內(nèi)蒙古東部區(qū)不同林齡油松人工林的固碳特征

唐學(xué)君，查印水，湯序軍，郭含茹，張旭東

(1.國家林業(yè)和草原局 華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310019；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所/國家林業(yè)和草原局 林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091)

內(nèi)蒙古作為我國北疆的重要生態(tài)安全屏障，近年來進(jìn)一步加快了人工林的營造進(jìn)程。由于油松的根系發(fā)達(dá)、枝葉茂盛、水土保持能力強(qiáng)，又具有耐旱、耐寒和對土壤肥力要求不高等特性，成為了北方地區(qū)人工造林的主要樹種之一[1]。目前，不同氣候分布區(qū)的油松人工林固碳功能及其維持機(jī)制方面的研究還不夠完善，特別是對主要人工林的固碳計(jì)量參數(shù)和固碳功能方面的研究還需要加強(qiáng)。林齡作為林分特征中的一個(gè)重要因子，對人工林的固碳功能具有重要影響。關(guān)于人工林固碳功能的研究涉及范圍較廣，積累了較多的數(shù)據(jù)研究成果，但不同林齡的人工林固碳功能特征研究還不夠完善，特別是在區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估中和林業(yè)溫室氣體清單編制中等都缺乏相關(guān)的固碳計(jì)量參數(shù)，因此需要進(jìn)一步完善不同人工林樹種的固碳特征基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。本研究以不同林齡的油松人工林為研究對象，分析了不同植物器官組成以及不同土壤深度處的碳含量變化特征，為揭示油松人工林的固碳維持機(jī)制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)的旺業(yè)甸林場和城郊林場，旺業(yè)甸林場地理坐標(biāo)為41°20′～41°40′ N，118°10′～118°29′ E，地處燕山山脈北麓的七老圖山支脈，平均海拔1120 m；城郊林場地理坐標(biāo)為42°13′～42°21′ N，118°45′～119°03′ E，平均海拔高度634 m，該區(qū)域的地帶性土壤為典型棕壤，也包括一些其他非地帶性土壤類型。研究區(qū)氣候類型屬于海洋性氣候向大陸氣候的過渡帶，平均年降水量523 mm，70%的降水量集中在6～9月，年日照時(shí)數(shù)2900～3050 h。研究區(qū)植被種類豐富，以人工林和通過封山育林形成的次生林為主，森林覆蓋率達(dá)80%以上。主要林分類型有油松(Pinustabuliformis)人工林、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林、白樺(Betulaplatyphylla)天然次生林、黑樺(Betuladahurica)天然次生林等。

2 研究方法

于2017年7～9月進(jìn)行野外樣地調(diào)查，通過空間代替時(shí)間的方法在研究區(qū)內(nèi)選擇不同林齡的油松人工林樣地，林分平均年齡分別為8、28、35、43年，每塊樣地的面積為30 m×30 m，共調(diào)查樣地32塊。樣地選擇的具體標(biāo)準(zhǔn)為典型油松人工純林樣地，且每塊樣地的林分密度、立地類型、植被組成等相近，盡量以林分年齡作為比較因素，同時(shí)記錄每塊樣地的位置、海拔、坡度、郁閉度、土壤組成、林分平均高、郁閉度、枯落物厚度、林下植被組成等基本情況。對每塊樣地內(nèi)的樹木進(jìn)行每木檢尺，經(jīng)計(jì)算后選取標(biāo)準(zhǔn)木2～3株伐倒，將全部枝葉剪下統(tǒng)一稱量其重量，記錄枝葉總鮮重。并在其中選擇1枝大小適中的標(biāo)準(zhǔn)枝，將其枝葉分離后分別稱量其枝和葉的重量，記錄葉鮮重和枝鮮重。并將標(biāo)準(zhǔn)木從樹干基部開始分別在0、0.5、1.3、1.5、2.5、3.5 m等處截取3～5 cm厚的圓盤(用于樹木的生長曲線分析)，然后將截?cái)嗟臉涓芍鸲畏Q重，之后累加得樹干總鮮重。同時(shí)，挖出伐倒木的地上根樁和地下根系，稱量其全部根的鮮重。分別抽取標(biāo)準(zhǔn)木各器官的樣品2份，每份200 g左右裝入牛皮紙袋，帶回實(shí)驗(yàn)室做植物碳含量分析，另1份裝入信封后用天平稱量其質(zhì)量，記錄后帶回實(shí)驗(yàn)室做含水量測定用于計(jì)算整株樹木不同組分的干重，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建油松人工林的生物量方程，然后通過每木調(diào)查的數(shù)據(jù)估算喬木層的碳儲量。在樣地內(nèi)挖掘1 m×1 m的土壤剖面，深度為100 cm，不夠100 cm時(shí)至基巖為止。對土壤剖面拍照，然后按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm分層，并用土壤環(huán)刀在各層采集土樣(每層3個(gè)重復(fù))，然后在天平上稱量記錄；在對應(yīng)土層上用土壤布袋取約300 g左右土樣，帶回實(shí)驗(yàn)室做土壤有機(jī)質(zhì)含量分析。將采集好的土壤環(huán)刀在105 ℃的烘箱中烘干至恒重，稱量后計(jì)算土壤容重；將布袋中的土壤經(jīng)風(fēng)干、研磨、過篩后保存?zhèn)溆?。將處理好的植物和土壤樣品用碳氮硫分析儀(PE 2400 II CHNS/Oanalyzer Perkin Elmer，USA)測定碳含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 各器官碳含量的特征

由圖1可知，當(dāng)林齡相同時(shí)不同器官碳含量的變化規(guī)律為：(1)葉(514.18 mg/g)>枝(503.11 mg/g)>根(503.56 mg/g)>干(488.62 mg/g)，除近熟林外，其余林齡均表現(xiàn)為枝>葉>根>干；幼齡林和中齡林的葉和枝、近熟林的枝和根、成熟林的干和根均未達(dá)到顯著水平，其余各器官間均達(dá)到顯著水平(P<0.05)；(2)各器官平均碳含量的大小依次為枝(514.20 mg/g)>葉(511.41 mg/g)>根(498.77 mg/g)>干(485.58 mg/g)，油松平均碳含量為502.49 mg/g。當(dāng)林齡不同時(shí)器官碳含量的變化規(guī)律為：(1)葉碳含量：中齡林>近熟林>成熟林>幼齡林，中齡林和近熟林、近熟林和成熟林的差異均未達(dá)到顯著水平，其余各林齡間差異顯著(P<0.05)；(2)枝碳含量：成熟林>中齡林>幼齡林>近熟林，成熟林和中齡林、幼齡林和近熟林的差異未達(dá)到顯著水平，其余各林齡間差異顯著；(3)干碳含量：成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，成熟林和近熟林間差異未達(dá)到顯著水平，其余各林齡間差異顯著；(4)根碳含量：成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，成熟林和近熟林、中齡林和幼齡林間差異未達(dá)到顯著水平，其余各林齡間差異顯著。

圖1 不同器官碳含量的變化特征

3.2 單株碳儲量的分配特征

由圖2可知，當(dāng)林齡相同時(shí)單株油松不同器官碳儲量的大小表現(xiàn)為：干>枝>葉>根；幼齡林和近熟林的枝和葉碳儲量，中齡林和成熟林的葉和根碳儲量之間差異未達(dá)到顯著水平，其余各器官在林齡相同時(shí)差異顯著(P<0.05)。相同器官隨林齡的變化葉碳儲量表現(xiàn)為：近熟林>成熟林>中齡林>幼齡林，近熟林和成熟林間差異未達(dá)到顯著水平，其余各林齡間差異顯著。枝、干、根的碳儲量均表現(xiàn)為：成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，中齡林和近熟林的根碳儲量間差異不顯著，其余各林齡間差異顯著。幼齡林的葉、枝、干、根所占比例分別為14.6%、19.2%、58.9%和7.3%；中齡林的葉、枝、干、根所占比例分別為17.4%、25.7%、45.6%、11.3%；近熟林的葉、枝、干、根所占比例分別為23.1%、28.5%、42.3%、6.1%；成熟林的葉、枝、干、根所占比例分別為12.7%、27.1%、48.0%、12.3%。干所占比例隨林齡的變化規(guī)律表現(xiàn)為先減小再增大，在近熟林時(shí)最小。

3.3 喬木層碳儲量的分配特征

由圖3可知，油松各林齡碳儲量的大小表現(xiàn)為：成熟林(71.01 t/hm2)>近熟林(41.41 t/hm2)>中齡林(31.25 t/hm2)>幼齡林(14.68 t/hm2)。成熟林較幼齡林、中齡林和近熟林分別增加了383.9%、127.2%和71%(P<0.05)，近熟林較幼齡林和中齡林分別增加了182.2%和32.5%，中齡林較幼齡林增加了113%。隨著林齡的增加，喬木層碳儲量呈明顯的增加趨勢，油松人工林喬木層具有較強(qiáng)的固碳潛力。

3.4 土壤碳含量的分布特征

由圖4可知，相同林齡的土壤碳含量在幼齡林、中齡林和近熟林均表現(xiàn)為：隨著土壤層的下降碳含量逐漸降低的規(guī)律性，幼齡林和中齡林的10～20 cm與20～40 cm，幼齡林的20～40 cm與40～60 cm，近熟林的0～10 cm與10～20 cm及20～40 cm與40～60 cm間差異未達(dá)到顯著水平，其余各林齡的土層間均達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。相同土壤層的碳含量隨林齡的變化規(guī)律：(1)在0～10 cm處表現(xiàn)為：近熟林>成熟林>中齡林>幼齡林，近熟林和成熟林、中齡林和幼齡林差異未達(dá)到顯著水平，其余林齡間差異顯著；(2)在10～20 cm處表現(xiàn)為：近熟林>中齡林>幼齡林>成熟林，幼齡林和成熟林差異未達(dá)到顯著水平，其余各林齡間差異顯著；(3)在20～40、40～60、60～100 cm這3個(gè)層次表現(xiàn)出相同的規(guī)律性，即成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林。

圖2 不同器官碳儲量隨林齡的變化特征

圖3 喬木層碳儲量隨林齡的變化特征

3.5 土壤碳儲量的分布特征

由圖5可知，油松人工林土壤碳儲量的變化規(guī)律為：成熟林(71.54 t/hm2)>近熟林(67.75 t/hm2)>中齡林(57.51 t/hm2)>幼齡林(44.38 t/hm2)。幼齡林各土層土壤碳儲量為5.91～11.28 t/hm2；中齡林各土層土壤碳儲量為8.57～14.22 t/hm2；近熟林各土層土壤碳儲量為11.63～15.22 t/hm2；成熟林各土層土壤碳儲量為6.22～23.24 t/hm2。不同林齡0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm的土壤碳儲量平均值分別為10.80、8.08、14.00、12.26和15.17 t/hm2。成熟林較幼齡林、中齡林分別增加了61.2%、24.4%，較近熟林差異未達(dá)到顯著水平，近熟林較幼齡林和中齡林分別增加了52.7%和17.8%，中齡林較幼齡林增加了29.6%。

圖4 不同土壤層碳含量隨林齡的變化特征

圖5 不同土壤層碳儲量隨林齡的變化特征

3.6 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的分布特征

由圖6可知，油松人工林各林齡的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分別為：幼齡林59.06 t/hm2、中齡林88.76 t/hm2、近熟林109.16 t/hm2、成熟林142.55 t/hm2，且相同林齡生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量特征均表現(xiàn)為土壤層碳儲量>喬木層碳儲量，其中土壤層碳儲量所占比重依次為：幼齡林75%、中齡林65%、近熟林62%、成熟林50%。

4 討論

4.1 不同人工林植物碳含量和碳儲量的變化特征

本研究表明，內(nèi)蒙古東部地區(qū)油松人工林喬木層的平均碳含量為502.49 mg/g，與已有研究結(jié)果接近，但與其他樹種的碳含量存在一定的差異。通過研究小興安嶺主要樹種的碳含量發(fā)現(xiàn)[2]，這些樹種間的碳含量差異較小，說明在立地條件和經(jīng)營措施基本相同的條件下，樹種類型對碳含量的影響不明顯，但其平均碳含量較本研究的油松人工林降低約10%，說明各因素對碳含量的影響存在某種關(guān)系，最終使植物碳含量維持在50%左右。

圖6 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨林齡的變化特征

影響森林碳儲量大小的生物因素有森林起源、樹種結(jié)構(gòu)、林分結(jié)構(gòu)、林齡等，同時(shí)，森林碳儲量也受到地域、氣候、光照、經(jīng)營措施等非生物因素的影響[3]。本研究對比分析了單株油松不同器官的碳儲量發(fā)現(xiàn)，單株油松各器官碳儲量在不同林齡、不同器官間都存在差異，林齡對生物碳儲量的影響顯著，在相關(guān)研究中也有類似結(jié)果。例如，北京密云油松人工林植被碳儲量隨著林齡的增大而顯著增大[4]。子午嶺林區(qū)不同林齡油松人工林的碳密度分布特征表明：隨著林齡增大，林下植被層生物量表現(xiàn)為先降低后增加的趨勢，枯落物層生物量增加更為明顯。隨著林齡的增加，土壤碳密度所占生態(tài)系統(tǒng)碳密度比例逐漸降低，而喬木層和枯落物層則逐漸增加[5]。本研究與以上研究結(jié)果基本一致，不同之處在于本研究的葉碳儲量大于根碳儲量，這也表明水分、養(yǎng)分、樹種組成和立地條件等因素會(huì)顯著影響植被碳儲量[6]。

關(guān)于各地區(qū)不同樹種的碳儲量研究已有大量報(bào)道，特別是華北落葉松、楊樹、樟子松、油松等一些造林常見樹種。盡管研究區(qū)域的氣候、土壤、樹種不同，但總體表現(xiàn)出隨著林齡的增大，喬木層碳儲量顯著增大的變化規(guī)律。與不同地區(qū)的油松林相比，華北地區(qū)油松人工林喬木層平均碳儲量約為本研究的2.7倍，河北省油松人工林喬木層平均碳儲量接近本研究的2倍，冀北地區(qū)略高于本研究，北京地區(qū)略低于本研究。這主要是本研究的油松人工林位于中心分布區(qū)以外，屬于油松人工林的臨界分布區(qū)，樹種組成、區(qū)域氣候類型、土壤類型、立地條件等因素可以顯著影響喬木層碳儲量。因此，在營造人工林時(shí)要根據(jù)特定的地區(qū)特征選擇適宜的樹種，而在大尺度上計(jì)算碳儲量時(shí)也應(yīng)該充分考慮樹種和地域差異，這樣才能更加準(zhǔn)確地評估我國森林的碳儲量。

4.2 不同人工林土壤碳含量和碳儲量的變化特征

本研究表明：不同林齡油松人工林的土壤碳含量均表現(xiàn)出隨著土壤層的下降而逐漸降低的規(guī)律。土壤碳含量與凋落物分解關(guān)系密切，凋落物分解是土壤養(yǎng)分的主要來源之一，而影響凋落物分解速率的因素有微生物、土壤動(dòng)物和環(huán)境等[7]。研究區(qū)的土壤較為貧瘠，底層土壤沒有太多的養(yǎng)分積累，凋落物分解歸還的養(yǎng)分雖會(huì)發(fā)生部分轉(zhuǎn)移，但多數(shù)的養(yǎng)分滯留在土壤表層，這就導(dǎo)致了表層碳含量顯著高于底層的現(xiàn)象，這在其他人工林中也有類似報(bào)道[8-9]。同時(shí)，植物養(yǎng)分需求會(huì)隨著林齡的增大而不斷變化，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，而凋落物分解也會(huì)受到各種條件的制約，這也導(dǎo)致土壤養(yǎng)分會(huì)隨著林齡的增大而變化。本研究表層土壤近熟林的碳含量最高，而底層土壤則以成熟林的最高，這是因?yàn)楸韺油寥捞己渴峭ㄟ^凋落物的分解直接進(jìn)入土壤，而底層的需要淋溶、動(dòng)物搬用等途徑，這就需要更長的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

通過對油松人工林土壤有機(jī)碳密度與立地因子、植被因子和土壤因子的多元線性回歸分析表明，影響土壤有機(jī)碳密度的主要因子有坡度、坡位、林齡、凋落物現(xiàn)存量、年凋落量、土壤含水量、容重、土壤全K含量、土壤全N含量等[10]。本研究的土壤平均碳含量與油松人工林中心分布區(qū)的土壤有機(jī)碳含量存在一定的差異，也與其他人工林樹種的土壤碳含量存在顯著差異，說明影響土壤碳含量的是樹種類型、地域環(huán)境、土壤深度等，因此估算不同尺度上的土壤碳儲量存在較大的不確定性[11]，但不同土壤層的碳含量仍是影響土壤碳儲量的主要因素。

4.3 不同人工林總碳儲量的變化特征及影響因素

本研究表明：相同林齡的油松人工林總碳儲量大小均表現(xiàn)為：土壤層>喬木層。林齡作為影響碳儲量的主要因素，其作用機(jī)理為隨著林齡的增大各器官逐漸成熟，光合作用強(qiáng)度增強(qiáng)，植物生物量積累量增大；植物生物量的增加，會(huì)使凋落物量增加，歸還到土壤中的養(yǎng)分增多，使得土壤層碳儲量增加[12-13]。本研究油松人工林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲量為99.88 t/hm2，這一碳儲量是基于未經(jīng)營的油松人工林分而計(jì)算的，但已有研究表明：影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的因子有樹種特性、經(jīng)營措施、氣候條件、土壤肥力、水分、光照等[14-15]。因此，在以碳匯為目的進(jìn)行造林時(shí)，應(yīng)該充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤、水分等條件，選擇適合的樹種才能使碳儲量達(dá)到最高。本研究的油松人工林碳儲量與內(nèi)蒙古其他地區(qū)存在差異，這主要與林齡、林分密度、立地條件、水熱分布、經(jīng)營措施等相關(guān)。張濤[16]研究表明，如果從增加森林碳匯方面考慮，未經(jīng)營利于森林碳匯的積累；常規(guī)經(jīng)營更有利于提高森林木材質(zhì)量，如果2個(gè)方面都考慮，近自然經(jīng)營方式是最適合的。綜上分析可知，影響油松人工林碳儲量分布差異的主要因素是區(qū)域水熱條件、林齡、密度和經(jīng)營措施，這也表明通過經(jīng)營措施的改變可以提升人工林的固碳潛力。

5 結(jié)論

(1)油松人工林各器官平均碳含量為：枝(514.20 mg/g)>葉(511.41 mg/g)>根(498.77 mg/g)>干(485.58 mg/g)，平均碳含量為502.49 mg/g。隨著林齡的增大，喬木層碳儲量顯著增大，各林齡碳儲量的大小為：成熟林(71.01 t/hm2)>近熟林(41.41 t/hm2)>中齡林(31.25 t/hm2)>幼齡林(14.68 t/hm2)，平均碳儲量為39.59 t/hm2。研究表明，樹種組成、區(qū)域氣候類型、土壤類型、立地條件等因素可以顯著影響喬木層碳儲量。

(2)油松人工林的土壤碳含量均表現(xiàn)出隨著土壤層的下降而碳含量逐漸降低的趨勢。各林齡平均土壤碳含量為：近熟林(5.66 mg/g)>成熟林(5.38 mg/g)>中齡林(4.79 mg/g)>幼齡林(3.85 mg/g)，平均碳含量為4.92 mg/g。土壤碳儲量大小為：成熟林(71.54 t/hm2)>近熟林(67.75 t/hm2)>中齡林(57.51 t/hm2)>幼齡林(44.38 t/hm2)，平均碳儲量為60.30 t/hm2。研究表明，影響土壤碳含量的因素有樹種特性、地域環(huán)境和土壤深度等。

(3)油松人工林各林齡植被和土壤的總碳儲量為：成熟林(142.55 t/hm2)>近熟林(109.16 t/hm2)>中齡林(88.76 t/hm2)>幼齡林(59.06 t/hm2)，且相同林齡時(shí)的總碳儲量均表現(xiàn)為土壤層碳儲量高于喬木層碳儲量。研究表明，與油松人工林中心分布區(qū)相比，本研究區(qū)域(邊緣分布區(qū))的油松人工林碳儲量較低，這主要與林分密度、土壤養(yǎng)分、氣候特征等有密切關(guān)系。