氣中CO2濃度不斷增大，在過去的100年中，空氣中CO2含量由295 μL·L-1增加到320 μL·L-1，引起大氣升溫，產(chǎn)生溫室效應(yīng)[5-7]，人類社會(huì)正面臨著生態(tài)安全的危險(xiǎn)。保護(hù)森林資源，維護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，是維護(hù)地球碳庫、促進(jìn)生態(tài)平衡的重要途徑之一。學(xué)者們（王效科，2001；李克讓，2003；黃從德，2009；陳遐林，2003）對(duì)于大尺度范圍的植被或土壤碳的研究相對(duì)較多[8-11]，其研究?jī)?nèi)容主要涉及森林生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳儲(chǔ)量的空間分布特征、森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲(chǔ)量和碳密度以及碳匯功能等，但對(duì)于中小尺度不同森林類型固碳釋氧功能進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)與研究的并不多見。由于不同的森林類型生態(tài)學(xué)特征的差異，其林分整體固碳釋氧功能也存在一定的差異[12]。本文對(duì)鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)的闊葉混交林、杉木毛竹混交林和杉木林等3種林地固碳釋氧功能進(jìn)行比較分析，旨在對(duì)小尺度森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧效益做初步探討。

1 研究區(qū)概況

鷹嘴界國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于湖南省會(huì)同縣東南部，湘西南邊陲，懷化市南端，沅水上游，地處雪峰山脈西支南段。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，平均氣溫13.4～16.6℃，年均降水量1453 mm，無霜期303 d，有霧日55 d，年日照數(shù)1 462.7 h。保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤有紅壤和黃壤兩個(gè)土類，并保存了由山地系統(tǒng)、溝澗系統(tǒng)和森林群落組成的典型的常綠闊葉林群落，有甜櫧林、楨楠林、黔桂潤(rùn)楠林、鉤栗林、薯豆林、青岡櫟林等16個(gè)群系；還保存有中國南方主要造林樹種杉木、馬尾松等[13]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)線路調(diào)查和典型調(diào)查相結(jié)合的方法，本研究選擇闊葉林、杉木毛竹混交林、杉木林3種植被類型的林地，并分別建立面積為25.82 m×25.82 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，在每個(gè)各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)對(duì)林木每木檢尺，測(cè)定樹高、胸徑等因子，并記錄其坡度、坡向、郁閉度、海拔、土壤類型等指標(biāo)，見表1。

表1 各種標(biāo)準(zhǔn)樣地基本情況Table 1 Basic situation of standard sample plots

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選擇具有代表性的地點(diǎn)，建立1 m× 1 m小樣方收取枯落物；挖掘土壤剖面進(jìn)行觀測(cè)記錄，利用環(huán)刀采集0～15 cm，15～30 cm，30～45 cm土層土樣，每層重復(fù)3次。

2.2 試驗(yàn)方法

將采集的土壤利用環(huán)刀法[14]測(cè)定土壤容重；取一部分土壤樣品烘干、過篩，利用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；將枯落物樣品烘干、稱重（精確到0.01 g）。

2.3 固碳釋氧效益的計(jì)量

（1）根據(jù)森林植被光合作用原理，每生產(chǎn)1 t干物質(zhì)要固定1.63 t CO2，同時(shí)釋放出1.19 tO2[15]。本文采用森林植被生物量進(jìn)行固碳釋氧效益的計(jì)量，森林植被生物量的確定通過生物量與蓄積量的關(guān)系模型求得。

依據(jù)方精云[16]等對(duì)我國森林生物量和材積關(guān)系的研究，所確定的生物量和蓄積量的關(guān)系模式來計(jì)算林地林分生物量，見公式（1）、（2）。

闊葉混交林：

B=0.625 5V+91.001 3 （R=0.93，n=19） （1）

杉木林：

B=0.399 9V+22.541 0 （R=0.97，n=56） （2）

（2）根據(jù)周玉榮[17]等對(duì)我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量的研究，以及Pan G X[18]對(duì)我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)土壤有機(jī)碳密度的研究來計(jì)算會(huì)同鷹嘴界不同森林類型土壤有機(jī)碳密度，見公式（3）、（4）。

式中：0.58這一系數(shù)是指直徑＜ 2 mm的土壤顆粒有機(jī)質(zhì)含碳量；G為土壤容重（g·cm-3）；H為采取土層厚度（cm）。

（3）以中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》[19]為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算森林的固碳量和釋氧量，見公式（5）、（6）。

老柿樹十幾丈高，樹下的陰涼比一個(gè)曬場(chǎng)還大。一般的小雨，坐在樹下濕不了衣裳。曬場(chǎng)知道不？楊小水的敘述很立體，像是怕她的筆友精神不集中，不時(shí)會(huì)問對(duì)方一個(gè)問題。然后她自己解釋說，曬場(chǎng)就是我們農(nóng)村打糧食曬糧食的場(chǎng)子，又平又大。這兒也是楊灣人的飯場(chǎng)，一天三頓飯，到了飯點(diǎn)兒就有人端著碗圍過來。

式中：U碳為森林固碳量（t·hm-2a-1）；R為二氧化碳中碳含量（27.27%）；F為單位面積森林土壤年固碳量（t·hm-2a-1）；B年為林分凈生產(chǎn)力（t·hm-2a-1）。

式中：U氧為森林釋放氧氣量（t·hm-2a-1）；B年為林分凈生產(chǎn)力（t·hm-2a-1）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林類型生物量

通過連續(xù)4年對(duì)樣地內(nèi)林木進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)得林木的樹高、胸徑。根據(jù)湖南省主要樹種二元立木形高表按樹種類型查得林地植被蓄積量，見表2。

表2 不同森林類型林木蓄積量Table 2 Volume of different type forests m3·hm-2

通過表2可以看出，會(huì)同鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)森林林木蓄積量隨年度有較大幅度的增加。其中，闊葉混交林蓄積量增加量為34.89 m3·hm-2，年平均增加量為11.63 m3·hm-2；杉木毛竹混交林為48.43 m3·hm-2，年平均增加量為 16.14 m3·hm-2；杉木林為 29.31 m3·hm-2，年平均增加量為 9.77 m3·hm-2。

根據(jù)公式（1）、（2），得出森林林木的生物量，此方法所求生物量只是森林喬木層主要部分的生物量，而忽視了枝、根等的生物量。根據(jù)國家森林資源連續(xù)清查湖南省第六次復(fù)查的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，該區(qū)域闊葉混交林枝、根、葉等器官與樹干生物量比例關(guān)系：枝占干的16.21%、皮占干的14.16%、根占9.82%、葉占9.47% ；杉木林枝、根、葉等器官與樹干生物量比例關(guān)系：枝占干的13.96%、皮占干的21.05%、根占23.57%、葉占10.53%，得出不同森林類型植被總生物量，見表3。

表3 不同森林類型林木生物量Table 3 Biomasses of different type forests t·hm-2

從表3可以得出，闊葉混交林2008年凈生產(chǎn)量 為 7.85 t·hm-2，2009 年 為 11.19 t·hm-2，2010 年為13.47 t·hm-2；杉木毛竹混交林2008年凈生產(chǎn)量為 13.26 t·hm-2，2009 年為 13.31 t·hm-2，2010 年為6.18 t·hm-2；杉木林 2008 年凈生產(chǎn)量為 7.43 t·hm-2，2009 年為 3.63 t·hm-2，2010 年為 8.76 t·hm-2。

根據(jù)圖1可知，鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)森林植被凈生產(chǎn)量隨年度基本呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。年平均凈增生物量（凈生產(chǎn)力）表現(xiàn)為：杉木毛竹混交林（10.92 t·hm-2）＞闊葉混交林（10.84 t·hm-2）＞杉木林（6.61 t·hm-2）。

3.2 土壤固碳分析

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得，鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)不同森林類型的林地土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量隨年度變化情況，見表4。

圖1 不同森林類型凈生產(chǎn)量Fig.1 Net production of different type forests

表4 不同森林類型土壤容重和有機(jī)質(zhì)含量變化Table 4 Changes of soil bulk density and organic matter content of different type forests

表中土壤容重為0～15 cm，15～30 cm，30～45 cm土層土樣容重的平均值。

根據(jù)公式（3）、（4），計(jì)算會(huì)同鷹嘴界不用森林類型林地的土壤碳密度，見圖2。

圖2 不同森林類型土壤碳密度情況Fig.2 Soil carbon density of different type forests

根據(jù)圖2可知，會(huì)同鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)闊葉混交林平均土壤碳密度為36.60 t·hm-2；杉木毛竹混交林為 42.55 t·hm-2；杉木林為 32.94 t·hm-2。不同森林類型的土壤碳密度隨時(shí)間呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，這是由于土壤有機(jī)碳密度與土壤的容重和有機(jī)碳含量有關(guān)[20-22]，森林有機(jī)質(zhì)含量雖在逐年增加，而土壤容重減小的趨勢(shì)更加的明顯。

3.3 不同森林類型固碳量釋氧量

根據(jù)公式（5）、（6）求出不同森林類型固碳釋氧量，見表5。

表5 不同森林類型固碳釋氧量Table 5 Carbon fixation and oxygen release function efficiency of different type forests t·hm-2

通過表5，可以得出：會(huì)同鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)不同森林類型林地的固碳釋氧量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。闊葉混交林年均固碳量為47.37 t·hm-2，年釋放O2量為12.90 t·hm-2，年固碳釋氧總量為60.27 t·hm-2；杉木毛竹混交林年固碳量為 40.96 t·hm-2，年釋放O2量為12.99 t·hm-2，年固碳釋氧總量為53.95 t·hm-2；杉木林年固碳量為 35.66 t·hm-2，年釋放O2量為7.86 t·hm-2，年固碳釋氧總量為43.52t·hm-2。

4 結(jié)論與討論

（1）本研究通過對(duì)鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)2007～2010年闊葉混交林、杉木毛竹混交林、杉木林的平均生物量研究表明：闊葉混交林（233.49 t·hm-2）＞杉木毛竹混交林（181.18 t·hm-2）＞杉木林（82.53 t·hm-2）。

（2）本研究測(cè)得闊葉混交林年平均凈生產(chǎn)力（10.84 t·hm-2）高于方精云[16]等估算結(jié)果闊葉混交林年平均凈生產(chǎn)力為10.430 t·hm-2。造成這種差異的原因在于文獻(xiàn)[16]的估算結(jié)果是在1996年利用全國第三次森林清查資料進(jìn)行估算的。而本研究利用2007～2010年試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由于保護(hù)區(qū)的建設(shè)與保護(hù)，森林的林分結(jié)構(gòu)和林齡結(jié)構(gòu)在不斷變化，生產(chǎn)力進(jìn)一步提升，本研究的結(jié)果更接近實(shí)際。

（3）鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)有機(jī)質(zhì)平均含量為33.03 g·kg-1，有機(jī)碳平均含量為 19.16 g·kg-1，均高于2009年湖南省二類資源清查中相關(guān)數(shù)據(jù)（公益林有機(jī)質(zhì)平均含量31.22 g·kg-1，有機(jī)碳平均含量18.78 g·kg-1；非公益林有機(jī)質(zhì)平均含量27.86 g·kg-1，有機(jī)碳平均含量 16.16 g·kg-1）。自然保護(hù)區(qū)森林土壤有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳含量較湖南省其他森林生態(tài)系統(tǒng)豐富，這是因?yàn)楸Ｗo(hù)區(qū)的建立有利于森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，使林地內(nèi)枯落物的含量增加，土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量隨之增加。

（4）本文通過連續(xù)4年對(duì)會(huì)同鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)的不同森林類型的固碳釋氧效益監(jiān)測(cè)和研究，結(jié)果表明：闊葉混交林、杉木毛竹混交林和杉木林的固碳釋氧效益表現(xiàn)為闊葉混交林（60.27 t·hm-2）＞杉木毛竹混交林（53.95 t·hm-2）＞杉木林（43.52 t·hm-2），該研究結(jié)果較為準(zhǔn)確地反映了鷹嘴界自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳釋氧效益。

（5）目前對(duì)于林木生物量測(cè)定的方法較多，主要有收獲法、標(biāo)準(zhǔn)木法、模型法等。不同的方法，其測(cè)算結(jié)果也存在一定的差異。收獲法由于耗時(shí)費(fèi)力，操作過程中損失造成的誤差較大；標(biāo)準(zhǔn)木法主要用于人工同齡林的研究，但由于生物量與胸徑間的關(guān)系為非線性，當(dāng)直徑分布區(qū)間較大時(shí)，誤差較大；模型法，通過建立生物量和易測(cè)指標(biāo)間的回歸方程對(duì)生物量進(jìn)行估計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)無破壞性估計(jì)，對(duì)于估計(jì)群落或景觀尺度生物量則可以達(dá)到較高的精度。因此，本文采用模型法來對(duì)森林生物量進(jìn)行計(jì)量。

[1] 賈治邦.積極發(fā)揮森林在應(yīng)對(duì)氣候變化中的重大作用[J].資源與環(huán)境,2008(4):50-51.

[2] Lashof D A. The dynamic greenhouse: feedback proccsses that may influence concentrations of atmospheric trace gases and climate change[J].Climate Change,1989,14:213-242.

[3] IPCC.Climate Change 2001:The Scientif i c Basis. Contribution of Working GroupⅠto the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].Cambridge, UK:Cambridge University Press,2001.

[4] 楊賚麗.城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃[M].北京:中國林業(yè)出版杜,1995.

[5] Kraner P J. Carbon dioxide concentration, photosynthesis, and dry matter production[J]. Bioscience, 1981, 31:29-33.

[6] Waring R H, Schlesinger W H. Forest Ecosystems: Concepts and Management[J]. Orlando, FL, USA: Academic Press Inc, 1985:313-335.

[7] 馬長(zhǎng)欣,等.1999-2003年陜西森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)功能價(jià)值評(píng)估[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010.30(6):1412-1422.

[8] 黃從德,張 健,楊萬勤,等.四川森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的空間分布特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(3):1217-1225.

[9] 王效科,馮宗煒,歐陽志云.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲(chǔ)量和碳密度研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2001,12(1):13-16.

[10] 李克讓,王紹強(qiáng),曹明奎.中國植被和土壤碳儲(chǔ)量[J].中國科學(xué),2003,33(1):72-80.

[11] 陳遐林.華北主要森林類型的碳匯功能研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2003.

[12] Browns, Lugo A E. Biomass of tropical forests：A new estimate based on forest volunes[J]. Science,1984:1290-1293.

[13] 會(huì)同縣統(tǒng)計(jì)局.會(huì)同縣2009年國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[EB/CD].2010.

[14] 中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).LY/T1210-1275森林土壤分析方法[S].國家林業(yè)局發(fā)布,1999.

[15] 周玉榮,于振良,趙士洞.我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和碳平衡[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)2000,24(5):518-522.

[16] 方精云,我國森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1996,16(5): 497-508.

[17] 施溯綺,李 光,張三煥.長(zhǎng)白山區(qū)森林固碳價(jià)值的評(píng)估[J].延邊大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2001,28(2):134-137.

[18] Pan G X, Li L Q, Wu L S, et al. Storage and sequestration potential of topsoil organic carbon in China’s paddy soils[J].Global Change Biology,2003,10:79-92.

[19] 國家林業(yè)局.LY/T17211721-2008.中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范[S].國家林業(yè)局,2008:1-5.

[20] 丘娟珍. 廣東省不同林分土壤A層有機(jī)碳密度估算及其影響因素分析[J].中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃.2010,29(3):61-64.

[21] 袁傳武,張 華,張家來,等.武漢市江夏區(qū)碳匯造林基線碳儲(chǔ)量的計(jì)量[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(2):10-15.

[22] 儲(chǔ) 蓉,周 芳.森林碳匯與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的庫茲涅茨倒“U”型研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)院,2012,32(10):94-100.

Study on carbon fi xation and oxygen release of different type forests in Yingzuijie Nature Reserve

WANG Zhong-cheng1a,b, WANG Huai-yong1a, HUA Hua1a, ZHANG Zhan2
(1a. School of Forestry; b. Forestry Economy Management Research Center, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China; 3. Zhuzhou Forestry Science Research Institute, Zhuzhou 412007, Hunan, China)

In order to research the function eff i ciency of carbon fi xation and oxygen release of different type forests, by adopting the method of combining the field observation and indoor experiments, the indicators of vegetation growth conditions, woodland soil bulk density and soil organic matter of broadleaf mixed forest, bamboo Chinese fi r mixed and fi r forest in Yingzuijie Nature Reserve were monitored, the fixing carbon and releasing oxygen benefits of ecosystem functions were quantitatively analyzed by using the transformational relation between volume and biomass. The results show that: (1) The average forest biomasses of different forest types has signif i cant differences, they ranked by magnitude: broadleaf mixed forest（233.49 t·hm-2）＞ bamboo and Chinese fi r mixed forest（181.18 t·hm-2）＞ Chinese fir forest（82.53 t·hm-2）; (2) Soil carbon density ordered from high to low: bamboo and Chinese fi r mixed（42.55 t·hm-2）＞ broadleaf mixed forest（36.60 t·hm-2）＞ Chinese fir forest（32.94 t·hm-2）; (3) Carbon fi xation and oxygen release function eff i ciency of main types of forests sequenced by magnitude: broadleaf mixed forest＞ bamboo and Chinese fi r＞ Chinese fir forest mixed. The results accurately ref l ect the carbon sequestration and releasing oxygen function eff i ciency of forest ecological system in Yingzuijie Nature Reserve, and has some certain reference values for forest construction and protection in Yingzuijie Nature Reserve.

forest types; carbon fi xation and oxygen release; biomass; forest wood volume; Yingzuijie Nature Reserve

S718.56

A

1673-923X(2013)07-0098-04

2012-10-16

2012年度湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開放基金“湖南省典型農(nóng)業(yè)干旱區(qū)基本農(nóng)田保護(hù)模式研究”（12K072）

王忠誠（1970-），男，湖南新寧人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事水土保持領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作

[本文編校：吳 毅]