秦嶺中段南坡銳齒櫟林碳密度研究

沈 彪，黨坤良，常 偉，劉 盼

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

森林生態(tài)系統(tǒng)是地球陸地生物圈的主體，也是陸地表面最大的碳庫(kù)[1-2]，在全球碳循環(huán)中扮演著重要角色，其通過(guò)同化作用吸收固定大氣中的CO2，抑制其濃度上升，這對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化問(wèn)題具有積極的現(xiàn)實(shí)意義[3]。準(zhǔn)確地估算森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量，不僅有利于解釋全球碳收支不平衡的問(wèn)題[4]，也有利于促進(jìn)林業(yè)碳匯交易的快速發(fā)展。在森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量和碳循環(huán)等方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，也取得了很大成就[4-13]。由于不同學(xué)者所用的研究資料和方法不同，因此對(duì)森林的碳儲(chǔ)量與碳密度問(wèn)題亦持有不同觀點(diǎn)。據(jù)王效科等[9]推算，中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)植物碳儲(chǔ)量為3.26～3.73 Pg、碳密度為6.47～118.14 t/hm2；趙敏等[10]的推算結(jié)果分別為3.778 Pg和41.321 t/hm2，與之相近；方精云等[11]推算的結(jié)果為5.9 Pg和41.0 t/hm2，與徐新良等[12]的結(jié)果(5.506 4 Pg和38.564 t/hm2)相近；而周玉榮等[13]估算出的我國(guó)植被碳儲(chǔ)量為6.2 Pg，碳密度為57.07 t/hm2。近年來(lái)，分地區(qū)、分樹(shù)種進(jìn)行的森林碳儲(chǔ)量和碳密度研究逐漸引起人們的重視[13-16]。已有學(xué)者對(duì)秦嶺林區(qū)森林碳密度與碳儲(chǔ)量進(jìn)行了部分研究[17-20]，但主要集中于火地塘林區(qū)，而對(duì)于秦嶺南坡大范圍森林碳密度的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。為此，本研究對(duì)秦嶺中段南坡銳齒櫟林有機(jī)碳密度進(jìn)行了測(cè)定，并分析了其與地形因子間的關(guān)系，以期為秦嶺乃至全國(guó)碳儲(chǔ)量與碳匯研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺中段是指秦嶺山脈在陜西省中部的部分。研究區(qū)位于陜南秦巴山地北部，地理位置為32°53′～33°57′N、105°53′～111°01′E，海拔700～3 071 m，總面積484 km2。年平均氣溫11.5 ℃，極端高溫41.3 ℃，極端低溫-25.1 ℃。年降水總量563～1 274 mm，全年降水日數(shù)93～140 d。無(wú)霜期210 d, 植物生長(zhǎng)期130～206 d。區(qū)內(nèi)植被屬山地暖溫帶典型落葉闊葉林，森林主要分布于中山區(qū)的中西段，絕大部分為次生林。主要成林樹(shù)種有栓皮櫟(Quercusvariabilis)、油松(Pinustabulaeformis)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、華山松(Pinusarmandi)、山楊(Populusdavidiana)、銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)、光皮樺(Betulaluminifera)、鐵杉(Pinaceae)、漆樹(shù)(Toxicodendronvernicifllua)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)、牛皮樺(Betulautilis)、巴山冷杉(Abiesfargesii)、太白紅杉(Larixchinensis)等。由于該區(qū)森林在20世紀(jì)50-80年代被過(guò)度砍伐，破壞較為嚴(yán)重，原生植被現(xiàn)存較少，到20世紀(jì)90年代，森林基本恢復(fù)，形成大面積的天然次生林和人工林。

銳齒櫟林是分布于暖溫帶南部及北亞熱帶北部山地的一類落葉闊葉林，是溫帶落葉櫟林中最喜濕的類型。在秦嶺，銳齒櫟林不僅分布面積較大，而且是最為典型、最具代表性的林分類型之一。秦嶺銳齒櫟林分布海拔為1 100～1 900 m，在1 300～1 700 m分布最為集中，多為萌生中幼齡林，實(shí)生林較少[21]。純林多見(jiàn)于陰坡及陽(yáng)坡的中、上部，該林分分布的上限為遼東櫟代替，下限則為栓皮櫟分布[22]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置、取樣和測(cè)定 為了研究秦嶺不同區(qū)域、不同林齡、不同環(huán)境條件下的銳齒櫟林碳密度，分別在秦嶺中段南坡選取了銳齒櫟分布較為集中的陜西省太白林業(yè)局黃柏塬林場(chǎng)、西北農(nóng)林科技大學(xué)火地塘試驗(yàn)林場(chǎng)、陜西省寧東林業(yè)局沙溝林場(chǎng)、陜西佛坪國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)作為研究地點(diǎn)。根據(jù)銳齒櫟在該區(qū)的垂直分布，于不同海拔高度范圍設(shè)置樣地，并且在銳齒櫟集中分布的1 300～1 700 m海拔設(shè)置不同坡度、坡位、坡向的樣地，選擇其中的中齡林用于研究除海拔外的其他地形因子(坡度、坡位和坡向)對(duì)銳齒櫟林碳密度的影響。試驗(yàn)共布設(shè)調(diào)查樣地50塊，所選樣地的林分部分為天然次生幼齡林和中齡林，部分為原始林。各研究區(qū)自然條件概況見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)自然條件概況及樣地分布

1.2.2 立地因子的劃分 根據(jù)《西北主要樹(shù)種培育技術(shù)》[23]中立地因子的劃分方法，并結(jié)合野外調(diào)查實(shí)際，本研究立地因子的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：海拔按<1 300 m、≥1 300～<1 500 m、≥1 500～<1 700 m、≥1 700 m劃分為4個(gè)等級(jí)，坡度按平坡(≤5°)、緩坡(>5°～≤15°)、斜坡(>15°～≤25°)、陡坡(>25°～≤35°)、急坡(>35°～≤45°)、險(xiǎn)坡(>45°)劃分為6個(gè)等級(jí)，坡位按下坡位(地形圖上距離坡頂2/3 處及其以下的坡面)、中坡位(上坡位與下坡位之間的坡面部分)、上坡位(地形圖上距離坡頂 1/3 處及其以上的坡面)劃分為3個(gè)等級(jí)；坡向分為陰坡(西北、正北、東北、正東)和陽(yáng)坡(東南、正南、西南、正西)2個(gè)等級(jí)。

1.2.3 碳密度的估算 (1)樣地內(nèi)生物量的估算。喬木層：調(diào)查采用標(biāo)準(zhǔn)地法，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地每木檢尺數(shù)據(jù)計(jì)算林分平均胸徑和平均高，確定3～5株標(biāo)準(zhǔn)木，將標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，挖出根，稱量標(biāo)準(zhǔn)木樹(shù)枝、樹(shù)葉、樹(shù)皮、樹(shù)干和樹(shù)根的鮮質(zhì)量，并分別采樣保存。灌木、草本及枯落物層：在標(biāo)準(zhǔn)地四角和中央分別設(shè)置灌木(2 m×2 m)、草本(1 m×1 m)、枯落物(1 m×1 m)調(diào)查樣方，將樣方內(nèi)灌木和草本整株挖出，分器官稱量鮮質(zhì)量并分別取樣，枯落物全部收集稱量鮮質(zhì)量并取樣。將所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室于85 ℃烘至恒質(zhì)量，計(jì)算含水率進(jìn)而推算樣地內(nèi)各組分的總生物量(植被各器官總生物量及枯落物總現(xiàn)存量)。

(2)碳密度的估算。將烘干的樣品用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)孔徑0.074 mm(200目)篩后用德國(guó)ELEMENTAR公司生產(chǎn)的LIQUIC TOCⅡ總有機(jī)碳分析儀測(cè)定樣品含碳率，樣地內(nèi)各組分總生物量除以樣地面積即為各組分單位面積生物量，各組分單位面積生物量乘以相應(yīng)含碳率即為該組分碳密度。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 利用EXCEL 2003及SPSS 18.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。通過(guò)相關(guān)性分析研究銳齒櫟林喬木層、灌木層、草本層及枯落物層之間的關(guān)系，運(yùn)用方差分析比較不同林齡、不同海拔、不同坡度以及不同坡位銳齒櫟林各林層碳密度的差異，差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法，用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較不同坡向碳密度的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 銳齒櫟林植被與枯落物層的碳密度及其分配

通過(guò)對(duì)50塊樣地銳齒櫟林碳密度的分析和計(jì)算，結(jié)果(表2)表明，秦嶺中段南坡銳齒櫟林平均碳密度為101.40 t/hm2。其中，喬木層碳密度占到總碳密度的97.82%，平均值為(99.19±33.48) t/hm2；灌木層碳密度占總碳密度的0.60%，平均值為(0.61±0.28) t/hm2；草本層碳密度占總碳密度的0.30%，平均值為(0.30±0.16) t/hm2；枯落物層碳密度占總碳密度的1.28%，平均值為(1.30±0.63) t/hm2。喬木層各器官碳密度值按其占喬木層碳密度的比例由大到小依次為：樹(shù)干(51.85%)>樹(shù)根(22.36%)>樹(shù)枝(14.77%)>樹(shù)皮(7.61%)>樹(shù)葉(3.41%)。綜上可知，秦嶺南坡銳齒櫟林植被層平均碳密度為100.10 t/hm2。

表2 秦嶺中段南坡銳齒櫟林喬木層各組分及不同林層的碳密度

由以上分析可知，銳齒櫟林各林層碳密度由大到小依次為：?jiǎn)棠緦?枯落物層>灌木層>草本層。喬木層碳密度占到總碳密度的97.82%，是銳齒櫟林碳庫(kù)的最主要組成部分；喬木層各器官碳密度以樹(shù)干最高，樹(shù)干部分碳儲(chǔ)量高于其他各器官碳之和，是喬木碳的主要貯存器官。

2.2 銳齒櫟林各林層碳密度的相關(guān)性

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，各林層之間相互影響、相互制約，因此推斷各林層碳密度之間可能也存在著一定的相關(guān)關(guān)系。但對(duì)該區(qū)銳齒櫟林不同林層各組分碳密度的相關(guān)性分析(表3)發(fā)現(xiàn)，各林層碳密度之間雖有一定的相關(guān)性，但均未達(dá)到顯著水平。

2.3 不同林齡銳齒櫟林碳密度的比較

方差分析結(jié)果(表4)顯示，近成熟林喬木層碳密度顯著高于中齡林和幼齡林，其碳密度平均值分別是幼齡林、中齡林的1.92和1.67倍。隨著林齡的增大，灌木層碳密度呈減小趨勢(shì)，幼齡林灌木層碳密度顯著高于中齡林和近成熟林，其碳密度平均值分別是中齡林和近成熟林的1.72和1.88倍。草本層碳密度和枯落物層碳密度亦表現(xiàn)出隨林齡增加而增大的趨勢(shì)，但變化并不顯著。

表3 秦嶺中段南坡銳齒櫟林內(nèi)各林層碳密度的相關(guān)性分析

表4 秦嶺中段南坡不同林齡銳齒櫟林各林層的碳密度

2.4 地形因子對(duì)銳齒櫟林碳密度的影響

2.4.1 碳密度與海拔的關(guān)系 對(duì)不同海拔銳齒櫟中齡林各林層碳密度的比較(表5)發(fā)現(xiàn)，喬木層碳密度在海拔≥1 500～<1 700 m最高，平均值為(109.38±26.99) t/hm2，顯著高于海拔<1 300 m及≥1 700 m銳齒櫟林喬木層的碳密度，與≥1 300～<1 500 m喬木層碳密度差異不顯著。不同海拔間灌木層、草本層、枯落物層碳密度差異不顯著。

2.4.2 碳密度與坡度的關(guān)系 對(duì)秦嶺中段南坡銳齒櫟適生海拔范圍內(nèi)29塊不同坡度銳齒櫟中齡林樣地碳密度的研究結(jié)果(表6)表明，喬木層碳密度隨坡度的增大呈顯著減小趨勢(shì)，平坡碳密度最大，為(130.91±26.98) t/hm2，緩坡、斜坡、陡坡、急坡、險(xiǎn)坡碳密度平均值分別為平坡碳密度平均值的95.01%，80.36%，66.64%，68.63%和59.65%。不同坡度灌木層、草本層、枯落物層碳密度差異均不顯著，但枯落物層碳密度隨坡度的增大呈減小趨勢(shì)。

表5 秦嶺中段南坡不同海拔梯度銳齒櫟林各林層的碳密度

表6 秦嶺中段南坡不同坡度銳齒櫟林各林層的碳密度

2.4.3 碳密度與坡位的關(guān)系 方差分析結(jié)果(表7)顯示，銳齒櫟林喬木層碳密度以上坡位顯著高于下坡位，上坡位喬木層碳密度平均值是下坡位的 1.34 倍，中坡位碳密度介于二者之間。不同坡位灌木層、草本層、枯落物層碳密度差異均不顯著，但其碳密度均隨著坡位的上升而呈增大趨勢(shì)。

表7 秦嶺中段南坡不同坡位銳齒櫟林各林層的碳密度

2.4.4 碳密度與坡向的關(guān)系t檢驗(yàn)結(jié)果(表8)表明，不同坡向銳齒櫟林喬木層碳密度(t=―2.166，P=0.039)、灌木層碳密度(t=―2.837，P=0.008)、枯落物層碳密度(t=―2.981，P=0.006)差異顯著，且均以陽(yáng)坡大于陰坡，草本層碳密度(t=―0.921，P=0.366)在陰、陽(yáng)坡間差異不顯著。

表8 秦嶺中段南坡不同坡向銳齒櫟林各林層的碳密度

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)秦嶺中段南坡銳齒櫟林碳密度的研究結(jié)果表明，秦嶺中段南坡銳齒櫟林植被層平均碳密度為100.10 t/hm2，相比于趙敏等(41.321 t/hm2)[10]、方精云等(41.0 t/hm2)[11]、徐新良等(38.564 t/hm2)[12]、周玉榮等(57.07 t/hm2)[13]估算的中國(guó)森林植被平均碳密度，分別高出 142.26%，144.15%，159.60%和75.40%；亦比李克讓等[24]估算的中國(guó)落葉闊葉林植被平均碳密度(80.90 t/hm2)高出23.73%。說(shuō)明該區(qū)銳齒櫟林碳密度在我國(guó)森林碳密度中處于較高水平，其原因可能有二：一方面是該區(qū)優(yōu)越的水熱條件適宜銳齒櫟的生長(zhǎng)；另一方面是人們長(zhǎng)期重視秦嶺森林資源保護(hù)的結(jié)果。

隨著林齡的增大，生物量不斷積累，森林碳密度亦隨之增加。在秦嶺中段南坡，未受人為干擾的原始銳齒櫟近成熟林喬木層碳密度為(157.30±19.49) t/hm2，而經(jīng)過(guò)人為采伐利用后處于恢復(fù)中的銳齒櫟中齡林和幼齡林，其喬木層碳密度分別為(94.24±29.11)和(82.13±16.52) t/hm2，原始近成熟銳齒櫟林碳密度平均值分別是恢復(fù)中的中齡林和幼齡林的1.67和1.92倍，加之該區(qū)銳齒櫟以中、幼齡林為主，說(shuō)明該區(qū)銳齒櫟林碳密度的增長(zhǎng)仍具有很大的潛力。

王效科等[9]對(duì)我國(guó)30個(gè)省市地區(qū)植被碳密度的研究發(fā)現(xiàn)，植物碳密度的分布規(guī)律與我國(guó)人口密度的變化趨勢(shì)相反，認(rèn)為我國(guó)森林植被碳密度的大小首先取決于人類活動(dòng)的干擾程度，甚至人為干擾對(duì)森林植被碳密度的影響已遠(yuǎn)高于氣候因素。雖然自1998年國(guó)家實(shí)施退耕還林和天然林保護(hù)工程以來(lái)，該研究區(qū)植被破壞現(xiàn)象得到有效遏制，濫伐、燒荒、放牧等破壞森林的現(xiàn)象基本得到杜絕，但調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在人類活動(dòng)較為頻繁的地區(qū)，銳齒櫟林受到的人為干擾仍然比較明顯，需進(jìn)一步加大宣傳力度，減少對(duì)銳齒櫟林不必要的人為干擾。另一方面，合理的森林經(jīng)營(yíng)管理有利于樹(shù)木的生長(zhǎng)和森林碳匯功能的發(fā)揮[25-27]，因此，需要加強(qiáng)對(duì)銳齒櫟林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)和管理。

地形因子與森林碳密度關(guān)系密切，其通過(guò)影響植被的生長(zhǎng)進(jìn)而影響碳的積累。在秦嶺南坡中段，銳齒櫟林喬木層碳密度隨海拔的升高呈先增大后減小的趨勢(shì)，以海拔≥1 500～<1 700 m最高。秦嶺銳齒櫟的適生海拔為1 500～1 560 m[28]，銳齒櫟在其適生海拔內(nèi)由于水分和溫度等條件適宜，生長(zhǎng)速度較快，有機(jī)物積累量較大，固定的碳較多；隨著坡度的增大，土層變薄，不利于銳齒櫟的生長(zhǎng)，使得銳齒櫟林喬木層碳密度隨坡度增大而降低。這可能是導(dǎo)致銳齒櫟林喬木層碳密度隨海拔升高呈先增加后減少的主要原因。而灌木和草本由于根系較淺，受土層厚度的影響較小，因而變化不明顯；坡度增加，喬木層碳密度減小，也就減少了枯落物的來(lái)源，同時(shí)，枯落物不易存留和積累，這可能是導(dǎo)致枯落物碳密度隨坡度增大而減小的主要原因。下坡位土層較厚，水分、養(yǎng)分條件都優(yōu)于中、上坡位，但該坡位的銳齒櫟林碳密度卻最低，其原因可能是由于下坡位人為活動(dòng)較多，對(duì)銳齒櫟林干擾較嚴(yán)重，從而導(dǎo)致下坡位銳齒櫟林碳密度最低。光照是植物生長(zhǎng)的必要條件之一，在降水較為充沛的秦嶺林區(qū)，充足的光照更有利于植被的生長(zhǎng)，因此陽(yáng)坡喬木層、灌木層碳密度高于陰坡?？萋湮飳犹济芏仁軉棠緦?、灌木層影響較大，隨喬木層、灌木層碳密度的增大而增大，這可能是導(dǎo)致其碳密度在陽(yáng)坡高于陰坡的主要原因。草本層由于所處層次較低，隨坡向變化未表現(xiàn)出明顯的差異。因而在銳齒櫟林的經(jīng)營(yíng)管理中，要注意地形因子的影響，針對(duì)不同的地形條件制定相應(yīng)的經(jīng)營(yíng)管理措施，以充分發(fā)揮其碳匯功能。

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