福建省典型生長區(qū)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度研究

謝?；?蘇阿蘭 吳承禎，2 林勇明 洪 偉 李 鍵 陳 燦 洪 滔

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

福建省典型生長區(qū)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度研究

謝海慧1蘇阿蘭1吳承禎1，2林勇明1洪 偉1李 鍵1陳 燦1洪 滔1

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002；2.武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

以福建省永安市、建陽市為代表性研究區(qū)，在野外調(diào)查估算毛竹林生態(tài)系統(tǒng)生物量的基礎(chǔ)上，研究毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的碳密度空間分布特征。結(jié)果表明：毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為164.750 t/hm2，其空間分布為土壤層>喬木層>凋落物層>灌草層，其中土壤層碳密度占總碳密度的比例最大(75.6%)，凋落物層和土壤層的總碳密度是地上部分(喬木層和灌草層)的3.18倍；毛竹林喬木層各器官按碳密度大小排序為竹稈>鞭根>竹枝>竹蔸>竹葉；毛竹林土壤有機碳含量和碳密度均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸降低，0～40 cm土層的有機碳密度占整個土壤層碳密度的75.33%；就毛竹林生態(tài)系統(tǒng)整體而言，其碳密度小于我國生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度，其碳匯能力還有較大的發(fā)展空間。

毛竹林；碳密度；空間分布特征；福建省

全球氣候變化深刻改變了陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[1]，其中碳收支不平衡出現(xiàn)的“失匯”現(xiàn)象更是引起了眾多學(xué)者對陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的關(guān)注[2]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，儲存了陸地生態(tài)系統(tǒng)有機碳地上部分的80%，地下部分的40%[3]，其不僅具有改善和維護區(qū)域生態(tài)環(huán)境的功能，而且對增加碳匯、抵消CO2排放、緩解溫室效應(yīng)等具有不可替代的作用[4]。20世紀90年代以來，眾多學(xué)者為研究森林對全球碳平衡的影響，從全球、區(qū)域或國家尺度上研究了森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能、碳儲量和碳密度[5-8]，并對不同氣候帶植被如溫帶針闊混交林[9]、暖溫帶落葉闊葉林[10]、熱帶與亞熱帶森林植被[11]的碳儲量、碳密度進行了研究。然而，為正確評價森林對大氣CO2的平衡能力，對較小尺度上某個地區(qū)、某個林種的研究也顯得十分迫切。

毛竹(PhyllostachysedulisRev.)是中國南方重要的森林資源，其作為異齡林，具有生長速度快、可以隔年連續(xù)采伐及永續(xù)利用等特點，因而毛竹林CO2固定能力巨大，對平衡大氣CO2具有重要作用[12]。福建省以其優(yōu)越的自然條件成為我國竹子的重點產(chǎn)區(qū)[13]，從20世紀90年代起，我國學(xué)者開始研究竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量與碳匯能力，并取得了一定的研究成果[12,14-16]?，F(xiàn)今，對毛竹林的研究主要是集中在毛竹林生態(tài)與經(jīng)濟價值評價[13]、毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的地帶性差異[17]、不同類型人工毛竹林土壤碳氮含量及轉(zhuǎn)化特征[18]等方面。而以省域典型樣區(qū)為尺度對毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的空間分配特征的研究尚未見報道。因此，本文以福建省永安市、建陽市為例，通過實地調(diào)查、樣品采集分析以及數(shù)據(jù)處理和運算，從喬木層、灌草層、凋落物層、土壤層4個層次入手，探討毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的空間分配格局，以期為科學(xué)評價區(qū)域林種生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)及碳平衡中的作用提供試驗依據(jù)，并為進一步提升毛竹林碳匯能力以及該區(qū)域毛竹林的科學(xué)管理奠定理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

福建永安市地處東經(jīng)116°56′～117°47′，北緯25°33′～26°12′，屬典型的亞熱帶季風(fēng)山地氣候，年均氣溫19.1℃，無霜期301 d，年均日照時數(shù) 1 766.1 h，年均降雨量 1 688 mm，年均降雨日數(shù)130～169 d。永安市森林資源集存量大，是我國南方重點林區(qū)縣(市)之一，樹木種類繁多，材性用途廣泛，有木本植物514種、竹類28種，其中屬國家、省珍稀品種的有銀杏(Ginkgobiloba)、鐵杉(Tsugachinensis)、油杉(Keteleeriafortunei)、含笑(Micheliafigo)等。

建陽市地處東經(jīng)117°31′～118°38′，北緯27°06′～27°43′，屬中亞熱帶季風(fēng)性氣候，光熱資源豐富，年均氣溫18 ℃，無霜期282 d，年均降雨量 1 700 mm，年均日照時數(shù) 1 802 h。建陽市有“林海竹鄉(xiāng)”的美稱，是我國南方重要的林區(qū)之一，森林資源居福建省第4位。林種類型有針葉林、常綠闊葉林、竹林、灌木林、混交林等，其中毛竹立竹數(shù)達 6 312.99 萬株，各種林副產(chǎn)品如松脂、筍、香菇等十分豐富。

建陽市與永安市同屬閩北區(qū)域，毛竹種植面積大且生長良好，為福建省竹子分布的中心區(qū)，故本研究選擇兩地為代表區(qū)域進行研究。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查與采樣

2010年3月依據(jù)坡位、坡向、海拔的不同，在建陽市華家山竹林采育場、書坊綜合林場、黃坑綜合林場及永安市上坪林場、西洋鎮(zhèn)林場、貢川鎮(zhèn)林場6個毛竹林區(qū)中各設(shè)置3個樣地，共選擇具有典型性的樣地18個，在確定的每個樣地上分別設(shè)置20 m×20 m的標準樣方，按海拔將18個樣方劃分為3類：300～500 m、500～700 m、>700 m，用陰坡、陽坡將坡向分為2類，并用上、中、下3個水平對坡位進行描述。在各樣方中進行每木檢尺，測定樹高、胸徑(表1)，調(diào)查林下植被蓋度，利用手持GPS、經(jīng)緯儀等實測坡向、坡度、地理坐標、海拔等數(shù)據(jù)。然后，在樣方內(nèi)隨機設(shè)置3個1 m×1 m的小樣方，分別收集小樣方內(nèi)所有的凋落物、草本、灌木，并稱其質(zhì)量，按各部分占總質(zhì)量的比例分別取約500 g樣品帶回實驗室。最后，在各毛竹林樣地中隨機選取2個土壤剖面，每個剖面分別取0～20、20～40、40～60 cm3個土層(60 cm以下土層中碳密度降到很低，碳儲量很小，故不作統(tǒng)計[19])，利用環(huán)刀在每個土層中取土樣1 kg，將同一土層土樣充分混合后帶回實驗室。

2.2 相關(guān)指標

將野外采集的凋落物，在105 ℃下殺青30 min，再80 ℃烘干至恒質(zhì)量，推算出各樣地中林下植被的生物量。根據(jù)文獻[20]提出的閩北毛竹各部分生物量優(yōu)化模型，估算喬木層各器官生物量(表2)，進而計算各樣地單位面積生物量。

表1 毛竹林樣地概況

表2 毛竹林各部分生物量優(yōu)化模型[20]

注：D為毛竹林平均胸徑，H為毛竹林平均樹高。

土壤物理性質(zhì)采用土壤水分容重聯(lián)合測定法(LY/T1210—1275《森林土壤分析方法》)測定。

土壤有機碳含量根據(jù)LY/T1237—1999《森林土壤有機質(zhì)的測定及碳氮比的計算》，采用重鉻酸鉀-外加熱法測定。植株樣品及凋落物含碳率在依據(jù)土壤有機碳含量測定方法的基礎(chǔ)上，采用濕熱法[21]測定。

2.3 計算方法

2.3.1 土壤有機碳密度計算 土壤有機碳總碳密度為各層土壤有機碳密度之和，其中某一土層有機碳密度SOCi計算公式為：

SOCi=(1-Si)×Ci×Di×Hi/100

式中：SOCi為i土層的有機碳密度(g/m2)；i為土壤層次；Ci為i土層的土壤有機碳含量(g/kg)；Di為i土層的土壤容重(g/cm3)；Hi為i土層的厚度(cm)；Si為i土層>2mm石礫體積含量(%)。

如果土壤剖面由n層組成，那么該土壤的有機碳密度為：

2.3.2 毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度計算 毛竹不同器官生物量與其平均含碳率的乘積為毛竹不同器官的碳密度；毛竹林各器官平均碳密度之和為喬木層總碳密度，喬木層平均含碳率采用國際上常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5[22-24]。喬木層、林下植被層、凋落物層和土壤層4部分的碳密度之和為毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和DPS軟件進行計算及多元回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 毛竹林喬木層有機碳密度特征

根據(jù)表2的優(yōu)化模型以及野外調(diào)查數(shù)據(jù)計算，毛竹林喬木層各器官生物量計算結(jié)果見表3，有機碳密度計算結(jié)果見表4。

表3 不同區(qū)域毛竹各器官生物量 t/hm2

表4 不同區(qū)域毛竹林各器官有機碳密度 t/hm2

由表3～4可知，毛竹不同器官的碳密度為毛竹不同器官生物量與其平均含碳率的乘積，從毛竹不同器官比較來看，按碳密度大小排序為：竹稈>鞭根>竹枝>竹蔸>竹葉。變異系數(shù)最大的是鞭根，為4.17%，最小的是竹稈，為0.01%。其中碳在毛竹林各器官中的分配以竹稈最大，達49.93%，是竹葉的11.631倍、竹蔸的5.324倍、竹枝的4.790倍、鞭根的1.923倍；竹葉所占比例最小，僅為4.29%；竹枝與竹蔸的平均碳密度僅相差0.409 t/hm2，所占比例分別為10.42%、9.38%。鞭根是除竹稈以外毛竹林喬木層最大的碳庫，占總平均碳密度的25.97%。竹子在采伐時，帶走的竹稈、竹枝、竹葉均屬地上部分，其總平均生物量為 50.661 t/hm2，總平均碳密度為 25.330 t/hm2，占毛竹林喬木層總平均碳密度的64.65%，是地下部分(竹兜、鞭根)的1.829倍。

通過DPS軟件對建立的毛竹林喬木層總有機碳密度(y)與海拔(x1)、坡向(x2)、坡位(x3)的多元線性回歸方程進行模型擬合，得出：

y=28.293 1+0.018 0x1+1.743 7x2+1.378 6x3

對該擬合模型及各回歸系數(shù)進行F檢驗分析，其相關(guān)系數(shù)為0.791，說明多元回歸方程模擬喬木層總有機碳密度是有效的。通過α=0.05的標準誤差顯著性檢驗，F(xiàn)檢驗值為7.786>F0.05(3，14)=3.34，達到顯著水平。海拔、坡向、坡位的影響因子分別為4.091、2.265、1.304。

3.2 毛竹林林下植被層有機碳密度特征

根據(jù)試驗處理得到的碳含量結(jié)合毛竹林林下植被的生物量，計算得出單位面積毛竹林林下植被的碳密度，結(jié)果見表5。

表5 毛竹林林下植被層生物量及有機碳密度

由表5可知，毛竹林林下植被總有機碳密度為0.755 t/hm2，而喬木層為39.180 t/hm2，因此，整個毛竹林植被層的總碳密度為39.935 t/hm2，喬木層、凋落物層、灌草層分別占植被層總碳密度的98.11%、1.49%和0.40%。通過DPS分析，各樣地中灌草層的碳密度主要分布在0.112～0.244 t/hm2，遠小于凋落物層的碳密度(0.421～0.816 t/hm2)。凋落物作為毛竹林生態(tài)系統(tǒng)林下植被的重要組成部分，是毛竹林林下植被總有機碳密度的主要來源，達到總量的78.69%，而灌草層僅占林下植被總有機碳密度的21.31%。

3.3 毛竹林土壤層有機碳密度特征

采用重鉻酸鉀-外加熱法測定計算得到毛竹林土壤各層碳含量，得到不同樣地不同土層的土壤碳密度，結(jié)果見表6。

表6 毛竹林不同土層土壤碳含量及碳密度

土壤碳含量和土壤碳密度的分布規(guī)律在垂直方向上表現(xiàn)一致，即隨著土層深度的增加而逐漸減少。土壤層總有機碳含量為60.909 g/kg，其中0～20 cm土層的碳含量最大，占整個土壤層碳含量的42.73%；40～60 cm土層的碳含量最小，僅占總量的26.21%，0～40 cm土層的碳含量約為40～60 cm土層的2.82倍。土壤層總有機碳密度為124.815 t/hm2，在12.143～74.833 t/hm2區(qū)間內(nèi)變化。0～20 cm土層的土壤碳密度最大，占整個土壤層碳密度的41.11%；20～40 cm土層次之，占總量的34.22%。其中0～20 cm土層碳密度是20～40 cm土層的1.22倍，是40～60 cm土層的1.66倍，并且0～40 cm土層碳密度占整個土壤層碳密度的75.33%，表明土壤層有機碳主要存儲在0～40 cm土層。

利用DPS軟件對建立的土壤有機碳密度(y)與海拔(x1)、坡向(x2)、坡位(x3)的多元線性回歸方程進行模型擬合，得到擬合模型為：

y=7.670 0+0.007 7x1+0.283 3x2+1.575 2x3

對該擬合模型及各回歸系數(shù)進行F檢驗，得到其相關(guān)系數(shù)R為0.273，因此，用多元線性回歸方程模擬土壤有機碳密度的效果不顯著。

3.4 毛竹林生態(tài)系統(tǒng)有機碳密度空間分布格局

毛竹林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳密度計算結(jié)果見表7。

表7 毛竹林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳密度

如表7所示，毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳庫主要包括喬木層、灌草層、凋落物層和土壤層4個部分，整個竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為 164.750 t/hm2，其空間分布大小排序為：土壤層>喬木層>凋落物層>灌草層，其中灌草層占總碳密度的比例最小(0.10%)，土壤層最大(75.76%)，這與中國竹林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量空間分布特征一致[25]；而在植被層中，喬木層和凋落物層碳密度分別占總碳密度的23.78%、0.36%。土壤層和凋落物層的碳密度總和為 125.409 t/hm2，占毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的76.12%，這個比例不僅大于湖南會同速生杉木(Cunnighamialanceolata)林的71.27%[26]，且大于蘇南地區(qū)27年生杉木林[10]的51.52%和熱帶雨林的30.61%[27]，凋落物層和土壤層2部分的有機碳密度是地上部分(喬木層和灌草層)有機碳密度的3.18倍。已有研究結(jié)果表明，喬木層碳密度在森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的比例為27.40%～33.90%，而土壤層所占的比例為64.19%～73.32%[12,28-29]。本文研究中喬木層碳密度所占比重偏小，而土壤層比重偏大，且由于土壤碳周轉(zhuǎn)速率慢，碳儲存能維持較長時間，因此3.18倍這一研究結(jié)果大于Houghton[30]報道的全世界森林生態(tài)系統(tǒng)中枯落物層與土壤層中碳密度是森林地上部分2.0倍的結(jié)果。但就整個毛竹林生態(tài)系統(tǒng)而言，其碳密度小于我國生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度( 258.83 t/hm2)[9]，且碳儲量要低于我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量(163.82～463.59 t/hm2)，僅是云杉-冷杉(Picea-Abies)林(463.59 t/hm2)的1/3左右[31]。這從側(cè)面說明毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量還有較大的提升空間。

4 結(jié)論與討論

毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為 164.750 t/hm2，其空間分布特征表現(xiàn)為：土壤層>喬木層>凋落物層>灌草層，土壤層是毛竹林生態(tài)系統(tǒng)最主要的碳庫，這與許多研究結(jié)果一致[12,32-34]，但與路秋玲等[35]的研究結(jié)果不同，其研究表明喬木層的碳密度大于土壤層，這主要是由于取樣深度不同導(dǎo)致，其次由于其研究樣土中2 mm以上的石礫含量較高，而計算土壤碳儲量需減去這部分的體積含量，也會導(dǎo)致土壤碳密度偏低。土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要的有機碳庫組成部分，其有機碳的補給主要來源于地表枯枝落葉及土體內(nèi)微生物對物質(zhì)的轉(zhuǎn)化分解，本研究結(jié)果表明，隨著土壤采樣深度的增加，土壤有機碳密度呈現(xiàn)遞減趨勢，這與黃土高原的遼東櫟林(Quercusspp.)、柴松林(Pinusshekannesis)、油松林(Podocarpusneriifolius)[32]以及廣西濕地松(Pinuselliottii)人工林[28]、江西大崗山毛竹林[36]的研究結(jié)果一致。這種變化規(guī)律主要體現(xiàn)在0～40 cm土層上，其有機碳密度約占整個采樣剖面的80%左右，這可能與該深度中土壤根系分布較廣，微生物的活性較好，地表植物對土壤補給較多有關(guān)；也可能是由于毛竹林地下鞭根系分布位置較淺的特性，使得有機碳在鞭根腐爛的影響下而有所增加。毛竹林土壤層的碳庫貢獻較大，任何引起水土流失的人為干擾如整地、煉山等都易造成毛竹林尤其是土壤碳素的損失。

喬木層作為毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的第2碳庫，其不同器官的碳密度為1.682～19.564 t/hm2，各器官碳密度變異系數(shù)為0.01%～4.17%。不同器官碳密度由大到小依次為：竹稈>鞭根>竹枝>竹蔸>竹葉。碳在毛竹各器官中的分布以竹桿所占比例最大，這與廣西濕地松人工林[28]、馬尾松(Pinusmassoniana)林[37]、四川孝順竹林[34]喬木層不同器官的碳密度大小排序相似，但與栓皮櫟(QuercusvariabilisBlume)、杉木等樹種不一致[10-11]。這說明毛竹林喬木層不同器官碳素的累積特點與林木類型有關(guān)。喬木層碳密度的多元線性回歸分析結(jié)果表明，回歸方程的回歸整體效果較好，海拔、坡向、坡位3個因素均與毛竹林喬木層總有機碳密度成正相關(guān)，按三者對其影響大小排序依次為：海拔>坡向>坡位。因此，在對毛竹林喬木層有機碳密度進行研究時，海拔的測定需較其他兩者更精準。

凋落物層為森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤-植物系統(tǒng)碳循環(huán)的聯(lián)結(jié)庫，同時也是土壤有機碳的最主要來源，在土壤有機碳的積累過程中起著極為重要的作用，其有機碳密度在植被層中僅次于喬木層。本研究的結(jié)果表明，凋落物是毛竹林生態(tài)系統(tǒng)林下植被的重要組成部分，其碳密度遠大于灌草層，達到毛竹林林下植被總有機碳密度的78.69%，這與何斌等[33]研究的廣西厚莢相思(Acaiacrassicarpa)人工林和馬明等[38]研究的秦嶺天然華山松(Pinusarmandii)林具有相似的分配格局，但與張治軍等[39]研究的重慶鐵山坪馬尾松存在較大的差異。這種差異性與林分分布、林木生長、凋落物的長期積累以及樣地選擇等是否具有相關(guān)性還有待進一步研究。

就毛竹林生態(tài)系統(tǒng)整體而言，其碳密度小于我國生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度，且碳儲量要低于我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，說明毛竹林的碳生產(chǎn)還有較大的發(fā)展?jié)摿?，其碳儲量還有很大的提升空間，適合未來推廣固碳。

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(責(zé)任編輯 曹 龍)

Carbon Density ofPhyllostachysedulisPlantation Ecosystem in Typical Growth Area of Fujian Province

XIE Hai-hui1, SU A-lan1, WU Cheng-zhen1, 2, LIN Yong-ming1,HONG Wei1, LI Jian1, CHEN Can1, HONG Tao1

(1. College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350002, China;2. College of Ecology and Resources Engineering, Wuyi University, Wuyishan Fujian 354300, China)

Taking Yong’an and Jianyang municipalities in Fujian Province as the typical research areas, the carbon density and its spatial distribution characteristics ofPhyllostachysedulisplantation ecosystem were studied by estimating the biomass ofP.edulisecosystem through the field investigation. The results showed that the carbon density ofP.edulisplantation ecosystem was 164.750 t/hm2and its spatial distribution was in the order as soil layer> orbor layer > litter layer > shrub and herb layer. Among the four layers, the soil layer had the highest carbon density which accounted for 75.76% of the total carbon density. The total carbon density of the litter layer and the soil layer was 3.18 times that of the aboveground (arbor layer, shrub layer and herb layer). The distribution of carbon density among the organs ofP.eduliswas ranked in the order of trunk > root > branches > underground trunk > leaves. Both of the organic carbon content and carbon density in theP.edulisplantation soil decreased with the soil depth. The carbon density in the 0-40 cm soil layer accounted for 75.33% of the total soil profile. In terms ofP.edulisecosystem as a whole, its carbon density was less than the average carbon density of different ecosystems in China, which suggested that there was much development space for carbon fixation capacity ofP.edulisplantations.

Phyllostachysedulisplantation; carbon density; spatial distribution characteristics; Fujian Province

2013-10-23

國家自然科學(xué)基金項目(41201564)資助；福建省自然科學(xué)基金項目(2011J01072)資助；福建省科技重大專項(2012NZ0001)資助。

吳承禎(1970—)，男，博士，教授。研究方向：森林生態(tài)學(xué)。Email：fjwcz@126.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.02.006

S718.5

A

2095-1914(2014)02-0028-07

第1作者：謝?；?1990—)，女，碩士生。研究方向：自然資源管理。Email：1079262081@qq.com。