不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)對碳儲量的影響

陳 雷 ，孫 冰 ，曹福亮 ，汪貴斌 ，封超年

（1.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520）

不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)對碳儲量的影響

陳 雷1，2，孫 冰2，曹福亮1，汪貴斌1，封超年1

（1.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520）

通過對3種不同的銀杏復(fù)合經(jīng)營模式（銀杏-油菜-花生、銀杏-小麥-花生、銀杏-桑樹）及3種純農(nóng)經(jīng)營模式（油菜-花生、小麥-花生、桑樹）下碳儲量的研究，旨在探討不同銀杏復(fù)經(jīng)營及農(nóng)地對系統(tǒng)碳儲量的影響。結(jié)果表明：不同銀杏復(fù)合經(jīng)營模式下碳儲量顯著高于農(nóng)地。其中GRP模式生物碳儲量最高，為27.13 t/hm2；GM模式下，凋落物和土壤碳儲量顯著高于其它系統(tǒng)，分別為7.64和79.07 t/hm2；GM模式碳儲量達到了122.54 t/hm2，顯著高于其它模式，不同模式間總碳儲量從大到小為別為：GM＞GRP＞GWP＞M＞RP＞W(wǎng)P。土壤碳儲量分配比例最多，占到了58.03～74.45%；在復(fù)合系統(tǒng)中，銀杏碳儲量分配比例僅次于土壤，占到了17.96～25.73%?？偟膩碚f，銀杏復(fù)合系統(tǒng)碳儲量高于農(nóng)地，特別是GM模式。

銀杏； 林農(nóng)復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)； 碳儲量； 土壤

隨著全球氣候變暖，森林固碳作用也逐漸被人所熟知，并逐漸成為碳匯相關(guān)研究的熱點問題。林農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)作為集林業(yè)和農(nóng)業(yè)優(yōu)勢于一體的系統(tǒng)，已經(jīng)被證實不僅能夠提高系統(tǒng)生產(chǎn)力和農(nóng)民收入[1]，而且還具有優(yōu)秀的固碳功能。研究顯示在地上部分中，復(fù)合系統(tǒng)比農(nóng)業(yè)系統(tǒng)更具固碳能力， IPCC指出林農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)的地上部分中存儲了約40～150 t/hm2的碳[2]。同時，復(fù)合系統(tǒng)也會顯著提升土壤中的碳儲量[3]。考慮到林農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)多集中在平原區(qū)，因此開展復(fù)合系統(tǒng)中碳儲量的研究對提升平原區(qū)農(nóng)林系統(tǒng)生態(tài)價值有重要的意義。

銀杏Ginkgo biloba是我國傳統(tǒng)的經(jīng)濟林樹種，泰興市是傳統(tǒng)的銀杏之鄉(xiāng)，種植面積達2.1萬hm2[4]。由于該區(qū)域地處平原區(qū)，銀杏林經(jīng)營方式以復(fù)合經(jīng)營為主。然而，由于不同復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)間單位土地面積生產(chǎn)力、土壤肥力等因子差距較大，這對銀杏復(fù)合經(jīng)營的可持續(xù)性發(fā)展造成嚴重的影響[5-6]。因此對銀杏復(fù)合系統(tǒng)生態(tài)效益的進行合理的研究評價成為現(xiàn)階段急需解決的問題。森林固碳效益作為森林生態(tài)效益的重要組成之一，具有極高的生態(tài)和經(jīng)濟價值[7]，因此我們亟需對這些銀杏復(fù)合系統(tǒng)的固碳效益進行研究，為全面評價和推廣優(yōu)秀的銀杏復(fù)合經(jīng)營模式提供科技支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況與樣地設(shè)置

試驗地位于江蘇省泰興市的銀杏實驗園(32°06 ～ 26′N，120°04 ～ 21′E)， 年 均 溫 度 為14.9℃，年降水量為1 031.8 mm，無霜期220 d。泰興市銀杏栽培歷史悠久，形成了多種多樣的銀杏復(fù)合經(jīng)營模式。

在建立銀杏園之前樣地經(jīng)營傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，實驗區(qū)于1994年開始建立銀杏園并進行復(fù)合經(jīng)營，銀杏行間距為7 m×8 m。樣地采用完全隨機實驗設(shè)計，設(shè)計3種復(fù)合模式，分別是銀杏-桑樹（Morus alba）（GM），銀杏-小麥（Triticum aestivum cv.“Yangmai 16”）-花生（Arachis hypogaea cv. “Taihua 3”）（GWP），銀杏-油菜（Brassica campestris cv. “Ningyou 18”）-花生（GRP）模式，并在周邊選擇土壤條件一致的小麥-花生（WP）、油菜-花生（RP）和桑樹（M）樣地作為對照。在GM模式和M模式中，桑樹行間距為0.3 m×1 m，分別栽植于1994和2005年，并與每年的11月開始修剪。在GWP和GRP模式中，小麥、油菜播種于11月，播種量分別為90～100 kg/hm2（小麥），4～6 kg/hm2（油菜）。作物收獲后，花生開始種植，播種量為120～130 kg/hm2，采收于9月。

1.2 銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)生物碳儲量測定

1.2.1 銀杏生物量測定

在每種銀杏復(fù)合模式中隨機設(shè)立20 m×30 m的樣地，在樣地內(nèi)進行每木調(diào)查，測量地徑。并參考彭方仁等[8]回歸模型計算生物量：

樹干：W=31.011 89D1.5804。

樹枝 ：W=2.533 63D0.1265。

樹根：W=33.791 69D1.2905。

樹葉：W=1.18099D3.9217。

式中：D為實測銀杏的地徑，W為相應(yīng)器官的生物量。

1.2.2 林下作物生物量測定

油菜、小麥、花生生物量測定：當林下作物成熟時，在樣地內(nèi)沿對角線的四等分點（3個點）設(shè)1 m×1 m小樣方，對小樣方內(nèi)林下作物植株進行完全采收，洗凈、風干后稱其重量，再取部分樣品在70 ℃恒溫下烘干至恒重，獲得含水量，并求得林下作物生物量[2]。

桑樹的生物量測定：隨機選取樣地中桑樹5～10棵，全部采收植株，稱其鮮質(zhì)量，采用烘干法測其各器官的生物量。

1.2.3 生物碳儲量計算

生物碳儲量包含銀杏和林下作物碳儲量。銀杏及林下作物樣品經(jīng)烘干、粉碎、過篩后用重鉻酸鉀加熱法測定含碳率，生物碳儲量通過其生物量和含碳率計算。

1.3 凋落物碳儲量測定

在樣地內(nèi)設(shè)置2 m×2 m的小樣方，并重復(fù)4～5次，收集凋落物并測定其鮮質(zhì)量，取少量樣品在70℃下烘干至恒質(zhì)量，計算其生物量。然后采用重鉻酸鉀加熱法測定含碳率，并計算獲得凋落物碳儲量。

1.4 土壤碳儲量測定

1.4.1 土壤含碳率測定

在每個樣地分別設(shè)置3個土壤取樣點，在每個樣點挖取深約80 cm的土壤剖面，每個剖面按0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm層環(huán)刀土取樣，測定各層土壤容重。在各層取新鮮土樣，風干過篩后用重鉻酸鉀加熱法測定含碳率。

1.4.2 土壤碳儲量計算

土壤碳儲量通過土壤容重及其含碳率計算參考陶玉華等方法[9]，具體公式如下：

其中：SSOD為特定深度的土壤有機碳儲量（t/hm2），Ci為第i層土壤有機碳含量（g·kg-1），Pi為第 i層土壤容重（g·cm-3），Ti為第 i層土層厚度（cm），n為土層數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SAS軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)生物的碳儲量

不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)顯著影響了銀杏碳儲量（P＜0.05）。可以看出，GRP模式下銀杏碳儲量要顯著高于其它兩個模式（P＜0.05），達到了27.13 t/hm2，其次為GM何GWP模式。

在林下作物碳儲量方面，不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)和農(nóng)地顯著影響了林下作物碳儲量（P＜0.05）。其中3種農(nóng)地中林下作物碳儲量顯著高于復(fù)合系統(tǒng)（P＜0.05），特別是WP模式，其碳儲量達到了15.39 t/hm2，其次是M模式，為14.93 t/hm2而GRP模式固碳能力最差，僅13.99 t/hm2。

從圖1中可以看出，銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)生物碳儲量顯著高于農(nóng)地（P＜0.05）。在銀杏復(fù)合系統(tǒng)間，GRP模式碳儲量達到了38.12 t/hm2，顯著高于GWP模式，其次是GM模式，為35.82 t/hm2。不同模式間生物碳儲量從大到小為別為：GRP＞GM＞GWP＞W(wǎng)P＞M＞RP。

圖1 銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)對銀杏碳儲量、林下作物碳儲量及生物碳儲量的影響Fig.1 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on Ginkgo carbon stocks, crops carbon stocks,and plants carbon stocks

2.2 不同銀杏復(fù)合系統(tǒng)凋落物的碳儲量

凋落物主要包括樣地中銀杏的枯枝落葉以及農(nóng)作物收獲后的殘體。銀杏復(fù)合模式凋落物碳儲量要顯著高于農(nóng)地（P＜0.05）。特別是GM模式中，其凋落物碳儲量顯著高于其它系統(tǒng)（P＜0.05），達到了7.64 t/hm2。在農(nóng)地中，M模式凋落物達到了4.90 t/hm2，顯著高于RP和WP模式。模式間凋落物碳儲量從大到小為別為：GM＞GRP＞GWP＞M＞RP＞W(wǎng)P。多重對比表明，GRP和GWP模式、RP和WP模式間不存在在顯著差異。

2.3 不同銀杏復(fù)合系統(tǒng)土壤的碳儲量

從圖3中可以看出，不同系統(tǒng)間土壤碳儲量存在顯著差異（P＜0.05）。除了M模式外，銀杏復(fù)合系統(tǒng)土壤固碳量要顯著高于其它農(nóng)地（P＜0.05）。其中，GM模式下土壤固碳量最高，達到了79.07 t/hm2，顯著高于其它系統(tǒng)，其次是GRP模式，為61.18 t/hm2。此外，M模式下，土壤碳儲量達到了58.10 t/hm2，顯著高于RP和WP模式（P＜0.05）。模式間土壤碳儲量從大到小為別為：GM＞GRP＞GWP＞M＞RP＞W(wǎng)P。

圖2 不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)對凋落物碳儲量的影響Fig.2 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on litters Carbon stocks

圖3 不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)對土壤碳儲量的影響Fig.3 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on soil carbon stocks

2.4 不同銀杏復(fù)合系統(tǒng)總固碳量

銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)總碳儲量主要包括生物碳儲量、凋落物碳儲量和土壤碳儲量。從圖4中可以看出，復(fù)合系統(tǒng)中總碳儲量要顯著高于農(nóng)地（P＜0.05），其均值達到了109.28 t/hm2，而相對農(nóng)地均值僅為64.01 t/hm2。在復(fù)合系統(tǒng)中，GM模式的總碳儲量顯著高于GRP和GWP模式（P＜0.05），為122.54 t/hm2，其次為GRP模式，為105.41 t/hm2， GWP模式總碳儲量在復(fù)合模式中最低，但也有99.88 t/hm2，這比農(nóng)地中碳儲量最高的M模式高出了28.16%。WP模式的碳儲量最低，僅為56.21 t/hm2，不到GM模式碳儲量的一半，僅為該模式的45.87%。總的來說，模式間總碳儲量從大到小為別為：GM＞GRP＞GWP＞M＞RP＞W(wǎng)P。

圖4 不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)對總碳儲量的影響Fig.4 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on total carbon stocks

2.5 不同銀杏復(fù)合系統(tǒng)碳儲量的分配

從圖5中可以看出，不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)及農(nóng)地系統(tǒng)中碳分配比率存在一定的差異。其中，土壤碳儲量最多，占到了58.03%～74.45%；在銀杏復(fù)合系統(tǒng)中，銀杏碳儲量僅次于土壤，占到了17.96%～25.73%。而在農(nóng)地中，農(nóng)作物碳儲量的分配比例相對高于復(fù)合系統(tǒng)，占到19.16%～27.37%，而在復(fù)合系統(tǒng)中，農(nóng)作物碳儲量僅占到了10.43%～14.02%。凋落物碳儲量分配比例最低，僅為5.11%～6.39%。

3 討 論

3.1 不同銀杏復(fù)合系統(tǒng)對碳儲量的影響

圖5 不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)對碳儲量分配比例的影響Fig.5 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on distribution and percentage of carbon stocks

在不同陸地生態(tài)系統(tǒng)中，由于其植被構(gòu)成、人為干擾因素差異，導(dǎo)致其碳儲量存在巨大差異[7,10]。研究顯示，單位面積森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量約是農(nóng)地的1.4～3倍[11-12]，本次研究有類似的結(jié)果。在銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)中，平均碳儲量達到了109.28 t/hm2，特別是在GM模式中，達到了122.54 t/hm2。這一數(shù)值與亞熱帶地區(qū)其它人工林較為接近[13]，研究顯示，江蘇省林地單位面積平均碳儲量約為146.70 t/hm2[11]；而在不同林齡杉木Cunninghamia lanceolata人工林中，單位面積平均碳儲量約為112.76 t/hm2[13]。這也說明，銀杏復(fù)合系統(tǒng)在固碳能力上與人工林系統(tǒng)較為接近，特別是GM模式。此外，本次研究發(fā)現(xiàn)，M模式碳儲量與GWP和GRP模式碳儲量并不存在顯著差異，而且該系統(tǒng)碳儲量也接近一些人工林生態(tài)系統(tǒng)，這可能是因為桑樹為灌木或小喬木，與RP和WP相比，植被構(gòu)成更加接近人工林生態(tài)系統(tǒng)的緣故。

3.2 不同銀杏復(fù)合系統(tǒng)碳儲量的組成及分配

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳庫是其主要組成部分。之前的研究已經(jīng)證實林農(nóng)復(fù)合經(jīng)營能夠證實能夠顯著影響土壤碳儲量，Baah-Acheamfour等[14]指出，在0～10 cm林草復(fù)合經(jīng)營土壤中，碳儲量達到101.0 t/hm2，而相同草地中僅為75.6 t/hm2。在本次研究中，銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)土壤碳儲量顯著高于RP和WP模式，這一結(jié)果與之前研究一致。這也說明復(fù)合經(jīng)營能夠提升土壤碳儲量，特別是在森林生態(tài)系統(tǒng)中。研究顯示，范葉青等[15]人對竹林系統(tǒng)碳儲量的研究顯示，土壤碳儲量占到系統(tǒng)總碳儲量的79.76%，在本研究中，土壤碳儲量約占到了58.03～74.45%，這與范葉青等和王兵等人[10,15]比較接近，這也說明了在復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)地中，土壤是最為重要的碳庫。

生物碳儲量是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的關(guān)鍵因素。由于森林生態(tài)系統(tǒng)林分層次負責，生物量高，該類生態(tài)系統(tǒng)生物碳儲量普遍高于其它生態(tài)系統(tǒng)[11]。在本研究中，銀杏復(fù)合經(jīng)營生物碳儲量達到33.18 t/hm2，顯著高于農(nóng)地，這一數(shù)值接近一些亞熱帶地區(qū)中幼林碳儲量，如4年生雜種桉Eucalyptus grandis×E. urophylla人工林[16]、13 年生馬尾松Pinus massoniana人工林[17]等等，這也說明銀杏復(fù)合經(jīng)營能夠提升生物碳儲量，但是與一些成熟林分，如杉木林之間仍然存在較大差距[16]。農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)較高的生物碳儲量也導(dǎo)致該部分碳儲量的比率高于農(nóng)地。本次研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合系統(tǒng)中，平均生物碳儲量約占31.55%，而相比之下，農(nóng)地生物碳儲量卻僅為23.32%左右。與之前人工林生態(tài)系統(tǒng)相比，復(fù)合系統(tǒng)與一些人工中幼林生態(tài)系統(tǒng)生物碳儲量比例較為接近[16]，結(jié)合其較為接近的生物碳儲量，這也說明復(fù)合系統(tǒng)在生物碳儲量上已經(jīng)能夠達到中幼林的水平。

雖然凋落物碳儲量在系統(tǒng)中比率偏低，但是這部分碳儲量卻是生物碳儲量和土壤碳儲量的中間環(huán)節(jié)，在其轉(zhuǎn)化過程中起到重要作用，也是維持土壤碳儲量的關(guān)鍵因素。在本研究中，復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)凋落物顯著高于農(nóng)地，這也說明復(fù)合系統(tǒng)能夠在一定程度上維持土壤碳庫的穩(wěn)定。但是，本研究中凋落物比率卻比一些人工林凋落物碳儲量要高，復(fù)合系統(tǒng)中凋落物碳儲量比例約為5.91%～6.39%，而在對馬尾松林、馬尾松闊葉樹混交林和常綠闊葉林這3個林分的研究顯示，凋落物碳儲量在全部碳儲量中的比率均低于3%[18]，這遠低于本次研究。其原因在于，本次研究林下植被為農(nóng)作物，而農(nóng)作物因受人為管理，其生物量顯然要高于林下植被。

4 結(jié) 論

通過對復(fù)合系統(tǒng)和農(nóng)地碳儲量的研究，可以得出：不同模式對碳儲量影響顯著（P＜0.05）。在銀杏碳儲量上，GRP模式顯著高于GM和GWP；在農(nóng)作物碳儲量上，農(nóng)地系統(tǒng)要顯著高于復(fù)合系統(tǒng)；復(fù)合系統(tǒng)中生物碳儲量要顯著高于農(nóng)地；GM模式下凋落物和土壤碳儲量最高，而WP模式最低?？偟膩碚f，GM模式總碳儲量最高，GRP和GWP模式次之，而WP模式最低。這也說明銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)比農(nóng)地系統(tǒng)碳儲量更高，能夠固定更多碳，其固碳效益顯著。在復(fù)合系統(tǒng)中，GM模式最為優(yōu)秀，值得進一步推廣利用。

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[本文編校：吳 彬]

The effect of carbon stocks in different Ginkgo agroforestry systems

CHEN Lei1,2, SUN Bing2, CAO Fuliang1, WANG Guibin1, FENG Chaonian1
(1.College of Forestry, Nanjing Foestry University, Nanjing 210037;2. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520,）

In order to study the effects of carbon stock in Ginkgo agroforestry systems and agriculture systems, we established three Ginkgo agroforestry systems and three agriculture systems. They are GRP (Ginkgo-Rapeseed-Peanut), GWP (Ginkgo- Wheat-Peanut),GM (Ginkgo-Mulberry), RP (Rapeseed-Peanut), WP (Wheat-Peanut), and M (Mulberry). The result showed that significantly higher carbon stocks were obtained in Ginkgo agroforestry systems than agriculture systems. The highest trees and crops C stock was in GRP with 27.13 t·hm2, while GM had highest litter and soil C stock with 7.64, 79.07 t·hm2, respectively. The total C stock in GM system was reach to 122.54 t·hm2which was significantly higher than other systems. The total C stock from high to low were list as: GM ＞ GRP ＞GWP＞M＞RP＞W(wǎng)P. Soil C stock was the highest stock which contained 58.03-74.45% to total C stock. In Ginkgo agroforestry systems, Ginkgo C stock contained 17.96-25.73% C stock which higher than other stocks except soil C stock. In general, the carbon stocks in Ginkgo agroforestry systems were better than in agriculture systems, especially in GM system.

ginkgo; agroforestry systems; C stock; soil

S718.56 文獻標志碼：A 文章編號：1673-923X(2017)10-0112-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.10.018

http: //qks.csuft.edu.cn

2016-05-25

國家科技支撐計劃“銀杏和印楝珍貴材用和藥用林定向培育關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”（2012BAD21B04）

陳 雷，博士，助理研究員

曹福亮，教授，博士；E-mail：njfucao@126.com

陳 雷，孫 冰，曹福亮，等. 不同銀杏復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)對碳儲量的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017, 37(10): 112-117.