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    寧夏賀蘭山灰榆林的有機(jī)碳儲(chǔ)量研究

    2017-02-05 14:42:55李娜馬生虎王繼飛何建龍
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2016年10期
    關(guān)鍵詞:碳儲(chǔ)量分布特征

    李娜++馬生虎++王繼飛++何建龍++許浩++季波

    doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.069

    摘要:灰榆(Ulmus glaucescens)是分布于寧夏賀蘭山東坡海拔1 500~2 100 m垂直范圍內(nèi)一個(gè)獨(dú)特的植被類型,也是該區(qū)域唯一一種在野生狀態(tài)下生長(zhǎng)的闊葉喬木,對(duì)維持區(qū)域生態(tài)平衡發(fā)揮著重要的作用。以寧夏賀蘭山大面積分布的灰榆林(包括灰榆疏林)為對(duì)象,從喬木層、灌木層、地被層、土壤層4個(gè)層次,采用標(biāo)準(zhǔn)木生物量法對(duì)灰榆林碳儲(chǔ)量及其分布特征進(jìn)行研究,結(jié)果表明,寧夏賀蘭山灰榆林總有機(jī)碳儲(chǔ)量為24.863萬(wàn)t,其中,大水溝管理區(qū)、馬蓮口管理區(qū)、紅果子管理區(qū)、蘇峪口管理區(qū)碳儲(chǔ)量分別為17.141萬(wàn)、3.237萬(wàn)、2.132萬(wàn)、2.353萬(wàn)t,總體表現(xiàn)為大水溝管理站>馬蓮口管理站>蘇峪口管理站>紅果子管理站;土壤層是灰榆林主要的有機(jī)碳庫(kù),占總儲(chǔ)量的80.87%,碳儲(chǔ)量空間分布特征總體表現(xiàn)為土壤層>喬木層>地被層>灌木層。

    關(guān)鍵詞:灰榆;含碳率;固碳能力;寧夏賀蘭山;碳儲(chǔ)量;分布特征

    中圖分類號(hào): S718.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2016)10-0251-03

    收稿日期:2015-07-31

    基金項(xiàng)目:寧夏自然科學(xué)基金(編號(hào):NZ13120);寧夏農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新先導(dǎo)資金(編號(hào):NKYJ-15-18)。

    作者簡(jiǎn)介:李娜(1981—),女,寧夏石嘴山人,助理研究員,從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail:nxlina2000@163.com。

    通信作者:季波,碩士,助理研究員,從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail:nxjibo311@163.com。大氣CO2濃度增加引起的全球氣候變暖已成為當(dāng)今世界關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題[1-2],而森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)大氣CO2濃度及全球氣候變化方面具有非常重要的作用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),森林生態(tài)系統(tǒng)生物量約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的90%,其碳儲(chǔ)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的46%[3],對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的研究已逐漸成為當(dāng)代生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域[4-5]。我國(guó)對(duì)森林植被碳儲(chǔ)量的研究起步相對(duì)較晚,主要局限于我國(guó)中南部個(gè)別地區(qū)[6],且大多是進(jìn)行國(guó)家或區(qū)域大尺度的研究,多采用0.45或0.50作為森林植被類型的平均含碳量轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行森林植被碳儲(chǔ)量的估算,這使得很多研究結(jié)果存在很大的不確定性[6-7]。

    寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)地處我國(guó)溫帶草原與荒漠的過(guò)渡地帶,是寧夏三大自然林區(qū)之一,也是騰格里沙漠、毛烏素沙漠以及烏蘭布和沙漠的分界線,構(gòu)成了寧夏銀川平原的天然屏障。寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)獨(dú)特的地理位置,使賀蘭山發(fā)育有茂密的天然森林植被、豐富的動(dòng)植物資源等,成為我國(guó)干旱與半干旱地區(qū)具有代表性的山地自然生態(tài)系統(tǒng)[8-9],資料統(tǒng)計(jì)顯示,目前寧夏賀蘭山森林覆蓋度達(dá)到14.3%。灰榆(Ulmus glaucescens)是廣泛分布于寧夏賀蘭山海拔1 500~2 100 m 垂直范圍內(nèi)一個(gè)獨(dú)特的植被類型,也是野生狀態(tài)下生長(zhǎng)于該區(qū)域的唯一一種闊葉喬木,對(duì)寧夏賀蘭山水土保持、降低土壤侵蝕、提供綠色物質(zhì)和生物棲息地等起非常重要的生態(tài)作用,對(duì)維持賀蘭山生態(tài)穩(wěn)定有著重要的意義。本試驗(yàn)以寧夏賀蘭山為研究區(qū)域,選取最有代表性的一種森林植被灰榆林為研究對(duì)象,探討寧夏小區(qū)域、小尺度灰榆林的固碳能力,不僅為干旱區(qū)特有的植被類型碳儲(chǔ)能力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而且為寧夏賀蘭山森林生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)參考。

    1材料與方法

    1.1研究區(qū)概況

    寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)位于寧夏銀川平原和阿拉善高原之間,是我國(guó)溫帶草原區(qū)與荒漠區(qū)的過(guò)渡地帶,地理位置為105°49′~106°41′E、38°19′~39°22′N,年降水量為200~400 mm,最高降水量達(dá)627.5 mm,6—8月降水相對(duì)最為集中,年均蒸發(fā)量約為2 000 mm[10-11],呈溫帶草原、荒漠和山地森林鑲嵌分布的氣候特征,是我國(guó)保存較為完整的西北干旱區(qū)天然森林生態(tài)系統(tǒng)之一。寧夏賀蘭山海拔1 500~2 100 m 區(qū)域是灰榆林的主要分布地帶,土壤以灰鈣土、粗骨土為主,間雜有大量石礫,降水量為200~300 mm,林下植被主要是由灌木亞菊和短花針茅構(gòu)成的荒漠草原。

    1.2樣品采集

    1.2.1植被樣品的采集采用生物量樣地清查法:2013—2014年,在每年7—9月林木生物量最大時(shí),配合疏林工程并獲得采伐批準(zhǔn),在灰榆研究區(qū)設(shè)置30 m×30 m標(biāo)準(zhǔn)樣地;采用每木檢尺方法,對(duì)每株喬木實(shí)測(cè)胸徑和樹(shù)高,依此選取標(biāo)準(zhǔn)木;采用截伐收獲標(biāo)準(zhǔn)木各器官生物量,抽取樣品實(shí)測(cè)鮮質(zhì)量,帶回實(shí)驗(yàn)室烘干,計(jì)算干濕比,確定單株干質(zhì)量;烘干樣品粉碎過(guò)篩,用于測(cè)定有機(jī)碳含量。林下灌木采用收獲法:在30 m×30 m標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置10 m×10 m小樣地,再在每個(gè)小樣地的對(duì)角線上設(shè)置2 m×2 m樣方,采用挖掘法收獲樣方內(nèi)所有優(yōu)勢(shì)種灌木的地上和地下生物量,測(cè)定其鮮質(zhì)量;抽取樣品帶回實(shí)驗(yàn)室烘干,以測(cè)定干質(zhì)量及有機(jī)碳含量。

    1.2.2土壤和根系樣品的采集每個(gè)樣地按照上、中、下3個(gè)坡位,每個(gè)位置設(shè)定1 m×1 m樣方進(jìn)行隨機(jī)取樣,重復(fù)3次。由于灰榆林林下土壤礫石含量較多,無(wú)法采用環(huán)刀取樣,故采用挖掘方法采集土樣。采樣時(shí),挖取樣方內(nèi)深度直達(dá)巖石層的所有土壤,過(guò)5 mm篩并稱質(zhì)量,同時(shí),挑出林木、草本等根系并分別稱質(zhì)量。抽取部分樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,以測(cè)定含水率和有機(jī)碳含量。

    1.3有機(jī)碳含量測(cè)定

    將抽取的植物及枯枝落葉等樣品置于干燥箱中75 ℃烘干至恒質(zhì)量,測(cè)得樣品干質(zhì)量,計(jì)算干濕比,確定單株干質(zhì)量,干燥樣品粉碎處理,過(guò)60目篩;土壤樣品置于干燥箱中 105 ℃ 烘至恒質(zhì)量,測(cè)得樣品干質(zhì)量,研磨過(guò)100目篩。過(guò)篩樣品均采用重鉻酸鉀外加熱法[12]測(cè)定有機(jī)碳含量。

    1.4林分平均含碳率的計(jì)算

    由于樹(shù)種不同,各器官及各組分的含碳率必然不同,各組分生物量及林分生物量占總生物量的比重也會(huì)不同。因此,單一以某個(gè)樹(shù)種器官或組分的平均含碳率作為該樹(shù)種的平均含碳率,或者是該樹(shù)種林分的平均含碳率,均不能真實(shí)反映和代表其含碳率的實(shí)際水平。為更加準(zhǔn)確、真實(shí)地反映林分平均含碳率的實(shí)際水平,林分的平均含碳率[13-14]計(jì)算公式為:

    Wi=∑ZijWij∑Zij;

    W=1n∑ni=1wi。

    式中:i為標(biāo)準(zhǔn)樣地編號(hào),為1,2,…,n;j表示組分,分別為干、枝、葉、根;W為某種林分的平均含碳率值;Wi為第i塊標(biāo)準(zhǔn)樣地該種林分的生物量加權(quán)平均含碳率;Zij為第i塊標(biāo)準(zhǔn)地第j組分的生物量;Wij為第i塊標(biāo)準(zhǔn)地第j組分的含碳率值。

    1.5碳儲(chǔ)量的估算

    1.5.1林木碳儲(chǔ)量林木單位面積碳儲(chǔ)量估算主要依據(jù)林分調(diào)查的徑階分布、林木密度和單株含碳率的線性關(guān)系進(jìn)行估算,計(jì)算公式為:

    S=∑ni=1π(d2)2;

    N=S/π(d′2)2;

    Ct=N×V/A。

    式中:S為調(diào)查樣地內(nèi)的林木總胸徑面積;d為胸徑,d′為標(biāo)準(zhǔn)株胸徑,灰榆以地徑計(jì);n為調(diào)查總數(shù);N為等價(jià)標(biāo)準(zhǔn)株數(shù),即樣地胸徑總面積與標(biāo)準(zhǔn)株胸徑面積的比值;Ct為林木碳儲(chǔ)量;V為標(biāo)準(zhǔn)株含碳量;A為調(diào)查面積。

    1.5.2林分碳儲(chǔ)量植被碳儲(chǔ)量可根據(jù)生物量、植物含碳量、植被類型或林分類型面積3個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,公式為:

    VC=∑ni=1(Bi×Ri×Si)。

    式中:Bi為生物量;Ri為含碳率;Si為某一類型植被的面積。

    1.5.3土壤碳儲(chǔ)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量可根據(jù)土壤有機(jī)碳含量、土壤密度、土壤深度、面積4個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,公式為:

    SOC=∑ni=1(Ci×di×hi);

    SC=∑ni=1(SOCi×Si)。

    式中:SOC為某類型土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量;i表示土壤層次;Ci表示土壤有機(jī)碳含量;di表示土壤密度;hi表示土壤深度;Si表示該類型土壤面積。

    2結(jié)果與分析

    2.1灰榆林林木的碳儲(chǔ)量構(gòu)成特征

    由表1可知,灰榆各器官的平均含碳率以樹(shù)干木材最高,為0.462,樹(shù)皮最低,為0.364,各器官含碳率總體表現(xiàn)為樹(shù)干木材>樹(shù)根>樹(shù)枝>樹(shù)葉>樹(shù)皮;根據(jù)各器官生物量權(quán)重進(jìn)行計(jì)算,灰榆地上部分平均含碳率為0.439,因此,通常采用0.45或0.5作為含碳率的統(tǒng)一指標(biāo)來(lái)計(jì)算某一植被類型的碳儲(chǔ)量會(huì)存在誤差;灰榆喬木層的碳儲(chǔ)量為8.917 t/hm2,其中地上部分碳儲(chǔ)量為6.115 t/hm2,占總碳儲(chǔ)量的68.58%,地下根系碳儲(chǔ)量為2.802 t/hm2,占總碳儲(chǔ)量的31.42%;喬木層各組分碳儲(chǔ)量總體表現(xiàn)為木材>根系>樹(shù)枝>樹(shù)皮>樹(shù)葉,其中,樹(shù)干木材、樹(shù)枝和樹(shù)根在總碳儲(chǔ)量中占主體優(yōu)勢(shì),占總碳儲(chǔ)量的89.13%(圖1),這與林分各組分生物量的分布規(guī)律相一致。

    2.2灰榆林林下灌木及地被層固碳能力

    2.2.1林下灌木含碳率差異由表2可見(jiàn),4種主要灌木的地上部分平均含碳率為0.469 4;酸棗地上部分的平均含碳率相對(duì)最高,為0.510 5,其次為刺玫,其地上部分的平均含碳率為0.506 5,與酸棗之間差異不顯著;錦雞生地上部分的平均含碳率顯著低于其他3種主要灌木。

    2.2.2林下灌木及地被層固碳量由表3可見(jiàn),灰榆林林下灌木層、地被層的碳儲(chǔ)量分別為0.117、2.918 t/hm2,灌木層地上部分的碳儲(chǔ)量在總碳儲(chǔ)量中占主體地位;灌木層地上、地下部分的碳儲(chǔ)量分別占灌木層總碳儲(chǔ)量的71.36%、28.64%;地被層地上、地下部分的碳儲(chǔ)量在總碳儲(chǔ)量中所占比重與灌木層相反,其地下部分的碳儲(chǔ)量所占比重相對(duì)較大,占總碳儲(chǔ)量的83.17%。

    2.2.3林下土壤層固碳能力經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),灰榆林林下土壤礫石含量較多,質(zhì)地較粗,沒(méi)有明顯的層次區(qū)別,土層平均厚度為40.25 cm;灰榆林分布較為稀疏,對(duì)風(fēng)成沉積物的滯留作用相對(duì)較弱,加之土壤侵蝕作用,對(duì)土壤的累積非常不利。經(jīng)測(cè)試分析,林下土壤有機(jī)碳含量為21.61 g/kg,碳儲(chǔ)量為50.53 t/hm2,與同屬荒漠區(qū)的沙地有機(jī)碳含量4.31 g/kg[15]相比,灰榆林土壤有機(jī)碳含量明顯高于沙地,也高于黃土0~90 cm土層的有機(jī)碳含量(3.8~28 g/kg)[16]。

    2.3寧夏賀蘭山灰榆林的碳儲(chǔ)量及其構(gòu)成特征

    2.3.1灰榆疏林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量及構(gòu)成特征由表4可見(jiàn),寧夏賀蘭山灰榆疏林總碳儲(chǔ)量為62.48 t/hm2;灰榆疏林喬木層、灌木層、地被層、土壤層的碳儲(chǔ)量分別為8.92、0.12、2.92、50.53 t/hm2,空間分布上總體表現(xiàn)為土壤層>喬木層>地被層>灌木層;土壤層在總碳儲(chǔ)量中所占比重相對(duì)最大,占總碳儲(chǔ)量的80.87%,其次為喬木層,所占比重為1428%,這說(shuō)明土壤層與喬木層在森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起主導(dǎo)作用,林地土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的有機(jī)碳庫(kù);灌木層和地被層占碳總儲(chǔ)量的比重相對(duì)較低,分別為0.19%、467%,這主要與其生物量占比相對(duì)較低有關(guān)。

    2.3.2寧夏賀蘭山灰榆林碳儲(chǔ)量的構(gòu)成特征由表5可見(jiàn),寧夏賀蘭山灰榆林總碳儲(chǔ)量為24.863萬(wàn)t;大水溝管理站的總碳儲(chǔ)量相對(duì)最高,為17.141萬(wàn)t,其次是馬蓮口管理站,其碳儲(chǔ)量為3.237萬(wàn),紅果子管理站和蘇峪口管理站相對(duì)較低,分別為2.132萬(wàn)、2.353萬(wàn)t,總體表現(xiàn)為大水溝管理站>馬蓮口管理站>蘇峪口管理站>紅果子管理站,這種差異性可能主要與灰榆分布面積有關(guān);在4個(gè)管理站中,土壤層碳儲(chǔ)量占有主體地位,其次是喬木層,地被層和灌木層所占比重均相對(duì)較小。

    3結(jié)論與討論

    在以往的很多研究中,許多學(xué)者均采用0.45或0.5作為森林植被的平均含碳率來(lái)估算碳儲(chǔ)量,如2000年劉國(guó)華等對(duì)中國(guó)森林碳動(dòng)態(tài)的研究、馬欽彥等1996年對(duì)中國(guó)油松林儲(chǔ)碳量基本估計(jì)的研究及2000年周玉榮等對(duì)中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究等[17-19]。本研究結(jié)果表明,灰榆地上部分的平均含碳率為0.439。不同林種具有不同的含碳率值,如統(tǒng)一采用 0.45 或0.5作為平均含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行碳儲(chǔ)量估算,會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生一定偏差,如僅以0.45作為所有林木的平均含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行碳儲(chǔ)量估算,可能會(huì)帶來(lái)3%~10%的負(fù)系統(tǒng)誤差。因此,在估算區(qū)域碳儲(chǔ)量時(shí),為確保結(jié)果更加準(zhǔn)確,應(yīng)依據(jù)不同區(qū)域不同森林類型的不同樹(shù)種而采用不同的含碳率數(shù)值[20-21]。

    本研究經(jīng)測(cè)算認(rèn)為,灰榆林林下土壤有機(jī)碳含量為 21.61 g/kg,與同屬荒漠區(qū)的沙土[15]比較,灰榆林土壤有機(jī)碳含量明顯高于沙土;灰榆林林下土壤碳儲(chǔ)量為50.53 t/hm2,與我國(guó)各森林類型的土壤碳儲(chǔ)量全國(guó)平均水平107.8 t/hm2(其中,天然林平均土壤碳儲(chǔ)量109.1 t/hm2,人工林平均土壤碳儲(chǔ)量107.1 t/hm2)相比[21-22],灰榆林林下土壤碳儲(chǔ)量為全國(guó)天然林土壤有機(jī)碳平均水平的46.32%。可見(jiàn),寧夏賀蘭山灰榆林雖地處干旱風(fēng)沙區(qū),但其林下土壤有機(jī)碳庫(kù)是不可忽視的碳庫(kù)來(lái)源。

    寧夏賀蘭山灰榆林的總碳儲(chǔ)量在空間分布上總體表現(xiàn)為土壤層>喬木層>地被層>灌木層,土壤層碳儲(chǔ)量是構(gòu)成總碳儲(chǔ)量的主體,這與王金葉等研究結(jié)果[23-24]一致。因此,在保護(hù)區(qū)日常經(jīng)營(yíng)管理中,要促進(jìn)碳的貯存和持續(xù)增加,特別要防止不適當(dāng)?shù)慕?jīng)營(yíng)活動(dòng)造成森林土壤碳的排放,削弱其碳源作用[21,23]。

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