喀斯特地區(qū)3種針葉林林分生物量及碳儲(chǔ)量研究

劉之洲 ，寧 晨 ，閆文德 ，倪曉薇 ，陳 毅 ，寧曉波

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；3.貴州省林業(yè)廳，貴州 貴陽 550001）

喀斯特地區(qū)3種針葉林林分生物量及碳儲(chǔ)量研究

劉之洲1，2，寧 晨1，2，閆文德1，2，倪曉薇1，2，陳 毅1，2，寧曉波3

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；2.南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410004；3.貴州省林業(yè)廳，貴州 貴陽 550001）

以貴州喀斯特地區(qū)3種針葉林為研究對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)樣地調(diào)查和生物量實(shí)測數(shù)據(jù)，對(duì)各生態(tài)系統(tǒng)的生物量、碳含量以及碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究分析。結(jié)果表明：馬尾松天然林、馬尾松人工林和濕地松人工林生態(tài)系統(tǒng)喬木生物量分別為103.46、140.55、164.15 t/hm2；林下植被及死地被物層生物量分別為7.762、6.994、8.622 t/hm2。林木各器官含碳量：馬尾松天然林0.427～0.530 gC/g、馬尾松人工林0.443～0.574 gC/g、濕地松人工林0.444～0.466 gC/g。3種森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為：馬尾松天然林678.025 t/hm2、馬尾松人工林777.11 t/hm2、濕地松人工林834.135 t/hm2。其中植被層分別為48.199、70.788、76.438 t/hm2；死地被物層為0.667、0.659、0.742 t/hm2；土壤層為629.159、705.664、756.955 t/hm2。碳儲(chǔ)量分布格局為土壤層＞植被層＞死地被物層。研究結(jié)果可以為貴州喀斯特地區(qū)針葉林管理及運(yùn)營提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

針葉林生態(tài)系統(tǒng)；碳含量；生物量；碳儲(chǔ)量；馬尾松；濕地松；

隨著社會(huì)的發(fā)展科技的進(jìn)步，人們在享受著各種工業(yè)產(chǎn)物的便利的同時(shí)也在排放大量的CO2[1-3]。全球氣候變暖已經(jīng)威脅到了人類的健康及其賴以生存的環(huán)境，如何解決溫室效應(yīng)已經(jīng)成為各國科學(xué)家和政府的關(guān)注和研究的焦點(diǎn)[4-8]。森林被稱作地球的肺[9]，它維持著86%以上的全球植被碳庫，同時(shí)也維持著約73%全球土壤碳庫，并且森林每年固定的碳約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的三分之二[10-11]。因此森林在緩解溫室效應(yīng)調(diào)節(jié)全球碳平衡方面具有著非常重要的作用[12-13]。

針葉林是森林生態(tài)系統(tǒng)中一種重要的類型，是我國的重要森林資源之一，與灌木林、闊葉林、竹林共同組成了我國森林的四大林型[14]。馬尾松Pinus massomiana是造林面積僅次于杉木的本土造林樹種，占全國總造林面積的20%[15-17]。馬尾松也是我國種植的松樹當(dāng)中數(shù)量最多、分布最廣的,馬尾松的耐干旱，適應(yīng)能力等特性使得它成為我國南方低山丘陵區(qū)荒山綠化造林的主要樹種，它在我國的覆蓋面積為已經(jīng)超過1 000萬hm2[18]。我國自1930年開始引進(jìn)的濕地松Pinus elliottii原產(chǎn)于美國東南部，由于它適應(yīng)性強(qiáng)、木材用途廣、生長快，目前是我國南方主要的造林先鋒樹種[19]。作為鄉(xiāng)土樹種的馬尾松與外來樹種屬于同一屬，在對(duì)其林分生物量碳儲(chǔ)量差異等方面國內(nèi)沒有太多的研究。

本研究以喀斯特地區(qū)貴州省龍里縣響水林場的馬尾松人工林、馬尾松天然林、濕地松人工林為研究對(duì)象，使用生物量數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)樣地調(diào)查來研究3種針葉林的有機(jī)碳含量、碳儲(chǔ)量以及生物量和其分布特征，為喀斯特地區(qū)森林規(guī)劃與管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)置在貴州省龍里林場，地理位置為 26°22′～ 26°45′N，106°45′～ 107°11′E 之 間，處于苗嶺山脈中段，長江流域?yàn)踅蹬c珠江流域紅水河水系的分水嶺，烏江三級(jí)支流三元河從林區(qū)流過，地勢西北高、東南低，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，多年平均氣溫14.8℃，降水量1 089.3 mm，相對(duì)濕度77%。龍里林場成土母巖主要為砂頁巖。土壤以黃壤為主，另有少量黃棕壤、草甸土。pH值在5.5～6.5之間，呈微酸性。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)樣地設(shè)置

在3種不同的針葉林類型中分別設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地。在馬尾松天然林、馬尾松人工林、濕地松人工林內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，共9塊。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的馬尾松天然林、馬尾松人工林、濕地松人工林進(jìn)行每木檢尺，測得林木樹高、胸徑等，由每木檢尺結(jié)果，計(jì)算從而出各樹種的平均樹高和平均胸徑。各標(biāo)準(zhǔn)樣地林分特征見表1。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)樣地林分結(jié)構(gòu)特征?Table 1 Stand structure characteristics of sample plot

1.2.2 生物量測定

采用分層切割的方法測量林木地上各器官的生物量。從根干交界處伐倒各標(biāo)準(zhǔn)木后，截取1 m長的各段的樹枝、樹干、樹葉，稱取其各項(xiàng)鮮質(zhì)量，每一個(gè)種類采集樣品1千克。

根系則使用分層挖掘的方法測量土壤及根系生物量。馬尾松天然林、馬尾松人工林、濕地松人工林的標(biāo)準(zhǔn)木都是按照樹冠投影區(qū)域來挖掘，每層深度為0.5 m，并且按照根系的粗度等級(jí)分層進(jìn)行挖取，大根的直徑大于0.5 cm、粗根的直徑為0.2～0.5 cm、細(xì)根的直徑小于0.2 cm，取不同粗度等級(jí)的根系稱量記其鮮質(zhì)量，取樣品1 kg；將采取的各器官樣品，放到烘箱中以105 ℃的溫度殺青5 min 后，再置于烘箱中以80℃烘干至恒重，求各器官含水率，并且計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)木的各器官生物量。

1.2.3 土壤樣品采集

在馬尾松天然林、馬尾松人工林、濕地松人工林的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，隨機(jī)取3個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)土壤進(jìn)行坡面，按0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45 cm以下的土層，分層取土樣各500克，共采土壤99個(gè)。將土壤中的根系和石礫等雜物去除石礫后，置于風(fēng)干室里風(fēng)干，然后進(jìn)行粉碎，使用2 mm的篩子過篩以后用于測定有機(jī)碳含量。土壤容重的測量準(zhǔn)備則使用環(huán)刀取樣，放到烘箱中設(shè)置105℃烘干至恒重。

1.2.4 碳含量測定

采用重鉻酸鉀-油浴加熱法來測定土壤和植物樣品的有機(jī)碳含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析是使用的Excel以及SPSS軟件。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差異顯著性的檢驗(yàn)采用的是最小顯著差異法（LSD）和單因素方差分析（ANOVA），對(duì)馬尾松天然林、馬尾松人工林、濕地松人工林的林分碳含量、碳儲(chǔ)量及生物量進(jìn)行了比較，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分的生物量

2.1.1 不同林分喬木層生物量及其分配

表2中可以得出，濕地松人工林喬木層生物量最高，為164.15 t/hm2，其次為馬尾松人工林140.55 t/hm2，馬尾松天然林生物量最低，為103.46 t/hm2。在各林分中樹干生物量顯著高于樹枝、樹葉和樹根（P＜0.05），樹干的生物量占總生物量的一半以上。

2.1.2 灌木層、草本層和死地被物層生物量

從表3中得出，馬尾松天然林林下植被層生物量為7.762 t/hm2，死地被物層生物量為1.489 t/hm2，高于草本層1.147 t/hm2。馬尾松人工林林下植被層生物量為6.994 t/hm2，草本0.881 t/hm2，死地被物層生物量為1.811 t/hm2，高于草本層。濕地松人工林林下植被層生物量為8.622 t/hm2，且灌木叢顯著高于草本層（p＜0.05），死地被物層生物量為1.557 t/hm2，高于草本層。從總體上看，三種林分之間各林下植被層次均無差異顯著性（p＞0.05）。

表2 不同林分喬木層的生物量及分配比例?Table 2 Stand biomass and its distribution ratio in organs for different forest types

表3 林下植被層和死地被物層生物量及其分配(t/hm2)?Table 3 Biomass and its distribution ratio in undergrowth an litter layer

2.2 植被和死地被物碳素含量

2.2.1 喬木層林木各器官碳素含量

從表4中可以看出，馬尾松天然林各器官碳含量在0.427～0.530 gC/g之間，樹根碳含量＞樹干碳含量＞樹葉碳含量＞樹枝碳含量；馬尾松人工林各器官碳含量在0.443～0.574 gC/g之間，樹根碳含量＞樹干碳含量＞樹葉碳含量＞樹枝碳含量；濕地松人工林各器官碳含量在0.444～0.466 gC/g之間，以樹葉含量最高，樹枝含量最低。表明不同林型，碳含量不同，且在樹木各器官中存在差異。

2.2.2 灌木層、草本層和死地被物層碳含量

由表5可得出，濕地松人工林灌木層碳含量最高，為0.431 gC/g，馬尾松人工林次之，為0.425 gC/g，馬尾松天然林最低，為0.396 gC/g；草本層碳含量同樣以濕地松林最高，為0.379 gC/g，而馬尾松天然林其次，為0.372 gC/g，馬尾松人工林最低，為0.369 gC/g。各森林類型中灌木層的林植被碳含量均大于草本層林下植被碳含量；死地被物層平均碳含量在0.419～0.464 gC/g之間。

表4 不同林木各器官碳素含量?（gC / g）Table 4 Carbon contents of different organs in different forest types

表5 不同林分林下植被層和死地被物層碳含量?（gC / g）Table 5 Carbon contents of under growth and litter layer in different forest

2.3 土壤層碳含量

由表6可以看出，馬尾松天然林土壤有機(jī)碳含量大于2.977 gC/g小于8.149 gC/g，土壤有機(jī)碳含量于土層深度成反比。0～15 cm 及15～30 cm土壤有機(jī)碳含量均與30～45 cm及45 cm以下土層存在顯著差異（p＜0.05）。馬尾松人工林土壤有機(jī)碳含量在4.843～9.603 gC/g之間，0～15 cm土壤有機(jī)碳含量與15～30 cm土壤有機(jī)碳含量存在顯著差異（p＜0.05），表層土壤（0～15 cm）與45～60 cm土壤有機(jī)碳含量也存在顯著差異（p＜0.05）；濕地松林土壤有機(jī)碳含量最高，但由于喀斯特地貌的影響45 cm土層以下均為巖石阻隔所以只取了0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm 3層土層的土壤，土壤有機(jī)碳含量在8.116～13.629 gC/g之間，且土壤有機(jī)碳含量均無顯著差異。3種針葉林分土壤有機(jī)碳平均含量大于5.592 gC/g小于11.327 gC/g，濕地松人工林＞馬尾松人工林＞馬尾松天然林，差異不顯著。

表6 不同林分土壤有機(jī)碳含量（gC / g）?Table 6 Soil carbon content in different forest types

2.4 森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及空間分布

2.4.1 不同林分喬木層碳儲(chǔ)量

從表7可得，濕地松人工林喬木層的總碳儲(chǔ)量高于其他2種森林類型，為83.776 t/hm2，其次為馬尾松人工林67.276 t/hm2，最低為馬尾松43.1 t/hm2，3種森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量間沒有顯著差異。

3種林分的各器官碳儲(chǔ)量樹干碳儲(chǔ)量顯著高于其他器官（P＜0.05），樹干碳儲(chǔ)量占喬木層總碳儲(chǔ)量的53%以上。其次是樹枝的碳儲(chǔ)量，占8.6%～25.4%，樹葉碳儲(chǔ)量最低，為2.922～6.413 t/hm2，只占了總碳儲(chǔ)量的3成。

由表7可得，3種林分地上部分碳儲(chǔ)量大小均為樹干最高，3種林分的樹枝、樹葉碳儲(chǔ)量之間無顯著差異（p＞0.05）。

2.4.2 森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及空間分布

由表8可得，馬尾松天然林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為678.025 1 t/hm2，植被層碳儲(chǔ)量為48.20 t/hm2，占 7.1%；死地被物層最低為0.667 t/hm2，僅占0.09%；土壤層最高為629.158 9 t/hm2，顯著高于其他層次碳儲(chǔ)量（p＜0.05），占系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的92.7%；

馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)，其總碳儲(chǔ)量為777.110 t/hm2；植被層為70.788 t/hm2，占9.11%；死地被物層最低為0.659 t/hm2，占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的 0.08%；土壤層碳儲(chǔ)量最高為705.664 t/hm2，顯著高于其他層次碳儲(chǔ)量（p＜0.05），占系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的90.8%。

表7 不同林分喬木層碳儲(chǔ)量（t/hm2）?Table 7 Carbon storage of different organs in different forest types

表8 森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及空間分布?（t/hm2）Table 8 Carbon storage and distribution for different Forest types

濕地松人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為834.135 2 t/hm2，植被層為76.438 t/hm2，占7.96%；死地被物層碳儲(chǔ)量最低為0.742 t/hm2，只占0.08%；土壤層碳儲(chǔ)量最高為756.995 t/hm2，占系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的90.7%。

從表8還可以看出，3種森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布格局均為：土壤層＞植被層＞死地被物層。而總碳儲(chǔ)量則以濕地松人工林最高，馬尾松天然林最低。

3 討 論

3.1 林分生物量

本文所測得19年生馬尾松人工林林生物量為140.45 t/hm2，分別高于長沙市區(qū)13年生和廣西隆林縣14年生馬尾松林63.42和114 t/hm2[20-22]。同時(shí)，20年生濕地松林生物量164.04 t/hm2，高于屏南縣15年生濕地松人工林32.82 t/hm2，低于五臺(tái)山國有林場30年生濕地松人工林431.83 t/hm2[23-24]。表明生物量是隨林分年齡的增大而增加。18年生馬尾松天然林生物量為103.46 t/hm2，遠(yuǎn)高于江西吉安市18年生馬尾松38.88 t/hm2[25-26]。表明，不同地區(qū)、不同立地類型、不同氣候都會(huì)影響到森林生物量的多少。

植物呼吸作用的產(chǎn)物，除了呼吸作用消耗的部分以外，還有部分有機(jī)物質(zhì)是按照一定比例流動(dòng)到各個(gè)植物器官種去的。本文所測得的各林分生物量中都是樹干最高，且顯著高于樹枝、樹葉和樹根（P＜0.05），總生物量的57%以上都是樹干生物量，接下來是。與馮宗煒等人在湖南會(huì)同所測的樹干生物量最大，占喬木層生物量的55%的結(jié)論大致相同[25]。但本文所測的林木各器官生物量從大到小依次為樹干、樹枝、樹根、樹葉，而馮宗煒等人在湖南會(huì)同所測的則為樹干、樹根、樹枝、樹葉，張成典等[23]在福建五臺(tái)山國有林場所測的30年生濕地松林則為樹干＞樹枝＞樹根＞樹葉。上述表明，樹干生物量通常是器官生物量中最大的且常占50%以上，且表明林齡不同、地區(qū)不同、氣候不同都會(huì)影響生物量的多少。

在本文中濕地松林樹干生物量125.16 t/hm2遠(yuǎn)大于馬尾松人工林80.81 t/hm2和馬尾松天然林66.31 t/hm2。早期濕地松干材的高產(chǎn)量能夠緩解市場的需求；馬尾松碳儲(chǔ)量雖低，但生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定程度高[26]，且在林齡超過30以后馬尾松生物量累積超越濕地松，因此具有長遠(yuǎn)生態(tài)服務(wù)功能[18]。

3.2 森林的碳儲(chǔ)量及其分配格局

本研究中的馬尾松天然林碳儲(chǔ)量為47.279 t/hm2，遠(yuǎn)高于潘鵬等人在贛中地區(qū)所測量的18年生馬尾松天然林15.58 t/hm2，略微高于宜昌市20年生馬尾松天然林33.97 t/hm2[27-28]。

本文種的馬尾松人工林碳儲(chǔ)量為70.096 t/hm2，高于長沙市13年生馬尾松人工林32.42 t/hm2，小于貴陽市33年生的麻櫟林71.60 t/hm2[21,29]。

本研究中濕地松人工林碳儲(chǔ)量為75.595 t/hm2，低于千煙洲20年生濕地松林碳儲(chǔ)量為106.4 t/hm2，高于貴陽25年生楊樹林59.84 t/hm2[30-31]。

相同一樹種的不同器官碳儲(chǔ)量和李斌等人在湖南所研究所得出的規(guī)律一樣，不同地區(qū)、不同氣候條件將會(huì)影響碳儲(chǔ)量的變化[32]。

上述表明，各地馬尾松天然林、馬尾松人工林和濕地松人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量各有不同，這表明不同的研究地區(qū)不同的氣候條件甚至和各地的經(jīng)營方式都有關(guān)系。但是不同的地區(qū)不同的森林類型的碳儲(chǔ)量分布都有一個(gè)共同點(diǎn)，即：土壤層＞植被層＞凋落物層。

本研究只是測量了一年的森林生物量和碳儲(chǔ)量，并沒有進(jìn)行長期取樣觀察，以后應(yīng)該進(jìn)行多年取樣，做出長期變化的觀測，并且總結(jié)3種針葉林的生物量、碳儲(chǔ)量的長期變化，為針葉林森林資源經(jīng)營提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

（1）貴州省馬尾松天然林、馬尾松人工林和濕地松人工林生態(tài)系統(tǒng)喬木生物量分別為103.46、140.55、164.15 t/hm2；林下植被及死地被物層生物量分別為7.762、6.994、8.622 t/hm2。

（2）林木各器官含碳量：馬尾松天然林0.427～0.530 gC/g、馬尾松人工林0.443～0.574 gC/g、濕地松人工林0.444～0.466 gC/g。

（3）3種森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為：馬尾松天然林678.025 t/hm2、馬尾松人工林777.11 t/hm2、濕地松人工林834.135 t/hm2。其中植被層分別為48.199、70.788、76.438 t/hm2；死地被物層為0.667、0.659、0.742 t/hm2； 土 壤 層 為 629.159、705.664、756.955 t/hm2。碳儲(chǔ)量分布格局為土壤層＞植被層＞死地被物層。

（4）馬尾松天然林、馬尾松人工林和濕地松人工林生態(tài)系統(tǒng)喬木生物量分別為103.46、140.55、164.15 t/hm2。濕地松成材比較快，碳吸存功能明顯，適量種植能夠提供大量木材，馬尾松幼林時(shí)期生長略慢于濕地松但更加適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境，并且在30年后生物量累計(jì)將超過濕地松。馬尾松和濕地松的種植在提高森林碳匯功能，減緩氣候負(fù)面變化等具有重要意義。

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[本文編校：吳 彬]

Three kinds of pine forest biomass and carbon storage research in karst landform

LIU Zhizhou1,2, NING Chen1,2, YAN Wende1,2, NI Xiaowei1,2, CHEN Yi1,2, NING Xiaobo3
(1. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China;3. Forestry Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550001, Guizhou, China)

Afforestation and restoration are vital contributors for offsetting greenhouse gas emissions. However, when compared to native species, how fast-growing exotic tree species will influence the local ecosystem process remains poorly understood. In this study, the carbon storage and biomass in vegetation and soil were compared one of three ways, natural native masson pine (Pinus massoniana), planted native masson pine, or exotic slash pine (Pinus elliottii) plantation. The results showed that biomass of overstory vegetation was 103.46、140.55、164.15 t/hm2in natural masson pine forest, masson pine plantation, and slash plantation, respectively. The mean carbon storage was 678.025 t/hm2in natural masson pine forest, 777.11 t/hm2in masson pine plantation, and 834.135 t/hm2in slash pine plantation. Carbon content ranges from 0.427-0.530 gC/g in natural masson pine forest, 0.443-0.574 gC/g in masson pine plantation, and 0.444-0.466 gC/g in slash pine plantation. For understory vegetation, 0.659-0.742 gC/g in litter layer, and 629.159-756.955 gC/g in the soil. The carbon (C) content of soil of the three forest types decreased with soil depth. The distribution of C storage was soil＞vegetation＞litter. The results provide a scientific basis and reference for coniferous forest management and long-term location monitoring.

Pinus massoniana;Pinus elliottiibiomass; carbon content; carbon storage; coniferous forest ecosystem

S718.55+6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-923X(2017)10-0105-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.10.017

http: //qks.csuft.edu.cn

2017-03-16

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201404316）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31070410，30571487，30870455）

劉之洲，碩士研究生

閆文德，教授，博導(dǎo)；E-mail：csfuyywd@hotmail.com

劉之洲，寧 晨，閆文德，等. 喀斯特地區(qū)3種針葉林林分生物量及碳儲(chǔ)量研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(10):105-111.