黃土丘陵區(qū)油松人工林生態(tài)系統碳密度及其分配

楊玉姣，陳云明 ，曹 揚

(1.中國科學院水利部水土保持研究所，楊凌 712100;2.中國科學院大學，北京 100049;3.西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，楊凌 712100)

工業(yè)革命以來，全球氣候變暖日益顯著，CO2作為重要的溫室氣體，其源與匯已成為全球關注的熱點。陸地生態(tài)系統的碳收支對全球碳循環(huán)具有極為重要的影響，森林作為最大的陸地生態(tài)系統碳庫，每年固定的碳占整個陸地生態(tài)系統的2/3，在調節(jié)全球碳收支、減緩大氣中CO2濃度上升等方面發(fā)揮著極為重要的作用［1-3］。隨著退耕還林和防護林建設的實施，我國人工林面積大幅增加，人工林在CO2吸收和固定等方面的作用越來越得到重視［4］。研究表明，通過造林和合理的森林經營管理可增加森林的碳匯功能及潛力［5］，這也是減緩氣候變化的一個重要措施［6］。

目前，對森林生態(tài)系統碳密度的估算普遍采用含碳率乘以植被生物量。因此，生物量及含碳率是研究森林碳密度的關鍵因子。國內大多采用0.50或0.45作為森林植被的平均含碳率［7］，很少根據不同森林類型采用不同含碳率來估算森林生態(tài)系統碳密度，造成低估或高估了某一森林生態(tài)系統的碳密度和碳儲量。當前對于森林生物量及碳密度的研究也多限于生態(tài)系統某層次或某一林齡［8-9］，缺少對整個森林群落從喬木層-灌草層-枯落物層-土壤層碳密度時空分布特征的綜合性研究，對于人工林不同林齡階段特別是成熟林碳源、匯功能的研究仍缺乏充足的資料統一認識。

油松(Pinus tabulaeformis)是我國暖溫帶森林主要建群種，具有良好的水土保持等生態(tài)功能，是黃土高原半濕潤區(qū)退耕還林工程的主要樹種之一。本文以黃土高原子午嶺林區(qū)不同林齡油松人工林生態(tài)系統為研究對象，通過野外調查與室內實驗分析相結合的方法，測定油松林喬木層各組分、林下灌草層、枯落物層、土壤層的含碳率，并結合樣地實測信息，以較準確的估算油松林各群落的碳密度，分析油松林不同林齡階段的群落固碳特征，從而為油松林系統的碳匯功能評價與林分經營管理提供理論依據。此外，本研究依據《中國森林生態(tài)系統固碳現狀、速率和潛力研究調查規(guī)范》，對森林生態(tài)系統碳密度進行測定和評估，進而為跨區(qū)域森林類型的對比研究提供依據。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

子午嶺林區(qū)(107°30'—109°40'E、33°50'—36°50'N)處森林和半干旱草原過渡區(qū)，北部為溫帶半干旱氣候，南部屬溫帶半濕潤氣候區(qū)，年均溫7.4—8.5℃，年降水500—620 mm，相對濕度為63%—68%，地帶性土壤為灰褐土。本研究區(qū)位于黃土高原子午嶺林區(qū)南部(108°53'—109°38'E，35°27'—36°50'N)，屬溫帶半濕潤區(qū)，海拔1010—1275 m，地處抬升山地，土壤為原生(山坡)或次生(溝谷)黃土，年均降水量為 587.6 mm，年平均氣溫為7.4 ℃［10］。

子午嶺林區(qū)主要樹種為遼東櫟(Quercus liaotungensisKoidz)、油松和刺槐(Robinia pseudoacacia L)，遼東櫟多屬天然次生林，刺槐和油松則以人工林為主。研究區(qū)內油松人工林林分樹種單一，為絕對優(yōu)勢樹種。林下灌木主要有黃刺玫(Rosa xanthina)、忍冬(Lonicera Japonica)、繡線菊(Spiraea pubescens)、毛櫻桃(Prunusto merttosa)、陜西莢蒾(Viburnum schensianum)、興安胡枝子(Lespedeza davurica)等;草本植物主要有披針苔草(Carex lanceolata)、鐵 桿 蒿 (Artemisia sacrorum)、艾 蒿(Artemisia argyi)、北京隱子草(Cleistogenes hancei Keng)等。

1.2 研究方法

1.2.1 調查樣地設置

本研究依據國家林業(yè)局2004年對黃土丘陵區(qū)油松人工林林齡劃分標準:幼齡林(≤20a)、中齡林(21—30a)、近熟林 (31—40a)、成熟林 (41—60a)，在子午嶺林區(qū)的黃陵縣建莊林場、黃龍縣三岔鎮(zhèn)、富縣直羅鄉(xiāng)和宜川縣鐵龍灣林場分別選取林齡9a(黃陵)、林齡23a(黃龍)、林齡33a(富縣)和林齡47a(宜川)油松人工林作為研究樣點。海拔、坡向、土壤等立地條件基本一致的情況下，在每個樣點內各設置3個標準樣地(20 m×50 m)，所選樣地基本信息情況見表1。

表1 不同林齡油松人工林林分基本特征及調查因子Table 1 Basic status of sampling sites of artificial Pinus at different age gradations

1.2.2 野外調查及樣品采集

喬木:對每個標準樣地內喬木進行每木檢尺，記錄胸徑和樹高，統計株數。按大、中、小徑級選擇3—5株樣木，分葉、枝、干、皮、根5個器官取樣，同器官混合成一個樣品，各器官分別取樣后帶回實驗室。

灌木、草本和枯落物的調查均采用全部收獲法。灌木調查是在每個喬木標準樣地內沿對角線設置3個灌木樣方(2 m×2 m)，調查樣方內灌木種類，全部收獲后分葉、枝、根稱鮮重，將3個樣方內枝、葉、根分別混合均勻后取樣;草本樣方(1 m×1 m)設置與調查方法同灌木，草本分地上與地下部分稱鮮重并取樣;枯落物調查則將草本樣方內枯落物全部收獲后稱重并取樣。以上所有取樣樣品均需稱鮮重后帶回實驗室。

土壤:在每個喬木標準樣地內沿對角線設置3個樣方(1 m×1 m)，在樣方內挖取土壤剖面深至100 cm，不足100 cm以基巖為止，沿剖面按0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—50 cm，50—100 cm，用環(huán)刀取各個土層的原狀土用于測定土壤容重。按以上土壤分層標準，使用內徑為5.8 cm的土鉆，每層隨機鉆取3鉆土，同一層土鉆取樣混合均勻后帶回實驗室。

1.2.3 室內樣品處理與分析

將野外采集的喬木、灌木、草本及枯落物樣品置于85℃烘箱烘至恒重，稱重記錄。烘干樣品磨碎過0.25 mm篩后塑封袋保存待測。將土壤環(huán)刀取樣置于105℃烘箱烘至恒重，稱重記錄;土鉆取樣室內風干，磨碎過0.25 mm篩保存待測。植物與土壤含碳率均采用重鉻酸鉀硫酸氧化法測定。

1.2.4 生物量的測算

油松喬木生物量估算采用肖俞［11］在這一地區(qū)建立的生物量方程(表2)，此方程符合該區(qū)油松生長特點，可較準確的估算油松生物量。宜川和黃龍同屬于黃龍林區(qū)，富縣和黃陵同屬于橋山林區(qū)，而同一林區(qū)內立地條件相似，故前兩個樣點采用黃龍地區(qū)生物量方程，后兩個樣點采用黃陵地區(qū)生物量方程。由胸徑和樹高求得單株油松各器官生物量，進而求得整株油松生物量，樣地喬木生物量則為樣地內所有喬木生物量之和。

表2 油松人工林生物量估算方程Table 2 Regression equations for Pinus plantation

灌木、草本及枯落物生物量:由公式(1)計算出樣品含水率(P);公式(2)換算得樣方內各器官生物量(W干)，灌木、草本及枯落物各器官生物量之和即為其樣方內生物量;由樣方內生物量進而可換算出單位面積(hm2)生物量。

式中，P為樣品含水率，W鮮樣為樣方內各器官所采樣品的鮮重(g)，W干樣為帶回實驗室烘干后樣品重(g)，W鮮為樣方內全部收獲的各器官鮮重(g)，W干為樣方內各器官的生物量(g)。

1.2.5 碳密度的測算

植被部分(喬木層、灌木層、草本層和凋落物層)碳密度采用各部分生物量與其含碳率之積進行計算。土壤層(0—100 cm)碳密度為各土層碳密度之和，某一土層的有機碳密度(Si，g/cm2)計算公式為:

式中，Ci為土壤含碳率(%)，Di為土壤容重(g/cm3)，Ei為土壤厚度(cm)，Gi為直徑＞2 mm 的石礫所占的體積百分比(%)，i代表某一土層。因研究區(qū)整個土壤剖面無直徑＞2 mm的石礫，所以公式中Gi為0。

1.2.6 數據處理

數據經Excel 2007整理后，用SPSS 20.0進行分析，選擇單因素方差分析(one-way ANOVA)比較參數間差異性，取 P＜0.05為差異性顯著，采用SigmaPlot軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 油松林生態(tài)系統生物量大小及其分配

9、23、33和47年生油松喬木層生物量分別為1.83、54.46、114.19 和 134.00 t/hm2，隨林齡增大而增加。9—33a油松各器官生物量均明顯增加，33—47年間枝和皮生物量增幅不明顯，葉生物量有所降低。油松喬木各器官生物量大小排序明顯:樹干最大，其次為葉和根，枝和皮生物量最小(圖1)。

林齡9、23、33和47年生油松林下植被(包括灌木和草本)生物量分別為6.67、2.07、1.23 和4.67 t/hm2，隨林齡增大呈先減小后增加趨勢(圖1)。灌木生物量隨林齡增加變化規(guī)律不明顯，9—33a持續(xù)降低，33—47a則有所增加;草本生物量則隨林齡增加而降低。灌木各器官生物量大小排序明顯，不同林齡下均表現為枝＞根＞葉;草本層地上部分生物量明顯大于地下部分。

由圖1可知，9、23、33、47年生油松林枯落物層生物量分別為6.42、14.39、15.67 和23.74 t/hm2，隨林齡增大而增加。9、23、33、47年生油松林群落總生物量分別為 14.91、70.92、131.09 和 162.4 t/hm2。油松林各群落平均生物量大小排序為:喬木層(76.12 t/hm2)＞枯落物層(14.56 t/hm2)＞林下植被層(3.66 t/hm2)，且喬木層生物量所占比例明顯高于枯落物層和林下植被層。

圖1 不同林齡油松林群落各組分生物量Fig.1 Biomass storage of Pinuss forest in different age gradations喬木葉:Tree leaves;喬木枝:Tree branches;喬木干:Tree stems;喬木根:Tree roots;喬木皮:Tree bark;灌木葉:Shrub leaves;灌木枝:Shrub branches;灌木根:Shrub roots;草本地上:Herbs above ground;草本地下:Herbs under ground

2.2 油松林生態(tài)系統植被各組分、枯落物及土壤層含碳率

不同林齡油松各器官的含碳率在45.7%—54.2%之間，林齡對喬木各器官含碳率無顯著影響(圖2)。喬木各林齡平均含碳率為50.2%，9、23、33和47年生油松平均含碳率分別為49.9%、49.8%、50.8%和50.4%，不同林齡間喬木平均含碳率差異不顯著。喬木不同器官平均含碳率存在顯著性差異，具體表現為葉(53.3%)＞枝(51.4%)＞皮(50.6%)＞干(49.8%)＞根(47.3%)，且葉與枝、枝與干、干與根之間差異性顯著，而枝與皮、皮與干之間差異不顯著。

林下灌木層、草本層、枯落物層含碳率分別為44.5%、43.8% 和40.6%，均低于喬木含碳率。不同林齡灌木及草本各器官的含碳率分別在38.2%—45.9%和40.6%—45.7%之間，林齡對灌木和草本各組分含碳率影響均不顯著。灌木各器官平均含碳率差異性顯著，表現為枝(46.0%)＞葉(44.8%)＞根(42.5%);草本則表現為地上部分含碳率(45.2%)顯著高于地下部分(40.2%)。隨林齡變化，枯落物含碳率只有9a與其它年份存在顯著差異(圖2)。

圖2 不同林齡油松林各組分碳含量Fig.2 Carbon content of components of Pinus forest in different age gradations

土壤(0—100 cm)含碳率在0.3%—2.7%之間。不同林齡同一土層間含碳率存在顯著性差異。土壤0—10 cm含碳率由9a的1.1%增加到23、33a的1.7%和2.7%，隨后又降低至47a的2.1%，且其他各土層亦表現出相同規(guī)律(表3)。同一林齡不同土層土壤含碳率差異性顯著:各林分表層0—10 cm土壤含碳率均顯著高于其他深層土壤，且隨土層深度增加含碳率逐漸減小，具有明顯的垂直分布特征。

表3 不同林齡油松土壤含碳率(%，mean±SD，n=3)Table 3 Soil carbon content rate of Pinus forest in different age gradations

2.3 油松林生態(tài)系統植被、枯落物及土壤層碳密度及分配

9、23、33和47年生油松喬木層碳密度依次為0.90、26.56、59.73 和 60.20 t/hm2，隨林齡增大呈增加趨勢。9—33a喬木生長迅速，碳密度增加明顯;33—47a油松喬木層碳密度增加不明顯。除樹葉外，喬木其他各器官碳密度隨林齡增大均呈增加趨勢，樹干碳密度最大，占整個喬木層的40.9%—46.0%;其次為葉，占 12.8%—24.2%;樹皮最少，僅占7.8%—10.1%(圖3)。油松林下植被層碳密度隨林齡增加呈先增大后減小的趨勢，枯落物層則隨林齡增大而增加:9、23、33和47a林下植被層碳密度分別為2.97、0.91、0.55 和 2.16 t/hm2;枯落物層碳密度依次為 1.57、6.15、6.71 和 9.43 t/hm2，平均水平明顯低于秦嶺火地塘油松枯落物層碳密度［12］，這是由于火地塘林區(qū)海拔高，氣溫和濕度相對較低，制約了微生物對枯落物的分解，進而導致火地塘油松林下枯落物的積累。

由圖3可知，9、23、33和47年生土壤碳密度依次為65.05、66.85、100.73 和 72.47 t/hm2。由此可見，9—23年生土壤碳密度增加不明顯，23—33年生則明顯增大，33—47年生土壤碳密度則明顯減小。此外，0—30 cm 土壤層碳密度相當可觀，9、23、33和47年生占土壤層(0—100 cm)碳密度的47%—58%。30—100 cm土層含碳率雖然相對0—30 cm土層明顯要小，但由于土層厚，故其碳密度仍不容忽視。

9、23、33和47年生油松林生態(tài)系統碳密度分別為70.49、100.48、167.71 和144.26 t/hm2，其空間分布序列為:土壤層 ＞植被層 ＞枯落物層，且植被層和土壤層是油松林的主要碳庫。隨林齡增加，土壤所占生態(tài)系統碳密度比例逐漸降低，各林齡分別為92.3%、66.9%、60.2% 和 50.0%，但仍高于熱帶雨林地區(qū)［13］;喬木層碳密度所占比例則呈增加趨勢，分別為 1.3%、26.4%、35.6%和 41.7%(圖 3)。

圖3 不同林齡油松人工林生態(tài)系統碳密度Fig.3 Carbon density Pinus plantation ecosystem of different age gradations(mean±SD，n=3)

3 結論與討論

3.1 油松人工林生態(tài)系統生物量

黃土丘陵區(qū)9、23、33和47年生油松人工林喬木層生物量分別為1.83、54.46、114.19 和134.00 t/hm2。時間分配上，油松喬木層生物量隨林齡增加而增大，9—33年生時段內，喬木生物量增長快，說明幼齡到近熟階段油松生長迅速;33—47年生時段內，喬木生物量增加不明顯，部分原因在于該區(qū)森林存在間伐現象［7］，期間枝和皮生物量增幅不明顯，葉生物量則有所降低，這也說明成熟油松喬木枝的枯損率較高。此外，23年生油松喬木層生物量明顯低于該區(qū)的25年生的遼東櫟和刺槐林［14］，這可能與樹種特性及林分密度等因素有關。

9年生油松處幼齡期，林分郁閉度小(表1)，灌草生長旺盛，林下植被生物量大。9—23年生油松生長更新快，抑制了灌草的生長，所以林下植被生物量減少，而枯落物大量增加。23—33年生油松生長對光和水競爭激烈，林下植被生長受限制，生物量較小;此階段油松存在明顯的個體整枝，但尚未凋落，因而枯落物增加不明顯。33—47年生林下植被層競爭自疏及間伐之后，林分密度降低，林下水、熱條件得到改善，利于林下植被生長;此階段枯落物生物量明顯增加，一方面是成熟油松枯損率高，另一方面是由于人工林內物種單一，枯落物分解難度大，導致枯落物的大量積累。此外，枯落物與喬木生物量均隨林齡增大而增加(圖1)，具有很大一致性，這也從側面反應出枯落物主要源于喬木層的更新，與上述分析結果一致。

3.2 油松人工林生態(tài)系統含碳率

黃土丘陵區(qū)油松喬木平均含碳率為50.2%?？梢娙艉悸什捎谜g氣候變化專門委員會IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)規(guī)定的全球缺省值0.5，將在一定程度上低估該地區(qū)油松林碳密度。油松各器官含碳率在45.7%—54.2%之間，而該區(qū)刺槐、遼東櫟含碳率分別為45.3%—48.4%［15］和 38.9%—47.0%［16］，油松含碳率明顯高于當地刺槐與遼東櫟，由此可知，油松喬木本身具有良好的碳吸存能力。

本研究表明，油松林地土壤層(0—100 cm)含碳率在0.3%—2.7%之間，變化范圍較大。林地表層土壤極易受到細根和凋落物分解的影響，所以表層土壤最能反映不同樹種對土壤理化性質的影響。本研究中9年生油松林土壤0—10 cm含碳率為11.37%，明顯高于該地區(qū)8年生刺槐林土壤(含碳率為9.16%)［17］，這也就說明油松林表層土壤碳吸存能力優(yōu)于該區(qū)刺槐林。此外，油松林地土壤含碳率隨土層深度增加而減少，具有明顯的垂直分布特征，這與任麗娜等［18］研究結果一致。

3.3 油松人工林生態(tài)系統碳密度

本研究表明，林齡是影響油松林木及群落碳密度積累的主導因子之一，各林齡下群落碳密度均存在明顯差異，這與馬煒等人研究結果一致［19］。本研究中9、23、33和47年生油松人工林喬木層碳密度依次為0.90、26.56、59.73 和60.20 t/hm2，土壤碳密度依次為 65.05、66.85、100.73 和 72.47 t/hm2。喬木層平均碳密度明顯低于我國針葉林平均水平［20］，這可能與降水、氣溫、立地條件、林分密度及人類活動等因素有關。此外，47年生油松林喬木層碳密度偏低［7］，這由森林間伐及成熟油松個體枯損所致;土壤碳密度較33年明顯降低，可能與造林前土地利用方式等因素有關。有研究表明成熟林仍能表現出較高的碳匯功能［21］，因此在增加造林面積的基礎上，還應加強對現有人工林的管理，以提高人工林生態(tài)系統的碳匯功能。油松林土壤有機碳密度以表層土為主，這從側面反映出土壤碳庫極其脆弱，應盡量避免不合理的人為活動引起的地表植被破壞及水土流失。盡管深層土壤含碳率低于表層土，但黃土丘陵區(qū)土層深厚，所以深層土壤碳儲量不容忽視［22-23］。再者，深層土壤有機碳分解礦化速率較表層土壤顯著降低［24］，所以深層土壤對碳固存具有很好的持久性和穩(wěn)定性。

致謝:樣品采集處理和分析得到張婷、艾澤民、姚志杰的幫助，特此致謝。

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