桂西北馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量與分布

韋明寶, 王朝健, 楊正文, 黃振格, 王漢敢, 何 斌

(1.南丹縣山口林場，廣西 南丹 547200;2.南丹縣林業(yè)局,廣西 南丹 547200; 3.廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西 南寧 530004)

人工林作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在提供林木產(chǎn)品、提高森林碳匯和碳吸存能力與改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要的作用[1]。開展碳匯造林已成為當(dāng)前推進(jìn)碳匯林業(yè)發(fā)展的重要途徑，而營造具有收獲木材和固碳雙重功能的碳人工林則是其重要固碳手段之一[2]。目前，中國人工林面積達(dá)到6 933萬hm2, 位居全球首位[3]。近年來，隨著國內(nèi)外森林碳平衡研究的逐步深入，有關(guān)人工林碳匯功能的研究逐漸增多，主要包括馬尾松(Pinusmassoniana)[4]、杉木(Cunninghamialanceolata)[5]、楊樹(Populus)[6]、落葉松(Larixgmelinii)[7]、桉樹(Eucalyptus)[8]和西南樺(Betulaalnoides)[9]等，為準(zhǔn)確估算我國人工林生態(tài)系統(tǒng)碳匯計量提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

馬尾松是我國南方的主要造林樹種之一[10]，也是廣西速生林建設(shè)基地的重要樹種，其適應(yīng)性強(qiáng)、耐干旱瘠薄、生長快，廣泛用于制漿造紙、建筑、松香等產(chǎn)業(yè),在我國林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)中都具有重要地位和作用。當(dāng)前關(guān)于廣西主要人工林生物生產(chǎn)力及其碳匯功能的研究已有較多報道[11-14]，但尚未見有關(guān)桂西北馬尾松人工林碳貯量的報道。為此，本研究以廣西南丹縣26年生馬尾松人工林為研究對象，測定其生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配格局，以揭示該區(qū)域馬尾松人工林的碳吸存能力，為合理評價該區(qū)域馬尾松人工林生態(tài)效益提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于廣西南丹縣山口林場(107°31′E，24°45″N)。南丹縣位于廣西西北部，與天峨縣、東蘭縣、環(huán)江縣和河池市金城江區(qū)相鄰，屬中亞熱帶氣候類型，年均溫度16.9 ℃，年降雨量 1 498.2 mm。試驗地設(shè)在南丹縣山口林場木山分場，海拔850～900 m，土壤母質(zhì)(母巖)主要為砂頁巖發(fā)育形成的山地黃紅壤，土層深厚，林地大部分土壤厚度≥80 cm，腐殖質(zhì)層厚度15～23 cm，質(zhì)地為壤土或輕壤土，結(jié)構(gòu)較疏松，土壤(0～40 cm)pH值4.37，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量分別為43.78、2.01和0.38 g·kg-1，土壤水解氮、速效磷和速效鉀含量分別為195.2、1.15和41.6 mg·kg-1。

馬尾松人工林于1991年3月由實生苗營造，初植密度為2 500株·hm-2(株行距為2 m×2 m)。2017年5月底調(diào)查時林相較整齊，經(jīng)間伐和自然稀疏后林分保留密度為637株·hm-2，郁閉度0.70，林分平均胸徑26.5 cm，平均樹高19.4 m。林下灌木主要有鹽膚木(Rhuschinenesis)、杜莖山(Maesajaponica)和毛桐(Mallotusbarbatus)等，草本植物主要有地桃花(Urenalobata)、粗葉懸鉤子(Rubusalceaefolius)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)和鐵芒萁(Dicranopterisdichotoma)等。凋落物層以落葉為主，厚度2～3 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 林地設(shè)置和林分生物量測定 在26年生馬尾松人工林中按上坡、中坡和下坡各設(shè)置1塊20 m×20 m標(biāo)準(zhǔn)地，進(jìn)行每木檢尺和調(diào)查，測定各標(biāo)準(zhǔn)地林木的胸徑、樹高和冠幅等。在樣地外圍選擇3株平均木，將其伐倒后采用收獲法測定生物量，其中采用Monsic分層切割法分別測定其地上部分樹葉、樹枝、干皮和干材鮮質(zhì)量；采用全根挖掘法測定地下部分即樹根鮮質(zhì)量，同時在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)置3個1 m×1 m樣方，采用樣方收獲法測定林下灌木層、草本層鮮質(zhì)量，以及凋落物層現(xiàn)存量。采集林木各器官和灌木層、草本層及凋落物層樣品各300～400 g，在80 ℃恒溫下烘干測定和計算各組分生物量[12]。

1.2.2 植物、土壤樣品的采集及其碳含量測定 (1)植物樣品。將部分進(jìn)行林分生物量測定后的馬尾松不同器官、灌木層、草本層和凋落物層樣品，經(jīng)重新烘干、粉碎后裝入自封袋內(nèi)待測。(2)土壤樣品。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按對角線設(shè)置代表性采樣點各3個，以每層深度20 cm分層采集0～80 cm土層混合樣品各1 kg，于室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干和粉碎過篩后裝瓶待測。(3)植物和土壤碳含量的測定。采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法分別測定植物各組分樣品碳含量和土壤有機(jī)碳含量[15]。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量參照文獻(xiàn)[5]進(jìn)行計算。喬木層年凈固碳量由各器官年平均碳貯量計算所得，其中干材、樹枝和樹根的平均凈生產(chǎn)量按林齡26 a計算。由于不同林齡的林分松針構(gòu)成與葉齡都不同，參照文獻(xiàn)[14]采用1.7 a作為松針(樹葉)葉齡進(jìn)行估算。

應(yīng)用Excel 2007進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)層次碳含量

2.1.1 地上部分 從表1可見，馬尾松不同器官碳含量介于463.4～511.2 g·kg-1之間,平均碳含量為489.3 g·kg-1。各器官碳含量以樹葉(511.2 g·kg-1)最高，其次是干材(501.8 g·kg-1)、干皮(490.5 g·kg-1)和樹根(479.2 g·kg-1)，樹枝最低(463.4 g·kg-1)。

表1 馬尾松人工林地上部分碳含量

1)經(jīng)各器官生物量加權(quán)平均。

馬尾松人工林灌木層和草本層碳含量分別為453.0和425.6 g·kg-1。凋落物層以馬尾松落葉為主，其中部分凋落物已被分解，其碳含量為433.8 g·kg-1，均低于喬木層各器官碳含量。由此可見，該馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)地上部分各結(jié)構(gòu)層次碳含量表現(xiàn)為：喬木層>灌木層>凋落物層>草本層。

2.1.2 土壤層 馬尾松人工林土壤層(0～80 cm)平均碳含量為14.81 g·kg-1(表2)。由于受地表凋落物聚積和分解的影響，0～20 cm土層碳含量(32.15 g·kg-1)明顯高于其他土層，分別是20～40 cm土層(18.64 g·kg-1)、40～60 cm土層(8.03 g·kg-1)和60～80 cm土層(6.20 g·kg-1)的1.72、4.00和5.18倍，表現(xiàn)出明顯的表聚性特征，并隨土壤深度增加而逐漸下降。

表2 馬尾松人工林土壤層碳含量

1)經(jīng)各土層質(zhì)量加權(quán)平均。

2.2 馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配

從表3可見，馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量為232.13 t·hm-2，不同結(jié)構(gòu)層次碳貯量以土壤層碳貯量最大，為134.49 t·hm-2，占總碳貯量57.94%，并隨著土層深度的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢；其次是喬木層，為92.67 t·hm-2，占39.92%；其他結(jié)構(gòu)層次的大小順序為：凋落物層(2.49 t·hm-2)>灌木層(1.36 t·hm-2)>草本層(1.12 t·hm-2)。喬木層中各器官碳貯量最大的是干材，為58.42 t·hm-2，占25.17%；其次是樹根，為11.76 t·hm-2，占5.07%；樹枝碳貯量為11.35 t·hm-2，占4.89%；干皮碳貯量7.79 t·hm-2，占3.36%；樹葉碳貯量最少，僅有3.35 t·hm-2，占1.44%。

2.3 馬尾松人工林喬木層年凈固碳量

表3 馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配

表4 馬尾松人工林喬木層年凈固碳量

以喬木層年凈固碳量進(jìn)行馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)同化CO2能力的估算。從表4可以看出，馬尾松人工林年凈生產(chǎn)力為10.83 t·hm-2·a-1，年凈固碳量為5.41 t·hm-2·a-1，折合成CO2固定量19.83 t·hm-2·a-1。林木各器官中年凈固碳量以干材最大，為2.25 t·hm-2·a-1，占總年凈固碳量的41.59%，其次是樹葉、樹根和樹枝，分別為1.97、0.45和0.44 t·hm-2·a-1，分別占36.41%、8.32%和8.13%，干皮最小，為0.30 t·hm-2·a-1，僅占5.54%。

3 討論與結(jié)論

馬尾松各器官碳含量的變化范圍為463.4～511.2 g·kg-1，各器官碳含量依次為：樹葉(511.2 g·kg-1)>干材(501.8 g·kg-1)>干皮(490.5 g·kg-1)>樹根(479.2 g·kg-1)>樹枝(463.4 g·kg-1)；不同結(jié)構(gòu)層次碳含量依次為：喬木層>灌木層>凋落物層>草本層>土壤層；受凋落物歸還及植物根系分泌的影響，土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)出明顯的表聚性特征，同時隨土壤深度的增加呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。與相同地區(qū)禿杉人工林[11]、杉木[5]、和西南樺[9]土壤有機(jī)碳含量垂直分布特征相一致。

桂西北26年生馬尾松林的生態(tài)系統(tǒng)碳貯量為232.13 t·hm-2，其中喬木層的碳貯量為92.67 t·hm-2，分別高于福建省順昌縣30年生馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量(183.94 t·hm-2)及其喬木層碳貯量(73.01 t·hm-2)[4]，也高于湖南省32年生馬尾松成熟林碳貯量(187.29 t·hm-2)及其喬木層碳貯量(72.68 t·hm-2)[16]。生態(tài)系統(tǒng)其他植物結(jié)構(gòu)層次依次為：凋落物層(2.49 t·hm-2)>灌木層(1.36 t·hm-2)>草本層(1.12 t·hm-2)；土壤層(0～80 cm)碳貯量為134.49 t·hm-2，均低于我國森林土壤和世界土壤平均碳貯量[17]，但高于福建省順昌縣30年生馬尾松人工土壤(0～100 cm)碳貯量(107.09 t·hm-2)[4]，也略高于我國熱帶林土壤平均碳貯量(116.49 t·hm-2)[17]。

據(jù)報道，廣西21、32年生馬尾松人工林喬木層年凈固碳量分別為4.93、4.46 t·hm-2·a-1[14]；廣西武宣縣23、38年生馬尾松人工林喬木層年凈固碳量(松針葉齡分別按1.7和1.8 a計算)分別為5.15、4.72 t·hm-2·a-1[16]；湖南省23年生馬尾松人工林喬木層年凈固碳量為3.77 t·hm-2·a-1[18]。中國森林平均年凈固碳量5.54 t·hm-2·a-1[17]。本研究的桂西北26年生馬尾松人工林喬木層年凈固碳量為5.41 t·hm-2·a-1，折合年凈吸收CO2量為19.83 t·hm-2·a-1。由此可見，桂西北馬尾松人工林具有較高的生物生產(chǎn)力水平，同時也具有較高的碳匯功能，對調(diào)節(jié)大氣CO2、促進(jìn)森林碳循環(huán)和改善環(huán)境起到重要作用。