杉木人工林各植物組分含碳率研究

王賽專(zhuān)， 康文星, 楊志敏

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.芷江侗族自治縣林業(yè)局林調(diào)隊(duì)， 湖南 芷江 419100)

杉木人工林各植物組分含碳率研究

王賽專(zhuān)1， 康文星1, 楊志敏2

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.芷江侗族自治縣林業(yè)局林調(diào)隊(duì)， 湖南 芷江 419100)

分別采集會(huì)同縣廣坪林區(qū)第2代杉木人工林的杉木樹(shù)干(去皮)、樹(shù)皮、枝、葉、根系樣品和灌木的干、枝(葉)和根樣品與草本植物的地上、地下部分樣品以及林內(nèi)的枝、葉、果和碎屑凋落物和枯死根，用干燒法測(cè)定其含碳率。結(jié)果表明：杉木各器官含碳率大小的順序是：樹(shù)皮>樹(shù)葉>樹(shù)根>樹(shù)干>樹(shù)枝。樹(shù)皮、樹(shù)葉、樹(shù)干、樹(shù)枝含碳率隨著樹(shù)木年齡的增大而增加，樹(shù)根含碳率隨著樹(shù)木年齡增大出現(xiàn)波動(dòng)。林冠下草本植物的平均碳含量比木本植物低，且草本植物間碳含量差異要比木本植物間大。林齡對(duì)凋落物同種組分碳含量影響不顯著。不同凋落物的碳含量即使在同一齡級(jí)也存在較大差異。枯死根系的碳含量要低于地上凋落物各組分的碳含量，林木各器官活有機(jī)體內(nèi)的碳含量均大于相應(yīng)死有機(jī)體(凋落物)內(nèi)的碳含量。

杉木人工林； 植物組分； 含碳率； 會(huì)同縣

綠色植物通過(guò)光合作用吸收大氣中的CO2和土壤中的水分，經(jīng)過(guò)一系列生物化學(xué)反應(yīng)，將CO2和水分構(gòu)建成碳水化合物。植物組織主要由碳水化合物中的纖維素組成，也含有其他的碳水化合物、其他有機(jī)化合物、礦物質(zhì)，因此不同植物的相同組織，其成分不同，含碳率也不同；同一植物不同器官的組織，其成分不一樣，含碳率也不一樣[1]。王秀云[2]測(cè)得長(zhǎng)白落葉松各器官的含碳率差異性，除了33 和46年生的干、枝、葉差異不顯著外，其他林齡時(shí)，各器官含碳率均在0.05水平下差異顯著。杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)南方亞熱帶特有的優(yōu)良速生鄉(xiāng)土用材樹(shù)種，在我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中發(fā)揮著舉足輕重的作用[3]。我們對(duì)會(huì)同縣杉木人工林各植物組分含碳率進(jìn)行了研究，以期為杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)的固碳作用、碳匯功能和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

1.1自然條件

試驗(yàn)林設(shè)在湖南省會(huì)同縣。該區(qū)是我國(guó)著名的杉木中心產(chǎn)區(qū)，地理位置為109°45′—110°07′E、22°41′—22°53′N(xiāo)。深沖林場(chǎng)林地面積共3039hm2，絕大部分為杉木人工林。該地區(qū)地形較開(kāi)闊，屬于丘陵和低山山地，海拔270～500m，相對(duì)高度150m以下，山巒起伏，其中杉木人工林的陽(yáng)坡和陰坡都較短，平均坡度在20°以上[4]。根據(jù)國(guó)家重點(diǎn)野外科學(xué)試驗(yàn)站、國(guó)家林業(yè)局中南林業(yè)科技大學(xué)杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)定位站長(zhǎng)期觀測(cè)的數(shù)據(jù)，該地區(qū)年均氣溫為16.8℃，1月平均氣溫為4.4℃，7月平均氣溫為26.3℃，年相對(duì)濕度在80%以上，年降雨量為1100～1400mm[5]。

1.2試驗(yàn)林概況

本研究在國(guó)家重點(diǎn)野外臺(tái)站和國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)站、國(guó)家林業(yè)局——中南林業(yè)科技大學(xué)會(huì)同森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的試驗(yàn)基地進(jìn)行。在試驗(yàn)基地的林地北坡設(shè)有7個(gè)相互平行且自然地理狀況基本相似的小集水試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)林位于第3小集水試驗(yàn)區(qū)，其面積為1.9483hm2，平均坡度為25°，北坡，海拔280～355m，原是荒山，經(jīng)煉山和全墾挖穴后，于1966年?duì)I造杉木人工林，密度為3000株/hm2。1987年冬，該區(qū)的杉木人工林全部皆伐；1988年春，按照國(guó)家林業(yè)局提出的豐產(chǎn)林標(biāo)準(zhǔn)，營(yíng)造了第2代杉木林，密度為2400株/hm2。造林后前3年春、秋2季各撫育1次，此后沒(méi)有進(jìn)行撫育和間伐管理，任其自然生長(zhǎng)。到2007年底，第2代杉木林林齡為20年，密度為2310株/hm2，林分平均高度15.8m，平均胸徑15.8cm，葉面積指數(shù)7.63，郁閉度0.9左右[2]。

2 材料與方法

2.1材料

在第2代杉木人工林內(nèi)設(shè)立固定樣地。每1塊樣地面積667m2，樣地內(nèi)的林木按克拉大特法分級(jí)(5個(gè)生長(zhǎng)級(jí))進(jìn)行每木調(diào)查(測(cè)定胸徑、樹(shù)高、冠幅)。根據(jù)林木各生長(zhǎng)級(jí)的平均測(cè)樹(shù)因子，每1級(jí)林木各選標(biāo)準(zhǔn)木1株，加上平均木共6株樹(shù)木，記載常規(guī)的調(diào)查因子后，全部伐倒(根系分土層挖出)。在現(xiàn)場(chǎng)用分層截取法(1m區(qū)分)測(cè)其枝、葉、干和根等各組分的鮮重。

林下植被與凋落物調(diào)查，在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按S型設(shè)5個(gè)2m×2m的小樣方，先調(diào)查小樣方內(nèi)林下植被類(lèi)型(木本和草本)、種類(lèi)、高度、多度等；凋落物層生物量分層獲取，按其分解程度分為3層，即未分解、分解中和已分解層分別收集，測(cè)定其凋落物鮮重，用全部收獲法將林下植物(連根系)收獲測(cè)定其鮮重。

分別采集杉木的樹(shù)干(去皮)、樹(shù)皮、枝、葉、根系樣品和灌木的干、枝(葉)和根樣品與草本植物的地上、地下部分樣品以及林內(nèi)的枝、葉、果和碎屑凋落物和枯死根。考慮到分析樣品時(shí)的實(shí)際用量較少，為保證取樣全面以及混合均勻，本試驗(yàn)采用3次粉碎法制樣，即初次粉碎時(shí)取樣量較大，在初粉碎的基礎(chǔ)上按四分法取其中的1/4進(jìn)行第2次粉碎，然后同前方法進(jìn)行第3次粉碎，經(jīng)粉碎的樣品過(guò)200目篩后裝瓶備用。所有粉碎后的樣品在分析前，再次放入80℃的恒溫箱中烘24h。

2.2方法

測(cè)定樣品含碳率采用干燒法，分別于第7、11、14、18、20年生時(shí)進(jìn)行測(cè)定，共測(cè)定5次。用電子天平準(zhǔn)確稱(chēng)取樣品0.02～0.03g放入500mL三角瓶，加入1.0N重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液10mL，搖勻，再加入20mL濃硫酸，輕輕搖動(dòng)1min，使之與樣品充分接觸，放置30min后，用蒸餾水稀釋至250mL，加入4滴鄰羅啉指示劑，用0.5N硫酸亞鐵溶液滴定，溶液由黃色經(jīng)過(guò)綠色變到棕色即為終點(diǎn)，記錄硫酸亞鐵的用量。在測(cè)定樣品的同時(shí)必須做2個(gè)空白試驗(yàn)，取其平均值。

計(jì)算公式為：

硫酸亞鐵當(dāng)量濃度(N)=

C%=(V0-V)N×0.03×1.33/樣品重

3 結(jié)果與分析

3.1杉木不同器官含碳率

表1顯示了7～14年生杉木各器官的含碳率，其含碳率大小的順序是：樹(shù)皮(491.20～499.40g/kg)>樹(shù)葉(481.10～509.30g/kg)>樹(shù)根(474.00～478.50g/kg)>樹(shù)干(472.90～476.40g/kg)>樹(shù)枝(452.90～458.00g/kg)。

表1 不同年齡杉木各器官含碳量Tab.1 CarboncontentofChinesefirorganswithdifferentages(g/kg)年齡(年)樹(shù)葉樹(shù)枝樹(shù)干樹(shù)皮樹(shù)根10481.10452.90472.90491.20474.0011502.20454.00475.80492.50470.8014509.30458.00476.40499.40478.50

隨著年齡的增長(zhǎng)，杉木各器官的含碳率有所變化，原因可能是不同年齡階段的杉木各器官組織的組成成分發(fā)生了變化，改變了其含碳率。從表1中看出，樹(shù)皮、樹(shù)葉、樹(shù)干、樹(shù)枝隨著樹(shù)木年齡的增大，含碳率也增加。10年生樹(shù)葉含碳量481.10g/kg，14年時(shí)509.30g/kg，提高了5.86%；14年時(shí)樹(shù)枝含碳量(458.00g/kg)，比10年生(452.90g/kg)提高5.10 g/kg，增加1.12%；樹(shù)干含碳量從10年生的472.90g/kg，14年時(shí)上升到476.40g/kg，比10年生多3.50g/kg；14年時(shí)樹(shù)皮含碳量在10年生491.20g/kg的基礎(chǔ)上，提高到499.40g/kg，上升1.67%；樹(shù)根含碳率隨著的樹(shù)木年齡增大出現(xiàn)波動(dòng)，10年生樹(shù)根含碳量474.00g/kg，11年生470.80g/kg，減少0.68%，14年生478.50g/kg，含碳量又提高1.67%。

3.2林冠下層植物含碳率

從會(huì)同杉木人工林林下植被木本植物和草本植物的平均碳含量來(lái)看，草本植物的平均碳含量比木本植物低，僅為木本植物的74.93%，而且草本植物間碳含量的差異要比木本植物間的大(見(jiàn)表2)。

表2 林下植物含碳率Tab.2 Thecarboncontentofundergrowth(g/kg)年齡(年)木本植物草本植物地上根系地上根系 7425.59439.27381.34352.6611426.70441.13394.53349.3514438.75447.28403.10357.0618449.52453.08412.17364.3320453.71459.23419.43367.50

3.3凋落與枯死物含碳率

森林凋落物使碳從地上生物庫(kù)向地下土壤庫(kù)轉(zhuǎn)移，是森林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳?xì)w還的主要來(lái)源。盡管一個(gè)林分的凋落物和根系枯死物的生物量所占分量不大，但是在森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中具有重要的作用。

從表3中看出： 同一種凋落物組分，林齡對(duì)其碳含量無(wú)顯著影響；不同的凋落物，其碳含量即使在同一林級(jí)存在較大差異，具體表現(xiàn)為葉凋落物(461.23～468.76g/kg)>果凋落物(450.30～459.37g/kg)>枝凋落物(432.55～442.67g/kg)>碎屑凋落物(424.10～431.23g/kg)；地上凋落物各組分碳含量均大于地下枯死根系碳含量(399.27～412.28g/kg)，林木各器官活有機(jī)體內(nèi)碳含量均大于相應(yīng)的死有機(jī)體(凋落物)內(nèi)碳含量。

表3 凋落物含碳量Tab.3 Thecarboncontentoffallingobjects(g/kg)樹(shù)齡(年)凋落物枯死根枝凋落物葉凋落物果凋落物碎屑凋落物7435.34461.23450.30429.82399.2711432.55468.76458.22424.10401.1314441.20466.32456.60427.38412.2818442.67461.33455.75431.23405.0820439.25464.22459.37427.54409.23

4 結(jié)論與討論

(1) 已有研究[6]表明，植物組織含碳率的高低直接受植物體內(nèi)脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物的影響。從植物解剖學(xué)和植物生理學(xué)角度看，葉是植物體生理活動(dòng)最活躍的器官，植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，含有較多的高能化合物如蛋白質(zhì)和脂肪等物質(zhì)；繁殖體花、果實(shí)、種子、胚軸等含有大量高能的粗脂肪和蛋白質(zhì)；干、枝和皮是植物體的支持或營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸器官，組分以纖維素和木質(zhì)素為主，纖維素和木質(zhì)素的熱值相對(duì)蛋白質(zhì)和脂肪高；而根部則殘留了大量從土壤中吸收的礦物質(zhì)和氧化物，碳含量相對(duì)較低。因此，多數(shù)植物的葉、繁殖體的碳含量較高，干、枝、皮的碳含量其次，根最低。但也有一些植物表現(xiàn)出葉的碳含量低于枝、皮或根。

(2) 杉木各器官含碳率大小的順序是：樹(shù)皮>樹(shù)葉>樹(shù)根>樹(shù)干>樹(shù)枝。樹(shù)皮、樹(shù)葉、樹(shù)干、樹(shù)枝含碳率隨著樹(shù)木年齡的增大而增加，樹(shù)根含碳率隨著的樹(shù)木年齡增大出現(xiàn)波動(dòng)。

(3) 草本植物的平均碳含量比木本植物低，且草本植物間碳含量的差異要比木本植物間的大。

(4) 同一種凋落物組分，林齡對(duì)其碳含量影響不顯著；不同凋落物的碳含量即使在同一齡級(jí)也存在較大差異，順序表現(xiàn)為：葉凋落物>果凋落物>枝凋落物>碎屑凋落物?？菟栏档奶己恳陀诘厣系蚵湮锔鹘M分的碳含量，林木各器官活有機(jī)體內(nèi)的碳含量均大于相應(yīng)死有機(jī)體(凋落物)內(nèi)的碳含量。

[1] 潘維儔,田大倫.森林生態(tài)系統(tǒng)第一性生產(chǎn)量的測(cè)定技術(shù)與方法[J].湖南林業(yè)科技,1981(2):l-12.

[2] 王秀云.不同年齡長(zhǎng)白落葉松人工林碳儲(chǔ)量分布特征[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2011.

[3] 方晰,田大倫,項(xiàng)文化.速生階段杉木人工林碳素密度、貯量和分布[J].林業(yè)科學(xué),2002,38(3):14-19.

[4] 方晰,田大倫,項(xiàng)文化,等.第二代杉木中幼林生態(tài)系統(tǒng)碳動(dòng)態(tài)與平衡[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào),2002,22(1):1-6.

[5] 田大倫,盤(pán)宏華,康文星,等.第二代杉木人工林生物量的研究[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào),1998,18(3):11-16.

[6] Zhang L, Luo T X, Deng K M. Biomass and net primary productivity of secondary evergreen broad leaved forest in Huangm ian ForestFarm, Guangxi. Chinese Journal of Applied Ecology, 2004, 15 ( 11): 2029-2033.

(文字編校：唐效蓉，龔玉子)

ThecarboncontentofplantcomponentsofChineseFirplantation

WANG Saizhuan1, KANG Wenxing1, YANG Zhimin2

(1.School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology，Changsha，410004, China; 2.Forestry Investigation Team, Forestry Bureau of Dong Nationality Autonomous County, Zhijiang 419100, China)

Through large sums of survey outdoor, the content of the 2ndgeneration Chinese fir plantation in Huitong County were studied in the paper. Using the dry method to test the carbon content with the testing material of the following: the trunks (peeled), bark, branches, leaves, root samples of Chinese fir, and the branches (leaves) and root samples of shrubs, and the on the ground and underground part of herbaceous plants, and the branches, leaves, fruit litter and dead roots in the forest.The results are as followed: the rank of carbon content: bark > leaf > root > root > trunk > branch. The carbon content of each component grows as the age of forest except root. Within undergrowth the carbon content of woody plants is higher than herbaceous plants and there is huge diversity among the same sort of plants. The same components of die things influenced little by growing age, but different those even in the same age stage differ from each other. The carbon content of die roots is lower than die things on the ground, and those in live organism is more than those in dead one .

planted forest of Chinese fir; plant components; carbon content; Huitong County

2012-05-04

2012-05-29

科技部公益性研究項(xiàng)目(2007-4-15)和湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2011A135)資助。

王賽專(zhuān)(1977-)，女，湖南省桃江縣人，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。

S 791.27

A

1003-5710(2012)03-0058-03

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2012. 03. 015