湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳密度特征

王曉榮，張家來，龐宏東，鄭蘭英，崔鴻俠

（湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075）

湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳密度特征

王曉榮，張家來，龐宏東，鄭蘭英，崔鴻俠

（湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430075）

基于2009年湖北省林業(yè)資源連續(xù)調(diào)查第六次復(fù)查數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)地實(shí)測數(shù)據(jù)，采用政府間氣候變化委員會（IPCC）推薦的森林碳儲量估算方法，研究湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量、碳密度和組分特征。結(jié)果表明：湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量710.01 Tg·C，其中喬木層、灌木層、枯落物層、土壤層分別占其總碳儲量的15.74%、2.89%、2.11%和80.56%，天然林和人工林碳儲量分別為420.43 Tg·C和151.59 Tg·C。湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度為111.51 t·hm-2，表現(xiàn)為土壤層＞喬木層＞灌木層＞枯落物層，不同森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度差異較大，介于88.32～177.79 t·hm-2之間。森林不同林層中，喬木層碳密度介于7.63～55.7 t·hm-2，灌木層碳密度介于0.25～12.49 t·hm-2，枯落物層碳密度1.14～3.53 t·hm-2之間，土壤層碳密度介于73.25～136.87 t·hm-2之間，主要集中在30 cm的土層厚度，呈現(xiàn)明顯的表聚特征，土壤碳儲量平均為植被層的3.88倍。森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度表現(xiàn)為針闊混交林＞闊葉林＞針葉林，近成過熟林＞中齡林＞幼齡林。湖北省森林主要以中幼林為主，林業(yè)碳匯潛力巨大，合理的經(jīng)營方式，可以提高森林結(jié)構(gòu)質(zhì)量水平，有效增加森林的碳匯功能。

森林生態(tài)系統(tǒng)；碳儲量；碳密度；湖北省

以全球變暖為主要表現(xiàn)的全球氣候急劇變化及其與不斷增加的大氣溫室氣體的關(guān)系已經(jīng)成為無可爭議的事實(shí)[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，在全球碳循環(huán)中起著源、庫、匯的作用，森林狀況很大程度影響到大氣CO2濃度的變化[2-3]，特別是區(qū)域性森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的儲量和變化對全球碳平衡產(chǎn)生巨大的影響[4]。因此，準(zhǔn)確估算我國森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳特征，分析不同地區(qū)、不同森林類型的碳密度變異規(guī)律，不僅可以減少全球或區(qū)域碳平衡估算中的不確定性，而且對評價(jià)森林碳匯功能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

目前，針對不同森林生態(tài)系統(tǒng)的植被和土壤碳儲量、碳密度和碳匯功能等進(jìn)行了大量的研究工作，取得了顯著的成就[2,5-7]。然而，由于區(qū)域尺度上氣候類型、植被類型復(fù)雜多樣，研究尺度、取樣數(shù)量等不同往往導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度存在很大差異[8-9]。特別是以往小尺度樣地和標(biāo)注地上的研究和測定結(jié)果不能直接用于推算區(qū)域森林碳儲量，如何準(zhǔn)確測算區(qū)域尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量一直是區(qū)域碳匯功能研究面臨的瓶頸問題[10]。森林資源清查資料具有分布范圍廣、幾乎包含地區(qū)所有的森林類型、測量的因子容易獲得且時間連續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，利用森林資源清查數(shù)據(jù)與布設(shè)調(diào)查樣地相結(jié)合的方法估測區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量大大提高了測算精度[11]。

湖北省地處亞熱帶與暖溫帶銜接地帶的氣候區(qū)，包括北亞熱帶常綠、落葉混交林地帶和中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶等兩個地帶，是對全球氣候變化反應(yīng)最為敏感的區(qū)域之一[6]。雖然有部分學(xué)者對湖北省森林碳儲量和碳密度進(jìn)行了初步探討，但仍缺乏全面系統(tǒng)的研究[6,12]。本研究以湖北省主要森林植被為研究對象，采用2009年湖北省森林資源連續(xù)清查第六次復(fù)查成果數(shù)據(jù)，結(jié)合自設(shè)251塊標(biāo)準(zhǔn)樣地調(diào)查不同森林類型灌木層、枯落物層和土壤層數(shù)據(jù)，參考IPCC溫室氣體清單中關(guān)于樹木的相關(guān)參數(shù)[13]，來研究湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度和碳儲量現(xiàn)狀，旨在為評估我國區(qū)域森林植被碳匯功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為科學(xué)制定森林應(yīng)對氣候變化管理和方法提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于我國大陸的中部，地處長江中上游，位于東經(jīng) 108°21′42″～116°07′50″、北緯29°01′53″～33°06′47″，面積 約 18.59×104km2，占全國總面積的1.94%，地勢大致為東、西、北三面環(huán)山，中間低平，略呈向南敞開的不完整盆地，山地占56%，丘陵占24%，平原湖區(qū)占20%。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，平均氣溫大體在15～17℃，最高氣溫可達(dá)39℃，最低氣溫達(dá)-3.2℃，年均降水量大致在800～1 600 mm之間。土壤以紅壤、黃壤、黃棕壤、暗棕壤為主。根據(jù)2009年湖北省森林二類資源清查數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全省林地面積為9.83×106hm2，森林蓄積量為3.5×108m3，森林覆蓋率為45.09%，林業(yè)用地面積占土地面積的52.9%。森林植被具有由北亞熱帶落葉闊葉混交林逐漸過渡到中亞熱帶常綠闊葉林的特征，主要樹種有馬尾松Pinus massoniana、杉木Cunninghamia lanceolata、華山松Pinus armandii、麻櫟Quercus acutissima、栓皮櫟Quercus variabilis、銳齒槲櫟Quercus alienavar.acuteserrata、 樟 樹Cinnamomum camphora、 苦櫧Castanopsis sclerophylla、青岡Cyclobalanopsis glauca等，是中國生物資源較豐富省份之一[14]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇與設(shè)置

針對2012年湖北省林業(yè)碳匯計(jì)量監(jiān)測體系建設(shè)要求，將森林按起源分為天然林和人工林，按林分類型再劃分為針葉林、針闊混交林和闊葉林，天然林進(jìn)一步按林組分為幼齡林、中齡林和近成過熟林，共劃分為12種森林類型。根據(jù)湖北省森林資源分布狀況，并結(jié)合湖北省一類清查樣點(diǎn)來布設(shè)不同森林類型標(biāo)準(zhǔn)樣地?cái)?shù)量和分布，其中宜昌30個、十堰25個、咸寧26個、恩施29個、黃岡32個、黃石5個、荊州5個、神農(nóng)架林區(qū)66個、武漢2個、襄陽26個、孝感5個，共計(jì)251塊。

標(biāo)準(zhǔn)地樣地設(shè)置規(guī)格為25.82 m×25.82 m，對樣地中胸徑≥5 cm的樹種進(jìn)行每木檢尺，喬木調(diào)查主要包括物種名、數(shù)量、胸徑、樹高等。在每個喬木樣方的西北、東北和東南3個角各設(shè)置1個2 m×2 m灌木樣方，調(diào)查優(yōu)勢種名（包括起測直徑＜5 cm的幼樹）、蓋度、株數(shù)（高度不足50 cm不計(jì)入）、平均高等，同時選擇樣方中3株平均大小的標(biāo)準(zhǔn)灌木，采用全株收獲法分別測定3株標(biāo)準(zhǔn)木地上干、枝、葉和地下根系的鮮重，如果灌木為叢生狀，則在樣方選取1～2叢平均冠幅的灌叢，混合后取樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定各器官含水率。在每個灌木樣方中央設(shè)置1個1 m×1 m枯落物樣方，調(diào)查枯落物厚度，收集樣方內(nèi)全部枯落物，包括各種枯枝、葉、果、枯草、半分解部分等枯死混合物，剔除其中石礫、土塊等非有機(jī)質(zhì)，稱量其鮮重，且取混合樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定含水率。

在各種森林類型中隨機(jī)選取4～12個樣地，于其正中央挖取土壤剖面，共96個，每個土壤剖面劃分為0～10 cm、10 cm～30 cm、30 cm～100 cm，土層厚度不到100 cm按實(shí)際厚度分層取樣，將土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤有機(jī)碳含量，同時調(diào)查土壤質(zhì)地、石礫含量，采用環(huán)刀法測定各層土壤容重。具體見表1。

表1 樣地基本特征Table 1 Plot characteristics of different forest types in Hubei Province

1.2.2 植被生物量分析

（1）喬木層

喬木層碳估算基于2009年湖北省森林資源連續(xù)清查第六次復(fù)查成果數(shù)據(jù)，將全省主要森林歸類為12種森林類型，統(tǒng)計(jì)各森林類型面積和蓄積量。參照IPCC[13]推薦的方法進(jìn)行森林生物量的估算，以森林蓄積、木材密度、生物量轉(zhuǎn)換因子和根莖比等為參數(shù)，建立材積源生物量模型[15]，具體公式為：

其中：B為喬木層生物量（t），V為蓄積量（m3），D為木材平均密度（t·m-3），BEF為平均生物量擴(kuò)展因子，R為樹木根莖比。

由于木材密度、生物量轉(zhuǎn)換因子、根冠比較為詳細(xì)，且存在一定的變化幅度。本研究選取《中華人民共和國氣候變化初始國家信息通報(bào)》[16]中林業(yè)碳匯計(jì)量參數(shù)參考值，按照林分類型進(jìn)行了整合和糾正，得到不同森林類型平均木材密度、平均生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)和樹木根冠比參數(shù)（見表2）。

表2 湖北省不同森林類型林木平均木材密度、平均擴(kuò)展因子和樹木根莖比?Table 2 Average wood density, average growth factor and the ratio of root to shoot of different forest types in Hubei Province

（2）灌木層和枯落物層

基于樣地實(shí)測數(shù)據(jù)，將樣地調(diào)查取回的灌木(干、枝、葉、根)樣品和枯落物樣品放入80℃的烘箱烘干至恒重。利用樣品烘干重、樣品鮮重及樣方內(nèi)總鮮重?fù)Q算樣方內(nèi)總生物量。具體換算公式如下：

1.2.3 土壤碳含量測定

基于樣地土壤剖面實(shí)際取樣，采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法，測定土壤不同層次有機(jī)碳含量。參照周玉榮[17]和宮超[18]對土壤碳儲量估算的方法求算不同土壤層次的有機(jī)碳密度，進(jìn)一步求算土壤碳儲量。

式中：SOCn為分n層調(diào)查的土壤單位面積碳儲量（t·hm-2），0.58這一換算因子是指＜2 mm的土壤顆粒有機(jī)質(zhì)含碳量，Ci為第i層土壤有機(jī)質(zhì)含量（g·kg-1），Di為第i層土壤容重（g·cm-3），Ti為第i層土壤的厚度（cm），Gi為第i層直徑≥2 mm 的石礫含量（%）。其中，由于土壤類型分布與植被類型分布幾乎是一致的，故本文利用植被面積代替土壤類型的面積計(jì)算土壤碳儲量。

1.2.4 碳儲量和碳密度

森林植被碳儲量即為生物量乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)（即干物質(zhì)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)），本研究采用目前國際上常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5[5,11,17]。森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度由單位面積上森林喬木層、灌木層、草本層、枯落物層和土壤層各層平均碳密度累計(jì)得到，由于草本層所占比例較少，本研究忽略了草本層碳儲量[6,19]。結(jié)合2009 年湖北省森林資源清查資料中不同森林類型的分布面積，得到碳儲量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型碳儲量及碳密度空間分布特征

2.1.1 喬木層

喬木層作為森林的主體部分，是森林經(jīng)營和培育的主要目標(biāo)，其林分質(zhì)量的高低很大程度上決定著生物量的多少。由表3可知，湖北省不同森林類型喬木層碳密度介于7.63～55.7 t·hm-2，平均碳密度為17.56 t·hm-2。除人工闊葉林最低外，森林喬木層平均碳密度整體表現(xiàn)為闊葉林（29.72 t·hm-2）＞針闊混交林（24.13 t·hm-2）＞針葉林（20.38 t·hm-2），由于闊葉林生長速度快，從而會累積更多的生物量，而人工闊葉林可能由于種植密度低的緣故，使得其碳儲量不高。隨著林齡的增加，天然林喬木層碳密度具有不斷增加的趨勢，分別為近成過熟林（42.16 t·hm-2）＞中齡林（31.22 t·hm-2）＞幼齡林（14.63 t·hm-2），這是森林不斷生長發(fā)育生物量積累的結(jié)果。湖北省喬木層碳儲量為111.79 Tg·C，以天然闊葉幼齡林最高，為33.03 Tg·C，占總儲量的29.55%，天然針闊混交近成過熟林最低，為0.58 Tg·C，占其總儲量的0.52%，這主要是由于湖北省森林經(jīng)過長期人為干擾和砍伐，形成面積較大的幼齡林的緣故，另外喬木層碳儲量大小與森林面積相關(guān)，導(dǎo)致不同的類型碳儲量變化較大。

表3 不同森林類型喬木層蓄積量、碳密度和碳儲量Table 3 The arbor layer biomass, carbon density and storage of different forest types

2.1.2 灌木層

研究表明，灌木層碳儲量、碳密度與森林類型、年齡、密度、面積以及人為干擾有關(guān)[20]。由表4可知，天然林的中幼林與人工林灌木層生物量間差異不顯著，與近成過熟林卻存在顯著的差異（P＜0.05），其中以天然針葉近成過熟林14.49 t·hm-2最高，而人工闊葉林0.25 t·hm-2最低，平均值為3.22 t·hm-2。按針闊葉林型劃分灌木層碳密度可知，針葉林 4.35 t·hm-2最高，闊葉林 3.69 t·hm-2次之，針闊混交林1.29 t·hm-2最低，說明針闊混交林對林下灌木的生長抑制作用強(qiáng)于單純的針葉或者闊葉林，導(dǎo)致其林下灌木生物量較少。同時，隨著林齡的增加，天然林灌木層碳密度均表現(xiàn)為近成過熟林＞幼齡林＞中齡林，表明林齡影響了灌木層碳密度的變化，可能在中林齡時喬木正處于生長旺盛階段，一定程度上抑制了灌木層植物的生長，而在近成過熟林時由于樹木生長已經(jīng)趨于穩(wěn)定，且林分自疏作用為灌木生長又提供了較大的營養(yǎng)空間，促使其快速生長，積累了較高的生物量。但人工林則由于人為干擾嚴(yán)重且樹種單一，造成灌木層植物生長相對困難，其碳密度相差不大且相對較低，人工針葉林、人工針闊混交林和人工闊葉林分別是 0.39、0.41、0.25 t·hm-2。全省灌木層碳儲量為20.50 Tg·C，各種森林類型碳儲量變化范圍在0.06～12.68 Tg·C之間，以天然闊葉幼齡林最高，人工針闊混交林最低。

2.1.3 枯落物層

枯落物層碳密度與森林類型、森林年齡、枯落物的分解速度、人為干擾以及溫度、水分等環(huán)境因子有關(guān)[20]。從表6可知，不同森林類型枯落物層碳密度1.14～3.53 t·hm-2之間，且整體變化不大，平均為2.50 t·hm-2，但仍可發(fā)現(xiàn)隨著林齡的增大，植物生長茂盛，年枯落物量大，枯落物量呈累加的趨勢，且針葉林枯落物碳密度要高于闊葉林，這與闊葉樹種枯落物更容易分解，而針葉樹種則分解速度較慢有關(guān)[21]，特別是在人工闊葉林中更為明顯。枯落物層碳儲量介于0.44～4.82 Tg·C之間，以天然闊葉幼齡林最高，天然針闊混交近成過熟林最低。不同森林類型枯落物碳儲量變化趨勢為闊葉林（6.73 Tg·C）＞針葉林（6.58 Tg·C）＞針闊混交林（1.64 Tg·C），這主要與森林面積大小有較大的關(guān)系。

表4 不同森林類型灌木層生物量、碳密度和碳儲量?Table 4 The litter layer biomass, carbon density and storage of different forest types

2.1.4 土壤層

土壤碳貯量受地上植被、凋落物輸入和有機(jī)質(zhì)分解的影響，同時氣候條件也往往對土壤碳庫容量造成強(qiáng)烈影響[18]。由表5可知，各森林類型不同層次土壤有機(jī)碳含量變化顯著，在5.87～38.58 g·kg-1之間波動，且均隨土壤層次的增加而逐漸降低，不同層次間存在顯著差異性（P＜0.05）。各種森林類型土壤碳密度整體沒有呈現(xiàn)顯著變化規(guī)律，大小范圍介于73.25～136.87 t·hm-2之間，這是由于森林植被影響土壤碳密度變化速度有限，植被通過枯落物分解積累到土壤的有機(jī)碳量需較漫長的時間，同時土壤密度又與土層厚度、土質(zhì)類型、氣候特征等存在較大的關(guān)聯(lián)性。但仍可看出，隨著林齡的增加，森林不斷生長發(fā)育促進(jìn)了土壤有機(jī)碳含量等增加，改善了土壤碳貯存能力。各森林類型土壤碳密度平均值為81.82 t·hm-2，以天然針闊混交近成過熟林最高，而天然針葉幼齡林則最低。不同森林類型土壤碳密度，針闊混交林 105.15 t·hm-2最高，闊葉林 97.03 t·hm-2次之，針葉林96.44 t·hm-2最低，說明闊葉樹種對于改善土壤有機(jī)質(zhì)的效果更佳。以100 cm厚度來研究各森林類型土壤碳密度，30 cm厚的土層碳密度占其比例的范圍為45.20～66.74%，具有明顯的表聚性特征[22]。湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量為572.02 Tg·C，且主要集中在表層土壤30 cm厚度，占總碳儲量的59.89%。各種森林類型土壤碳儲量在2.33～165.02Tg·C，以天然闊葉幼齡林最高，天然針闊混交近成過熟林最低。

表5 土壤層碳密度及碳儲量?Table 5 Carbon density and storage of soil layer

2.2 湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳密度

由表6可知，湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量710.01 Tg·C，喬木層、灌木層、枯落物層和土壤層分別占總碳儲量的15.74%、2.89%、2.11%和80.56%，可見土壤層和喬木層碳儲量是森林生態(tài)系統(tǒng)最重要的碳儲量部分，而林下植被層則比重相對較小。各種森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量介于2.84～220.14 Tg·C之間，其中天然林為420.43 Tg·C和人工林為151.59 Tg·C。森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度為 111.51 t·hm-2，各層碳密度的大小順序?yàn)橥寥缹樱?9.84 t·hm-2）＞喬木層（17.56 t·hm-2）＞灌木層（3.22 t·hm-2）＞枯落物層（2.35 t·hm-2），這與王兵等[23]等在相鄰的江西省森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度研究結(jié)果相似。各種類型森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度差異較大，變化范圍為88.32～177.79 t·hm-2，這主要是由于林型、樹種組成、立地條件等差異影響系統(tǒng)中不同組分的碳分配格局[18]。除天然針葉幼齡林外，其他天然林碳密度均明顯高于人工林，說明天然林有著更高的碳貯存功能，而人工林以人工針闊混交林106.50 t·hm-2為最高，而人工針葉林和人工闊葉林相差不大，分別是 91.50 t·hm-2和 90.92 t·hm-2，可見混交林可以作為碳匯林造林最有模式。不同森林類型生態(tài)系統(tǒng)碳密度變化趨勢為針闊混交林（132.99 t·hm-2）＞闊葉林（132.67 t·hm-2）＞針葉林（124.01 t·hm-2）。隨著林齡的增加，各種類型森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度變化趨勢均表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。

表6 湖北省森林喬木層、灌木層、枯落物層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳密度和碳儲量Table 6 Carbon storage and density of arbor layer, shrub layer, litter layer, soil layer and ecosystem in different forest types in Hubei Province

3 結(jié)論與討論

3.1 植被層碳密度和碳儲量特征

一般而言，森林植被層碳儲量和碳密度主要是源于林分生長環(huán)境、林齡、林型和起源的影響[24]，且不同林分類型不同生長發(fā)育階段，其生物量累積均存在差異，而土壤碳儲量則相對穩(wěn)定。本研究根據(jù)湖北省森林資源清查數(shù)據(jù)和實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，且綜合考慮了喬木層、灌木層、枯落物層，估算出湖北省森林植被層平均碳密度為21.67 t·hm-2，其中天然 林為 25.30 t·hm-2，人工林為13.45 t·hm-2，與王鵬程等[9]對三峽庫區(qū)森林植被層碳密度（24.15 t·hm-2）相近，但顯著低于胡青等[6]研究湖北省主要森林類型生態(tài)系統(tǒng)植被碳密度的結(jié)果，其得到封山育林下的次生林、次生林和人工林三種類型的碳密度為136.12、76.25、114.20 t·hm-2，可能與森林類型劃分以及采樣尺度存在差異有關(guān)。湖北省森林植被層平均碳密度明顯高于湖南省15.88 t·hm-2[25]，但低于廣東省23.11 t·hm-2[26]和河南省 23.64 t·hm-2[27]以及四川省 38.04 t·hm-2[2]，說明湖北省森林植被層碳密度仍處于較低水平，通過人為改造促進(jìn)林分碳儲量提升的潛力巨大。湖北省不同森林類型碳密度為針闊混交林＞針葉林＞闊葉林，可見針闊混交林具有更高的植被碳密度，當(dāng)不同生態(tài)位的針闊葉樹種混交時可充分利用林內(nèi)的光、水等資源，進(jìn)一步改善了土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，提高林地土壤肥力，從而促進(jìn)林分生長[28]，提高了其林分生物量[24]，進(jìn)一步提升了森林植被層碳密度，這與王祖華等[24]研究南京城市森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量和碳密度的結(jié)果相一致。不同林齡碳密度變化趨勢為近成過熟林＞中齡林＞幼齡林，說明隨著林齡的增加植被層碳密度也呈現(xiàn)增長的趨勢，這與王兵等[23]和王效科等[29]研究結(jié)果相一致，主要由于幼齡林和中齡林直徑小，成熟林直徑大，而直徑是確定森林植被層碳密度的關(guān)鍵因素[11,30]。

湖北省森林植被層碳儲量為137.99 Tg·C，略低于湖南省173.94 Tg·C[25]，明顯低于廣東省215.55 Tg·C[26]，但高于河南省 46.73 Tg·C[27]，說明湖北省森林植被碳儲量在全國仍具有舉足輕重的作用。天然林和人工林碳儲量分別占植被層總儲量的81.01%和18.99%，天然林仍是該區(qū)域碳匯功能的主體部分。天然林中按林齡劃分植被層碳儲量，幼齡林占50.96%、中齡林占31.34%、近成過熟林占17.70%，中幼林占其天然林總碳儲量的82.30%，可見湖北省天然林碳儲量主要以中幼齡林為主。因此，未來森林經(jīng)營管理的過程中要加強(qiáng)中幼林的培育，促進(jìn)林分健康發(fā)展，從而不斷增強(qiáng)該區(qū)域森林碳匯功能。按不同林分類型劃分植被層碳儲量，闊葉林、針葉林、針闊混交林分別占總儲量的49.82、38.47和11.71%，闊葉林相對高于針葉林，遠(yuǎn)高于針闊混交林，說明闊葉林仍是該區(qū)域森林植被碳儲量的主要貢獻(xiàn)者，這與胡青等研究相一致[6]。

表7 不同因素下森林植被層碳儲量和碳密度Table 7 Carbon storage and density of forest vegetation layer under different factors

3.2 土壤層碳儲量

湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳儲量為572.02 Tg·C，約為植被層碳儲量的3.88倍，與周玉榮等[17]的研究結(jié)果相近。表明土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，由于土壤有機(jī)碳主要以腐殖質(zhì)形式存在，并受到物理保護(hù)，因而土壤碳周轉(zhuǎn)速率慢，能維持較長時間的碳儲存[20]。土壤碳儲量主要集中在表層土壤0～30 cm，占其總碳儲量的59.89%，不同森林類型0～30 cm土層碳密度比例范圍在45.20～66.74%之間，呈現(xiàn)明顯的表聚性，說明表層土壤碳密度占據(jù)森林土壤總碳密度的大部分比例，如果土壤表層水土流失和人為破壞嚴(yán)重均會在一定程度上造成土壤碳儲量的減少[20]。森林土壤平均碳密度為89.84 t·hm-2，明顯低于全國森林土壤碳密度193.55 t·hm-2，說明該區(qū)域森林土壤碳貯存水平相對較低。其中，針闊混交林105.15 t·hm-2最高，闊葉林 97.03 t·hm-2次之，針葉林96.44 t·hm-2最低，因?yàn)榛旖涣挚僧a(chǎn)生更多的凋落物以及地下細(xì)根產(chǎn)量，其不斷的分解流動可提高土壤碳含量的貯存潛力[6,31]。同時，湖北省天然林和人工林土壤碳密度分別為95.14 t·hm-2和77.80 t·hm-2，可見天然林土壤貯碳能力明顯高于人工林，這主要是因?yàn)楹笔〉靥幬覈鴣啛釒У貐^(qū)，往往山高坡陡，土壤抗侵蝕性能差，降雨量大且集中，天然林被破壞之后營造的人工林，其群落結(jié)構(gòu)簡單，樹種單一，水肥流失嚴(yán)重，森林有機(jī)碳庫的損失嚴(yán)重，天然林的破壞不僅造成植被儲碳能力的下降，而且土壤碳貯存能力也隨著降低[23]。

3.3 湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量

現(xiàn)有的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量研究主要關(guān)注喬木層，對林下植被層、枯落物和土壤有機(jī)碳庫研究較少，一定程度上低估了森林的碳儲量[11,24]。林下植被層、枯落物層以及土壤層均是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在森林生態(tài)系統(tǒng)的碳密度中占有一定比例[6,19]。本研究從喬木層、灌木層、枯落物層和土壤層來綜合估測湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的組成及其特征。李克讓等[32]估測我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為15.55Pg·C，其中植被和土壤碳儲量分別為4.29 Pg·C和11.26 Pg·C，以此為基準(zhǔn)，湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)植被層和土壤層碳儲量分別占全國森林總碳儲量、全國森林植被和土壤總碳儲量的4.57%，3.22%和5.08%。但是，湖北省森林面積僅占全國森林面積的3.26%（以全國第七次森林清查數(shù)據(jù)為準(zhǔn)），此外本研究還未包括竹林、經(jīng)濟(jì)林、灌木林、疏林、四旁樹、散生木等森林類型面積和蓄積量，導(dǎo)致估算的湖北省森林碳儲量比實(shí)際偏低，說明湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量在全國森林碳儲量占有舉足輕重的地位。

湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度為111.51 t·hm-2，與三峽庫區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)總有機(jī)碳密度117.68 t·hm-2[9]一致，明顯低于我國森林生態(tài)系統(tǒng)的平均碳密度258.83 t·hm-2[17]。這可能是由于湖北省現(xiàn)有森林面積中，天然林中幼林占了63.82%，人工林占了30.60%，這些森林整體質(zhì)量不高，在一定程度造成森林碳儲量較低。另外，根據(jù)2009年湖北省森林二類資源清查數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，湖北省森林資源主要分布在鄂西山地，其土地面積占全省38.83%，而林地、有林地和喬木林地面積則分別占全省的55.95%、55.43%和56.47%，導(dǎo)致全省森林資源分布極不均勻。再者，湖北省人多地少，人地矛盾尖銳，天然林破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致現(xiàn)有森林多以天然次生林和人工林為主，且森林質(zhì)量異質(zhì)性較高[6]。因此，未來如何通過保護(hù)和改造現(xiàn)有的森林，提高林分生產(chǎn)力和該區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，來減緩和適應(yīng)氣候變化以及提高森林的穩(wěn)定性和綜合服務(wù)功能，是經(jīng)營過程中森林增匯所面臨的挑戰(zhàn)[28]。

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Carbon storage and carbon density of forest ecosystems in Hubei Province

WANG Xiao-rong, ZHANG Jia-lai, PANG Hong-dong, ZHENG Lan-ying, CUI Hong-xia

(Forestry Institute of Hubei Province, Wuhan 430075, Hubei, China)

Based on the data from the sixth forest resources inventory and standard field data obtained by Forestry Institute of Hubei Province, carbon storage, carbon density, and component characteristics in Hubei’s forest ecosystems were estimated and analyzed through the methods for forest carbon storage estimation recommended by the IPCC. The results showed that the total carbon storage in Hubei’s forest ecosystems was 710.01 Tg·C, and arbor layer, shrub layer, litter layer and soil layer account for 15.74%、2.89%、2.11%和 80.56% of the total carbon storage, respectively. The carbon storage of natural forest 420.43 Tg·C while for plantation forest, it was 151.59 Tg·C. The average carbon density of Hubei’s forest ecosystem was 111.51 t·hm-2, and the average carbon density of individual layer follows the order of soil layer ＞ arbor layer ＞ shrub layer ＞ litter layer. The carbon density varied from 88.32 t·hm-2to 177.79 t·hm-2, depending on forest ecosystem, specifically, the carbon density range of arbor layer, shrub layer, litter layer and soil layer is respectively 7.63 t·hm-2～55.7 t·hm-2, 0.25 t·hm-2～12.49 t·hm-2, 1.14 t·hm-2～3.53 t·hm-2, and 73.25 t·hm-2～136.87 t·hm-2. Carbon density in soil layer is 3.88 times of that in vegetation layer and the soil carbon mainly concentrated in the 30cm surface layer thickness,displaying obvious surface accumulation. The carbon density of coniferous and broad-leaved mixed forest is the biggest, followed by broad-leaved forest, and showed coniferous forest the least carbon density. If the carbon density was further classified by the forest age,the order is near mature forest ＞ middle-aged forest ＞ young forest. In the Hubei Province, young trees dominate the forest, which has great potential, so forest structure can be improved and forest carbon can be increased through reasonable forest managements.

Forest ecosystem; carbon storage; carbon density; Hubei Province

S718.55+6

A

1673-923X(2015)10-0093-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.10.017

2014-02-25

林業(yè)應(yīng)對氣候變化碳匯計(jì)量監(jiān)測體系建設(shè)試點(diǎn)項(xiàng)目；中國綠色碳基金中國石油武漢江夏黃陂碳匯計(jì)量與監(jiān)測

王曉榮，助理研究員，碩士

張家來，研究員；E-mail：rongagewang@126.com

王曉榮，張家來，龐宏東，等. 湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳密度特征[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2015,35(10)：93-100.

[本文編校：吳 彬]