內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶小葉楊人工林碳匯效應(yīng)研究

郭月峰，祁偉， 2，姚云峰*，王娟，張美麗，劉思禹，韓兆敏. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 000；2. 內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 00020

內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶小葉楊人工林碳匯效應(yīng)研究

郭月峰1，祁偉1， 2，姚云峰1*，王娟1，張美麗1，劉思禹1，韓兆敏1
1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2. 內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020

造林工程已經(jīng)對生態(tài)恢復(fù)起到重要作用，并將對全球碳素循環(huán)起到積極作用。以內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶小葉楊（Populus simonii）人工林為研究對象，并以天然草地為對照，分析了退牧還林對生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳循環(huán)的影響。結(jié)果表明，造林活動(dòng)使植被碳庫迅速增加，凋落物碳庫及生態(tài)系統(tǒng)碳庫基本上隨林齡的增加而緩慢增加，土壤碳庫則隨林齡增加出現(xiàn)先降低再增加的趨勢；小葉楊林木平均碳匯速率表現(xiàn)為：幼齡林＞中齡林＞近熟林＞成熟林；以成熟林（30 a）為參照，小葉楊林木固碳潛力為4 500 g·m-2，生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力為5 141.79 g·m-2。研究結(jié)果表明，內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)退牧還林后種植的小葉楊人工林在長時(shí)間尺度上是一個(gè)可觀的碳匯。

碳儲(chǔ)量；小葉楊；內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶

引用格式：郭月峰， 祁偉， 姚云峰， 王娟， 張美麗， 劉思禹， 韓兆敏. 內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶小葉楊人工林碳匯效應(yīng)研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016， 25（6）: 920-926.

GUO Yuefeng， QI Wei， YAO Yunfeng， WANG Juan， ZHANG Meili， LIU Siyu， HAN Zhaomin. Carbon Sink Effect of Afforested Populus simonii Plantations in the Agro-pasture Zigzag Zone in Inner Mongolia ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016，25（6）: 920-926.

大規(guī)模的造林工程已經(jīng)對生態(tài)恢復(fù)起到重要作用，并將對全球碳素循環(huán)起到積極作用。森林植被生物量占全球植被生物量的86%，而森林土壤中的碳占全球土壤碳的73%（Guo et al.，2014）。因此，森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)全球碳平衡，減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升以及維護(hù)全球氣候等方面具有不可替代的作用（Banaitis et al.，2007；Paul et al.，2002；Guo et al.，2002；聶道平等，1997）。由于全球生態(tài)環(huán)境惡化日趨嚴(yán)重，這使得國內(nèi)外研究人員對全球碳循環(huán)愈加關(guān)注（楊義波，1995；陶波等，2001；周玉榮等，2000；Wu et al.，2014）。因此，研究生態(tài)系統(tǒng)固碳功能的意義重大。目前相關(guān)學(xué)者對退耕、退牧造林工程對全球（Wu et al.，2014）和區(qū)域（吳建平等，2013；Enting et al.，2012；Shvidenko et al.，1997；Turner et al.，1995）碳循環(huán)的研究較多，而基于生態(tài)系統(tǒng)尺度上的碳匯能力的研究相對較少（陳先剛等，2008；魏書精等，2013；張東來等，2008），尤其是對于人工小葉楊林分碳儲(chǔ)量的研究報(bào)道甚少。在北方農(nóng)牧交錯(cuò)地帶進(jìn)行退牧還林還草工程，除了恢復(fù)植被和水土保持效果外，其植被固碳功能也逐漸引起人們的關(guān)注。但基于造林工程起到的固碳能力的研究報(bào)道仍然較少，例如，退牧還林還草工程的碳匯評價(jià)方法以及固碳潛力等問題報(bào)道較少或不足（Zinn et al.，2002）

小葉楊（Populus simonii）為楊柳科楊屬喬木，為良好的防風(fēng)、固沙、保土和綠化樹種，是我國主要鄉(xiāng)土樹種和栽培樹種。于20世紀(jì)80年代以后開始成為我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)地帶的主要造林樹種，同時(shí)也是內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶人工林面積最大的樹種。

本文選擇內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶黃花甸子流域?yàn)檠芯康攸c(diǎn)，利用時(shí)空替代法研究退牧還林后生物量碳儲(chǔ)量、凋落物碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量的變化規(guī)律，以期為進(jìn)一步開展造林固碳政策的制定提供科學(xué)的指導(dǎo)，為政府參與國際有關(guān)全球氣候變化的談判提供良好的案例研究和科學(xué)根據(jù)。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶黃花甸子流域（42°23′～42°27′N，119°40′～119°49′E），面積32 km2，海拔440～906 m。年均降雨量為400～470 mm，年均蒸發(fā)量為2290～2400 mm。主要土壤類型為栗鈣土，土壤呈堿性或弱堿性。主要植被以人工植被小葉楊（Populus simonii）為主。研究區(qū)有比較完整的退牧還林（小葉楊）年限系列。同時(shí)，選擇未退牧的天然牧草地作為對照點(diǎn)。流域?qū)儆诎敫珊瞪植菰脖活愋蛥^(qū)，由于人為破壞自然植被喪失殆盡，逐漸變?yōu)榘腼L(fēng)沙荒草地。為了地區(qū)生態(tài)恢復(fù)，于 20世紀(jì)80年代前后開始大規(guī)模種植人工林。

1.2小葉楊林林組的劃分

將小葉楊林齡劃分為幼齡林、中齡林、近熟林及成熟林4個(gè)齡組（那妞兒，2012），具體劃分見表1。

表1　小葉楊林齡組劃分Table1　Age groups division of Populus simonii

1.3樣品采集和測試

1.3.1樣點(diǎn)選擇和樣方布設(shè)

選擇5個(gè)不同林齡的小葉楊樣區(qū)，每個(gè)樣區(qū)均設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方；同時(shí)在每個(gè)樣方的四角及樣方對角線的中央設(shè)置草本樣方（共 5個(gè)），各草本樣方的面積均為1 m×1 m；再于每個(gè)草本樣方內(nèi)設(shè)置3個(gè)0.25 m×0.25 m的枯落物樣方；同時(shí)，在各草本樣方內(nèi)分別對0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm土層進(jìn)行土壤樣品采集，本文土壤分析數(shù)據(jù)取0～100 cm的平均值。

天然草地樣方（對照樣地）設(shè)置：選擇立地條件與小葉楊林分相一致的未退牧還林的天然草地樣區(qū)作為對照樣地。隨機(jī)選擇5個(gè)草地樣區(qū)，并在每個(gè)草地樣區(qū)隨機(jī)布設(shè)5個(gè)1 m×1 m的草本樣方，每個(gè)草本樣方內(nèi)的植被、枯落物以及土壤的取樣方法同小葉楊樣方。

1.3.2樣品采集和測定

喬木層植被生物量測定：在每個(gè)小葉楊樣方內(nèi)，伐倒標(biāo)準(zhǔn)木后稱其各器官的生物量，同時(shí)取一部分樣品帶回實(shí)驗(yàn)室分析測量其含碳率。

草本生物量測定：將草本樣方地上、地下部分全部收獲并進(jìn)行稱重，并將采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干計(jì)算樣品的含水率，進(jìn)而備測樣品的含碳率。

凋落物生物量測定：在每個(gè)凋落物樣方內(nèi)收集全部枯枝落葉，取部分樣品備測碳含量。

不同喬木、草本植物、枯枝落葉的含碳率測定：植被不同器官及凋落物的含碳率用重鉻酸鉀硫酸法測定（田大倫，2004）。

土壤樣品的測定：土壤容重的測定方法采用環(huán)刀取土法，土壤有機(jī)碳含量的測定采用重鉻酸鉀滴定法（中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1999）。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

1.4.1生物量計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地樹木的株數(shù)，結(jié)合上述 1.3.2中小葉楊林分各級生物量的測定方法，經(jīng)折算進(jìn)而求出單位面積喬木層生物量以及草本和枯落物層單位面積生物量。

1.4.2植被及凋落物碳儲(chǔ)量計(jì)算

植被（或凋落物）碳儲(chǔ)量由植被生物量（或凋落物）干重乘以測得的含碳率得到：其中，SOC為單位面積植被不同器官或凋落物的碳儲(chǔ)量，g·m-2；

M 為單位面積植被不同器官或凋落物的生物量干重，g·m-2；

C為單位面積植被不同器官或凋落物的含碳率，g·kg-1?！芐OC為單位面積小葉楊林木碳儲(chǔ)量，g·m-2；SOC干為單位面積小葉楊林木樹干碳儲(chǔ)量，g·m-2；

SOC草為單位面積小葉楊林木枝條碳儲(chǔ)量，g·m-2；

SOC葉為單位面積小葉楊林木葉子碳儲(chǔ)量，g·m-2；

SOC根為單位面積小葉楊林木根系碳儲(chǔ)量，g·m-2；

1.4.3土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算

土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算參考程先富等（2004）的方法，略作修改：

其中，SOC為土壤有機(jī)碳密度，g·m-2；n是取土層數(shù)，本研究中取5；Di表示取樣中不同土層的厚度，cm；θi表示不同土層的土壤容重，g·cm-3；Ci表示不同土層的土壤有機(jī)含碳率，g·kg-1；δi為＞2 mm礫石含量（體積%）。由于研究區(qū)屬于黃土丘陵及黃土漫崗，土壤以黃土母質(zhì)發(fā)育而成，礫石含量少；在處理土壤樣品時(shí)，將全部土樣磨碎，因此公式（3）中的δi為0。

1.4.4森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量計(jì)算

森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量=植被碳儲(chǔ)量+凋落物碳儲(chǔ)量+土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量

1.4.5生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力計(jì)算

本研究中造林植被的生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力是指受自然干擾和基于目前氣候狀態(tài)下，地域由天然草地轉(zhuǎn)化為人工森林后，在后續(xù)很長時(shí)間內(nèi)的最大可能固碳量，其計(jì)算公式為：

其中，CSP為生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力，g·m-2；CSr為是參考植被類型的最大碳儲(chǔ)量（Keith et al.，2009），g·m-2，本文參考植被類型的最大碳儲(chǔ)量為小葉楊林林分碳儲(chǔ)量達(dá)最大時(shí)的林分生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量。CS為初始植被類型的碳儲(chǔ)量，g·m-2，CS的數(shù)值采用的是未種植林木的天然草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量數(shù)值。

2　結(jié)果與分析

2.1不同碳庫碳儲(chǔ)量基線值

以天然草地碳庫為研究不同林齡小葉楊固碳潛力的基線值，以小葉楊成熟林碳庫為參考值，計(jì)算小葉楊的固碳潛力。其中，天然草地各碳庫碳儲(chǔ)量分別為：植被層為69.69 g·m-2，土壤層為6276.25 g·m-2，凋落物層為44.43 g·m-2，生態(tài)系統(tǒng)為6390.37 g·m-2。

2.2小葉楊林分植被層固碳效應(yīng)

對于小葉楊純林而言，植被碳儲(chǔ)量包括喬木層和草本層的碳儲(chǔ)量。小葉楊林分喬木層碳儲(chǔ)量變幅為780.00～4500.00 g·m-2，平均為2410.86 g·m-2。從幼齡林—成熟林階段，林木碳匯過程符合對數(shù)曲線函數(shù)，擬合方程為y=2288.6lnx-3302.7，R2=0.9984（圖1）。林木在幼齡林階段固碳速率較快，隨著年齡的增長，速率在逐漸減緩。

從圖1和圖2還可看出，幼齡林的固碳速率為203.4 g·m-2·a-1，中齡林的固碳速率為196 g·m-2·a-1，近熟林的固碳速率為 174 g·m-2·a-1，成熟林的固碳速率為 150 g·m-2·a-1。可見對于小葉楊林木平均碳匯速率最大出現(xiàn)在幼齡林階段，而在林木逐漸進(jìn)入中齡林直到成熟林的過程，碳匯速率是逐漸降低的，這一結(jié)果與高崗（2009）認(rèn)為小葉楊在5～10 a生長最快的研究結(jié)果基本一致。此外，小葉楊植被固碳速率隨著林木生長年限的增加而下降，因?yàn)殡S著林木不斷生長，樹木單株?duì)I養(yǎng)面積過小，在沒有及時(shí)疏株間伐的情況下，滿足不了林木正常生長的需求，致使小葉楊樹勢衰弱；加之林木不斷生長，不予以合理修枝，將削弱林木頂端優(yōu)勢或使光合作用積累干物質(zhì)減少，造成小葉楊林分植被碳儲(chǔ)量隨林齡增加逐漸降低（郭月峰等，2013）。

圖1　小葉楊林分喬木層固碳過程Fig. 1　Effects of forest carbon sequestration with Populus simonii stand

圖2　小葉楊林分喬木層平均碳匯速率Fig. 2　The average forest carbon sequestration process with Populus simonii stand

小葉楊林分林下草本層碳儲(chǔ)量很少，變幅為124.25～203.25 g·m-2，平均為154.42 g·m-2（圖3）。從植被碳儲(chǔ)量的組成來看，草本層碳儲(chǔ)量較少。隨著林木年限增長，草本層碳匯過程基本表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，擬合方程為：y=-0.2881x2+ 12.196x+57.994，R2=0.7225。原因是在幼齡林和中齡林階段，林分郁閉度較低，林下草本不僅可以得到充分的光照，而且還可以較好地利用林冠的遮蔭作用，從而為其生長提供了相對有利的條件；隨著林木不斷生長，林木逐漸達(dá)到郁閉，林分的透光性較差，林下形成陰暗環(huán)境，導(dǎo)致林下草本的光照資源受到限制，至少?zèng)]有幼樹階段充足，這使得林下草本出現(xiàn)減少的趨勢，故近熟林和成熟林階段草本層碳儲(chǔ)量呈下降的趨勢（郭月峰等，2013）。崔國發(fā)（1996）在研究中指出，人工林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，尤其是純闊葉單層林，當(dāng)林分達(dá)到一定郁閉度以后，培育樹種成為優(yōu)勢樹種，使得林下植物難以生存，林下草本也很稀少，形成了所謂的“清膛林”現(xiàn)象。

圖3　小葉楊林分草本層固碳過程Fig. 3　Herbaceous layer of carbon sequestration effect with Populus simonii stand

2.3小葉楊林分凋落物層固碳效應(yīng)

雖然有研究認(rèn)為植物通過根系脫落輸入到土壤中的碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地上凋落物的碳輸入量，例如，隨著植物根系碳分配比例的提高，根系的生理活動(dòng)進(jìn)一步增強(qiáng)，根系呼吸、周轉(zhuǎn)和根際分泌等過程的碳流量提高，最終土壤碳含量提高（吳伊波等，2009）。但也有學(xué)者認(rèn)為土壤碳儲(chǔ)量的增加主要來源于凋落物的分解，調(diào)落物是土壤碳變化的先驅(qū)，凋落物的性質(zhì)和分解速率影響土壤碳庫的變化（Liski et al.，2002）。從圖4可以看出，隨著林齡的增長，小葉楊林地凋落物層碳儲(chǔ)量不斷增加。其變化趨勢可用二次多項(xiàng)式描述，擬合曲線為y=-0.092x2+10.764x-46.763，R2=0.8974。6、8、9、10、15、20及30 a小葉楊林地凋落物層碳儲(chǔ)量分別為 32.07、30.28、32.63、49.61、63、168.34及185.54 g·m-2。凋落物主要來源于林木的枯枝落葉和雜草，林木生長為每年凋落物的積累作一定貢獻(xiàn)，在造林初期，由于幼樹比較小，凋落物的歸還量較少，之后，隨著林木不斷長大，地上生物量的積累使得凋落物回還量增加。此外，因凋落物沉積于林下，受人為擾動(dòng)相對較輕，每年的分解量有限，所以其碳儲(chǔ)量隨著林齡增大呈不斷增加趨勢。凋落物碳儲(chǔ)量在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中所占比例雖少，但也是一個(gè)不容忽略的碳庫，減緩凋落物的分解速度對于生態(tài)系統(tǒng)的碳截留也起到一定的作用。

圖4　小葉楊林分凋落物層碳匯過程Fig. 4　Litter carbon sequestration process with Populus simonii stand

2.4小葉楊林分土壤固碳效應(yīng)

土壤碳庫大小主要由兩部分決定：一是植物枯枝落葉的輸入量，二是枯枝落葉的分解率。如前面所述，凋落物是土壤碳的先驅(qū)，凋落物的性質(zhì)及分解速率影響著土壤碳庫的變化，而且土壤碳儲(chǔ)量70%～80%增量來源于凋落物的分解（Liski et al.，2002）。人工造林后，土壤碳庫的變化速度較地上生物量碳庫的變化速度慢，主要是因?yàn)橥寥乐刑純?chǔ)量變化存在緩沖作用。不同林齡的小葉楊林地土壤碳匯過程見圖5。從圖5可知，土壤碳儲(chǔ)量隨林齡增加呈增加趨勢，其變化可用二次多項(xiàng)式來描述，擬合方程為y=0.9091x2-10.424x+6162，R2=0.9634。說明不同林齡的林木對土壤碳增匯的影響不同，不同林齡的林木在林中所處的地位各異。

圖5　小葉楊林分土壤碳匯過程Fig. 5　Soil carbon sequestration process with Populus simonii stand

土壤有機(jī)碳隨林齡增加的變幅為 6083.97～6679.21 g·m-2，具體表現(xiàn)為6、8、9、10、15、20 及 30 a小葉楊林地土壤碳儲(chǔ)量分別為 6083.97、6122.27、6188.34、6197.41、6203.35、6279.36 及6679.21 g·m-2。土壤碳儲(chǔ)量基本呈現(xiàn)出在造林初期，測定值比基線值有所下降，之后隨林齡增加而緩慢增加，當(dāng)小葉楊林達(dá)20 a時(shí)，土壤碳儲(chǔ)量恢復(fù)到基線值。當(dāng)林齡為30 a時(shí)，小葉楊林土壤碳儲(chǔ)量出現(xiàn)凈累積。整個(gè)過程可以解釋為：當(dāng)林木種植以后，土壤中碳存變化有個(gè)緩沖作用。造林初期，土壤碳儲(chǔ)量低于基線值水平，因擾動(dòng)改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤通氣性，提高了土壤微生物活性，加速了土壤有機(jī)碳的釋放；同時(shí)，土壤有機(jī)碳積累依賴于凋落物的供給與分解，在造林初期，凋落物量雖有所增加，但凋落物的分解程度不深，從而使土壤有機(jī)碳的固定小于釋放（崔國發(fā)，1996）；也有人認(rèn)為，在造林初期，林木吸收了土壤中的速效養(yǎng)分，在養(yǎng)分歸還土壤的過程中，有相當(dāng)長時(shí)間處于難利用狀態(tài)，營養(yǎng)元素生物循環(huán)受到了阻滯（崔國發(fā)，1996）；小葉楊林木在幼齡林和中齡林階段生長較快，大量消耗土壤養(yǎng)分。之后隨林齡增大，植被生長與土壤養(yǎng)分的耦合效應(yīng)使土壤條件得到改善，土壤質(zhì)量提高，使得土壤碳儲(chǔ)量開始增加，并最終出現(xiàn)凈累積現(xiàn)象。

2.5小葉楊林分生態(tài)系統(tǒng)固碳效應(yīng)

不同林齡的小葉楊系統(tǒng)碳匯過程及平均碳匯速率，見圖6和圖7。從圖6可知，系統(tǒng)碳儲(chǔ)量隨林齡增加呈增加趨勢，其變化趨勢可用對數(shù)式來描述，擬合方程為y=2662.7lnx+2240.9，R2=0.9901。系統(tǒng)碳儲(chǔ)量在幼齡林階段增長較快，之后變化緩慢。系統(tǒng)平均碳匯速率與林齡的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合方程為y=4250.4x-0.709 2，R2=0.9997（圖7）。小葉楊林地系統(tǒng)碳匯過程具體表現(xiàn)為6、8、9、10、15、20及 30 a小葉楊林的系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為7139.67、7833.04、8034.49、8346.76、9290.22、10042.96及 11532.16 g·m-2；固碳速率分別為1189.95、979.13 g·m-2、892.72、834.78、619.35、502.15及384.41 g·m-2·a-1。

2.6小葉楊林分生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力

通過公式（4）計(jì)算可知，在研究區(qū)種植小葉楊林之后，其幼齡林、中齡林、近熟林及成熟林的系統(tǒng)固碳潛力分別為 1956.39、2899.85、3652.59 及5141.79 g·m-2（圖8）；30 a內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力為5141.79 g·m-2，其中植被碳庫、土壤碳庫及凋落物碳庫的固碳潛力分別為 4597.72、402.96及141.11 g·m-2（圖9）。研究表明，在研究區(qū)種植小葉楊林后，生態(tài)系統(tǒng)在長時(shí)間尺度上是一個(gè)可觀的碳匯，尤其以植被碳庫增匯最明顯。

圖6　小葉楊林分生態(tài)系統(tǒng)碳匯過程Fig. 6　Ecosystem carbon sequestration process with Populus simonii stand

圖7　小葉楊林分生態(tài)系統(tǒng)平均碳匯速率Fig. 7　Ecosystem carbon sink rate with Populus simonii stand

圖8　小葉楊林分不同齡組生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力Fig. 8　Different age groups forest carbon sequestration potential with Populus simonii stand

3　討論

造林后生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及各組成碳庫碳儲(chǔ)量隨林齡的變化與已有概念理論和研究結(jié)果相似（Goulden et al.，2011），植被碳儲(chǔ)量基本呈現(xiàn)逐年增加，而土壤碳庫基本呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。在沒有人為干擾的情況下，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量增加量主要以植被增加的碳儲(chǔ)量為主。

從不同林齡的植被固碳速率來看，小葉楊林在22 a后由近熟林轉(zhuǎn)為成熟林（張連翔等，2001），應(yīng)該予以必要的撫育管理，如間伐或全部皆伐，清除原有植株后重新栽植適宜于當(dāng)?shù)厣L的碳匯林樹種或重新栽植原種。或者改純林為混交林，使林木更好利用林地資源，向健康的方向發(fā)展。因此，在我國人工林面積已經(jīng)非常大的情況下，除造林之外，還應(yīng)該對已有人工林加強(qiáng)管理，提高生態(tài)系統(tǒng)固碳增匯效果。

從天然草地到森林的土地利用方式的改變意味著碳循環(huán)周期的改變。改變后的生態(tài)系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生更多的生物量。生物量碳作為生態(tài)系統(tǒng)中積累的植物有機(jī)物總量，是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的能量基礎(chǔ)和營養(yǎng)物質(zhì)來源，因此分析不同生態(tài)系統(tǒng)類型下的植被碳儲(chǔ)量具有重要意義。退牧還林后，生物量碳儲(chǔ)量明顯增加。

土壤碳庫變化的速度比在生物量中慢得多，因?yàn)橥寥乐刑純?chǔ)存的變化有個(gè)緩沖作用。土壤碳含量主要由兩部分決定：一是植物枯枝落葉的輸入量，二是枯枝落葉的分解率。當(dāng)天然草地被轉(zhuǎn)化為森林的時(shí)候，天然草地生態(tài)系統(tǒng)的碳輸入和輸出平衡被打破，造林形成新的生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)機(jī)制還不健全，處于一種無序狀態(tài)。人工林的林木吸收了土壤中的速效養(yǎng)分，在養(yǎng)分歸還土壤的過程中，有相當(dāng)長時(shí)間處于難利用狀態(tài)，營養(yǎng)元素生物循環(huán)受到了阻滯（崔國發(fā)，1996）。在退牧還林初期，由于幼樹比較小，凋落物的歸還就較少。因此，退牧還林后土壤碳密度降低，隨著地上生物量的積累和凋落物回歸的增加，人工林生態(tài)系統(tǒng)逐漸形成新的循環(huán)機(jī)制。在一個(gè)穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)中，根據(jù)森林里凋落物的輸入和分解率，土壤碳積累將會(huì)達(dá)到一個(gè)新的動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)年度變化就不明顯。本文研究發(fā)現(xiàn)從草地到人工林的土地利用變化過程中，小葉楊林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量分別比未退牧之前的草地減少8.2%和8.5%。與Guo et al.（2002）的研究有一定的相似性。

圖9　小葉楊林分不同碳庫固碳潛力Fig. 9　Carbon sequestration potential of different libraries with Populus simonii stand

4　結(jié)論

退牧還林后生態(tài)系統(tǒng)的植被碳儲(chǔ)量、凋落物碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量都隨退牧還林年限延長而發(fā)生變化。造林活動(dòng)使植被碳庫迅速增加，凋落物碳庫及系統(tǒng)碳庫基本上隨林齡的增加而緩慢增加，土壤碳庫則隨林齡增加出現(xiàn)先降低再增加的趨勢；小葉楊林木平均碳匯速率為：幼齡林＞中齡林＞近熟林＞成熟林；以成熟林（30 a）為參照，小葉楊林木固碳潛力為 4500 g·m-2，系統(tǒng)固碳潛力為 5141.79 g·m-2，其中植被碳庫、土壤碳庫及凋落物碳庫的固碳潛力分別為4430.31，402.96及141.11 g·m-2。以上結(jié)果表明，燕山北部低山丘陵區(qū)退牧還林后，人工林生態(tài)系統(tǒng)在長時(shí)間尺度上是一個(gè)可觀的碳匯。

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Carbon Sink Effect of Afforested Populus simonii Plantations in the Agro-pasture Zigzag Zone in Inner Mongolia

GUO Yuefeng1， QI Wei1， 2， YAO Yunfeng1*， WANG Juan1， ZHANG Meili1， LIU Siyu1， HAN Zhaomin1
1. Desert Science and Engineering College， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， China；
2. Department of Forestry， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， China

Afforestation projects play an important role in ecosystem restoration and will contribute to global carbon cycles. The study target was the Populus simonii man-made forests in the agro-pasture zigzag zone of Inner Mongolia， with natural grasslands as a control. We summarized and analyzed how the "conversion from grazing land into forest" affected the ecosystem carbon stocks and carbon cycles.The afforestation activities led to rapid increase of vegetation carbon stocks， since with the prolonging of forest age，the litter carbon stocks and ecosystem carbon stocks slowly increased， but soil carbon stocks first dropped and then rose. The average carbon sink rates change with forest age as follows: young forest ＞ medium age forest ＞ near-mature forest ＞ mature forest.With mature forest （30 a） as reference， the P. simonii forest carbon sequestration potential （CSP） is 4 500 g·m-2， while the P. simonii ecosystem CSP is 5 141.79 g·m-2. These results indicate that after conversion from grazing land into forest in the study area， the P. simonii ecosystem is a considerable carbon sink in the long term.

carbon stock； Populus simonii； agro-pasture zigzag zone in Inner Mongolia

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.06.002

X173； Q148

A

1674-5906（2016）06-0920-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31500584）；內(nèi)蒙古應(yīng)用研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20110732）；高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（NJZZ16055）；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016MS0407）

郭月峰（1982年生），女，講師，博士，主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail: guoyuefeng0525@126.com

姚云峰，教授，博士，主要從事水土保持研究。E-mail: 18904718855@163.com

2016-01-08