高州油茶人工林碳儲量分布特征

郭夢晴，楊 穎，許 葉，奚如春，2

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 廣東省森林植物種質(zhì)創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642)

高州油茶Camellia gauchowensis 為山茶科Theaceae 山茶屬Camellia 常綠小喬木，又名華南油茶、越南油茶、陸川油茶，它是我國南緣主要油茶品種，單位面積產(chǎn)量高，果實(shí)碩大，油脂品質(zhì)好，為一種優(yōu)質(zhì)油茶樹種和生態(tài)經(jīng)濟(jì)型樹種，具有良好的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[1-2]。目前，廣東省高州油茶人工林種植面積約1 萬hm2，且推廣面積逐年增加，在經(jīng)營高州油茶獲得良好經(jīng)濟(jì)效益的同時，科學(xué)客觀地評價(jià)其碳儲量等生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的科學(xué)價(jià)值和生產(chǎn)意義。

森林生物量約占全世界陸地植被生物量的85%～90%[3]，準(zhǔn)確估算森林生物量是森林碳儲量和許多其他林業(yè)問題的研究基礎(chǔ)[4]，目前生物量測定最常用的方法之一是模型估計(jì)法[5]。人工林在森林固碳方面的作用已成共識，國內(nèi)外研究者對各類人工林的生物量和碳儲量做了大量研究，但多集中在樹齡、林分經(jīng)營管理措施的影響等方面[6-7]。經(jīng)濟(jì)林由于受周期性經(jīng)營活動的影響，其生物量和碳儲量的研究相對滯后。20 世紀(jì)80 年代初我國開始探討油茶生物量問題[8]，但多集中于經(jīng)營方式和撫育措施對油茶生物量的影響等方面[9-11]。近年來已開始對油茶林生物量和固碳能力等的深入研究，如油茶不同器官生物量及其積累規(guī)律[12-13]。

我國經(jīng)濟(jì)林碳儲量研究起步時間晚且研究多集中于土壤含碳量，對植物本身碳儲量研究則相對較少，方法大多采用平均生物量法來計(jì)算油茶幼林和成林的生物量。目前也有利用數(shù)字圖像技術(shù)建立油茶生物量模型[14]，但對油茶林生態(tài)系統(tǒng)或特定林分碳儲量及分配特征的研究鮮見報(bào)道。本文以廣東省揭陽市高州油茶人工林為研究對象，通過調(diào)查測定其林分生物量和碳含量，闡明其碳儲量及分布特征，并估算評價(jià)其固碳效應(yīng)，旨在為其高效利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選擇在廣東省揭陽市揭東區(qū)高州油茶試驗(yàn)林。該區(qū)域地處116°17′E，23°41′N，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.4 ℃，年平均降水量為1 720～2 100 mm。試驗(yàn)林總面積30 hm2，林齡11 年，已進(jìn)入投產(chǎn)期，是目前廣東省內(nèi)種植面積最大且管理規(guī)范的高州油茶人工林，初始種植密度為2.5 m×3.0 m，林地總體坡向西北，坡度15°～20°，土壤類型為山地黃紅壤，pH 5.0～5.5。

1.2 試驗(yàn)材料與指標(biāo)測定方法

1.2.1 樣地設(shè)置及調(diào)查 于2018 年10 月下旬在上述試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，隨機(jī)選取3 塊面積20 m×20 m 的標(biāo)準(zhǔn)地。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行每木調(diào)查。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，在地徑最大值與最小值之間，以2 cm 為一個徑級劃分，3 塊標(biāo)準(zhǔn)地林分調(diào)查結(jié)果匯總見表1。

1.2.2 樣株選擇 在上述研究區(qū)域內(nèi)，選取1 hm2作為試驗(yàn)樣地。在林分調(diào)查中發(fā)現(xiàn)不同徑級植株數(shù)量大體成正態(tài)分布，4、6 和12 cm 徑級植株較少，8 和10 cm 徑級植株較多。選取與表1 各徑級的平均地徑和樹高相近的植株12 株作為樣株，其中，4、6 和12 cm 徑級各2 株；8 和10 cm 徑級各3 株。

表 1 高州油茶人工林標(biāo)準(zhǔn)地林分調(diào)查結(jié)果Table 1 Result of survey in sample plots of Camellia gauchowensi plantation

1.2.3 植物生物量測定 分別對各樣株進(jìn)行全株生物量測定，具體方法是：樣株樹干部分運(yùn)用“分層切割法”，從林木基部到1 m 為一段鋸斷，1 m 以上部分，按1.5 m 為一段依次鋸斷；枝、葉部分用“標(biāo)準(zhǔn)枝法”采集；芽與果全株采集；地下部分采用全根挖掘法，取出后將土壤清除干凈，全量收集。各器官全株測定鮮質(zhì)量后各取樣1 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室，105 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，稱質(zhì)量并記錄。根據(jù)生物量模型計(jì)算生物量(W)：W=aDb，其中a、b 為回歸參數(shù)，D 為地徑[15]。

1.2.4 植物碳含量測定 將各器官樣品烘干后磨碎成粉末狀，用元素分析儀測定其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)作為碳含量。

1.2.5 土壤樣品采集與測定 在林分樣地內(nèi)，按“S”形隨機(jī)選取8 個取樣地點(diǎn)，挖開土壤剖面，使用環(huán)刀和小鋁盒分層采集0～20、20～40、40～60 和60～100 cm 土層的土樣，每土層重復(fù)3 次，共采樣192 個，帶回實(shí)驗(yàn)室，參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測定土壤碳含量和含水量，并計(jì)算土壤容重[16]。

1.3 碳儲量計(jì)算方法

1.3.1 高州油茶單位面積生物量計(jì)算 高州油茶單位面積(hm2)生物量計(jì)算公式采用：

式中：Y總表示單位面積喬木層生物量，t·hm-2；Y葉、Y枝、Y干、Y根、Y果、Y芽分別表示葉、枝、干、根、果、芽的生物量，t·hm-2。

1.3.2 碳儲量計(jì)算 植物單位面積碳儲量(AP，t·hm-2)用下式計(jì)算：

土壤層單位面積有機(jī)碳儲量用下式計(jì)算：

式中：AS為土壤層單位面積有機(jī)碳儲量，t·hm-2；Ei為土層(i)厚度，cm，；Di為i 層土壤容重，g·cm-3；Ci為i 層土壤有機(jī)碳含量，g·kg-1；0.1 為換算系數(shù)[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并繪制表格和圖；使用SPSS 22.0 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、回歸分析及Duncan’s 多重比較等。

2 結(jié)果與分析

2.1 高州油茶人工林生物量特征

2.1.1 按徑級分配的生物量特征 由表2 可知，高州油茶各器官生物量回歸模型均具有顯著相關(guān)性(P＜0.001)，且回歸方程擬合度較高，決定系數(shù)(R2)為0.758～0.972。但其花芽由于生物量總體較小，且數(shù)據(jù)波動性大，不具有顯著性，因此不進(jìn)行模型擬合。

表 2 高州油茶人工林各器官生物量模型擬合Table 2 Fitness of biomass models for each organ in Camellia gauchowensi plantation

由表1 可知，在高州油茶試驗(yàn)林分中，不同徑級植株密度呈偏正態(tài)分布：8 cm 徑級最多，為556株·hm-2，株數(shù)占總林分的33.92%；6 和10 cm 徑級的植株密度分別為389 和309 株·hm-2，其株數(shù)分別占總林分的23.74%和18.85%；4 cm 徑級植株密度為242 株·hm-2，株數(shù)占總林分的14.76%；徑級12 cm植株密度最小，僅為143 株·hm-2，株數(shù)占總林分的8.73%。

由表3 可知，各徑級油茶的生物量也呈現(xiàn)正態(tài)分布。10 cm徑級油茶的生物量最大，為10.878 t·hm-2，占試驗(yàn)林總生物量的40.43%，其次是8 cm徑級的生物量，為6.917 t·hm-2，占比25.71%，二者是林分生物量的主要部分，4 cm 徑級的生物量最小，只有1.231 t·hm-2，僅占比4.58%。由此表明：4 cm徑級的油茶生物量對整個油茶林生物量貢獻(xiàn)最小；12 cm 徑級油茶雖然數(shù)量最少，但由于其單株生物量遠(yuǎn)大于其他徑級，所以生物量達(dá)到了4.809 t·hm-2，占比17.88%；而6 cm 徑級油茶因?yàn)閿?shù)量較大，生物量也達(dá)到了3.069 t·hm-2，占比11.41%。

表 3 高州油茶人工林不同徑級各器官生物量及其分配Table 3 Biomass and distribution of each organ in different diameter classes of Camellia gauchowensi plantation

2.1.2 林分總生物量 由表4 可知，該試驗(yàn)區(qū)高州油茶林分的總生物量為26.902 t·hm-2。其中，樹干和樹根生物量分別為8.646 和8.479 t·hm-2，分別占比32.14%和31.52%，二者對總生物量累積貢獻(xiàn)率達(dá)到60%以上；樹葉生物量為3.822 t·hm-2，樹枝生物量為2.878 t·hm-2，果實(shí)生物量2.189 t·hm-2，花芽生物量最小，只有0.888 t·hm-2。

表 4 高州油茶人工林各器官生物量及總生物量占比Table 4 Biomass and its proportion of each organ in Camellia gauchowensi plantation

2.2 高州油茶人工林碳含量

2.2.1 林分碳含量 由表5 可知，高州油茶不同徑級的林分碳含量不同。具體來講，林分平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為483.45 g·kg-1，最大值(12 cm 徑級) 為488.88 g·kg-1，最小值(8 cm 徑級)為476.51 g·kg-1。由表 5 還可知，高州油茶林分不同器官的碳含量不同，其平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為458.95～521.39 g·kg-1，平均碳含量排序?yàn)楣麑?shí)＞樹葉＞花芽＞樹枝＞樹干＞樹根。其中，果實(shí)平均碳含量最高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為496.52 g·kg-1，樹根最低，為466.04 g·kg-1，花芽和樹干碳含量除與樹枝碳含量差異不顯著外，與其他器官的碳含量均有顯著差異(P ＜ 0.05)。

2.2.2 林地土壤有機(jī)碳含量 由圖1 可見，在樣地100 cm 深的土層中，土壤有機(jī)碳含量隨土層深度的增加而遞減。0～20、20～40、40～60 和60～100 cm 土層土壤有機(jī)碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.550、11.017、6.678 和4.706 g·kg-1，占土壤總有機(jī)碳含量的54.24%、22.51%、13.64%和9.61%。不同取樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳含量也存在差異，這可能與取樣點(diǎn)所處的坡位、坡度及其小氣候條件有關(guān)。

表 5 高州油茶人工林不同樣株各器官碳含量Table 5 Carbon contents of different organs in different sample plants of Camellia gauchowensi plantation

圖 1 高州油茶人工林土壤有機(jī)碳含量垂直分布Fig. 1 Vertical distribution of soil organic carbon content in Camellia gauchowensi plantation

2.3 高州油茶人工林有機(jī)碳儲量

2.3.1 林分碳儲量 由表6 可知，高州油茶林分總碳儲量為12.857 t·hm-2。其中，樹干、樹根、樹葉、樹枝、果實(shí)和花芽的碳儲量分別為4.127、3.950、1.868、1.393、1.088 和0.431 t·hm-2，分別占林分總碳儲量的32.10%、30.72%、14.53%、10.84%、8.47%和3.35%。從各器官碳儲量分布來看，樹干和樹根占重要位置，貢獻(xiàn)了林分60%以上的碳儲量，然后依次是樹葉＞樹枝＞果實(shí)＞花芽。

2.3.2 土壤有機(jī)碳儲量 由表 7 可知，各樣地0～100 cm 土層土壤有機(jī)碳儲量平均為131.681 t·hm-2?？傮w來看，0～60 cm 土層土壤有機(jī)碳儲量為107.189 t·hm-2，占林地總有機(jī)碳儲量的82.01%，其中，0～20 cm 土層的土壤有機(jī)碳儲量最多(62.833 t·hm-2)，幾乎占全部有機(jī)碳儲量的一半(49.08%)，明顯高于其他各層土壤。

表 6 高州油茶人工林各器官碳儲量分布Table 6 Carbon storage distribution of various organs in Camellia gauchowensi plantation

2.4 高州油茶人工林總有機(jī)碳儲量及分配特征

從表8 可知，高州油茶林地總有機(jī)碳儲量為144.538 t·hm-2。其中，林地土壤的有機(jī)碳儲量為131.681 t·hm-2，占總有機(jī)碳儲量的91.10%，是林地有機(jī)碳儲量的主要組成部分；林分有機(jī)碳儲量12.857 t·hm-2，占8.90%?？梢姡咧萦筒枇值氐挠袡C(jī)碳儲量最主要的組成部分是土壤有機(jī)碳儲量，林分有機(jī)碳儲量相對較小。

表 7 高州油茶人工林不同土層土壤有機(jī)碳儲量Table 7 Soil organic carbon storages of different soil layers in Camellia gauchowensi plantation

表 8 高州油茶人工林總有機(jī)碳儲量及分配Table 8 Organic carbon storage and distribution of Camellia gauchowensi plantation

3 討論與結(jié)論

本文以高州油茶地徑為單變量的回歸模型具有較高的精度，表明由地徑和生物量建立的回歸模型可用于計(jì)算單株油茶和油茶人工林的生物量，進(jìn)而用于其碳匯研究。

高州油茶樹體總生物量隨著生長而不斷累積，但各個器官的分配會隨著環(huán)境和植物本身的生長狀況不同而稍有改變，其分配規(guī)律與部分研究者對其他品種油茶的研究基本一致[9，18]。總體來說，高州油茶人工林地上部分的生物量積累占絕對優(yōu)勢，且樹葉略大于樹枝，說明植物此時營養(yǎng)生長旺盛，這與其生長階段(結(jié)果始期)吻合。諶小勇等[9]對不同產(chǎn)量水平的油茶林分生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)油茶產(chǎn)量水平越高，其林分的總生物量越大，林分積累的有機(jī)物質(zhì)也越多。高州油茶作為油茶中產(chǎn)量較高的優(yōu)良品種，其林分總生物量超過Cui 等[18]研究的普通油茶。

高州油茶樹體的果實(shí)碳含量最高，這可能是因?yàn)槠浞N仁油脂含量高，碳水化合物含量很高，因此在往后的研究中可以對果皮和種仁分別測定碳含量；樹葉葉綠體含豐富的有機(jī)物，因而碳含量較高；而植物的花含有較多的RNA、蛋白質(zhì)和酶，以及對花粉粒的發(fā)育起到重要作用的脂類、胡蘿卜素和孢粉素等，導(dǎo)致花芽的碳含量也很高。因此花芽和樹葉碳含量差異不顯著，且均高于樹干和樹根?？梢?，各器官的碳含量差異來自于它們的功能和生理特點(diǎn)。楊眾養(yǎng)等[19]對海南經(jīng)濟(jì)林的研究表明，波羅蜜Artocarpus heterophyllus、荔枝Litchi chinensis、龍眼Dimocarpus longan 的含碳率(w)分別為39%、41% 和40%，王炳焱[20]研究發(fā)現(xiàn)栓皮櫟Quercus variabilis 中齡林含碳率(w)約為44%，與之相比，高州油茶的平均含碳率較高(w 為48%)。

林地土壤各層平均碳含量與彭映赫等[21]研究中的中林齡油茶土壤相似。本試驗(yàn)樣地盡量選取人為因素干擾很低的地塊，不同取樣點(diǎn)的土壤有機(jī)碳含量存在差異，這可能與不同取樣點(diǎn)坡位、坡向以及人工管理等外部條件有關(guān)。該問題還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。土壤表層(0～20 cm)含碳量最高，可見表層土可防止地表水土流失，有效保持土壤對碳的吸存能力。在實(shí)際生產(chǎn)中，人們對高州油茶林的管理會減少地被雜草和枯落物，從而一定程度干擾表層土對碳的吸存，今后的生產(chǎn)上可以通過間種、套作等方式來增加其固碳量，從而提高高州油茶林的碳匯能力。

廣東省2012 年經(jīng)濟(jì)林的平均碳儲量為11.21 t·hm-2[22]，高州油茶林碳儲量(12.857 t·hm-2)高于經(jīng)濟(jì)林平均碳儲量，因此具有較高的生態(tài)效益。高州油茶林地土壤有機(jī)碳儲量(131.681 t·hm-2)遠(yuǎn)高于廣東省土壤平均碳密度(100.31 t·hm-2)[23]，高州油茶林總碳儲量(144.538 t·hm-2)也高于珠三角森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度(136.35 t·hm-2)[24]。根據(jù)中國生物多樣性國情報(bào)告編寫組的數(shù)據(jù)，碳價(jià)格為260.90 元·t-1[25]，本試驗(yàn)高州油茶林的碳匯經(jīng)濟(jì)效益約為3.8 萬元·hm-2，因此高州油茶不僅有較好的生產(chǎn)效益，而且具十分廣闊的固碳前景。高州油茶是研究者選育本地良種的重要地理品種，但本研究只是重點(diǎn)對揭陽地區(qū)中齡林高州油茶進(jìn)行了碳匯潛力研究，往后可以在其分布區(qū)域開展更深入與更全面的研究，尤其是林分土壤碳儲量，它是生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主要部分，其影響因素復(fù)雜，固碳潛力相對更大。而結(jié)合GPS、GIS 衛(wèi)星遙感等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)與其生長機(jī)理的動態(tài)預(yù)估模型、生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)變化規(guī)律的研究則是下一步的研究趨勢。

總之，高州油茶植株各器官平均生物量分配比例為樹干＞樹根＞樹葉＞樹枝＞果實(shí)＞花芽，生物量均隨著地徑的增大而增大，單株生物量由4 cm 徑級的5.086 kg 增大至12 cm 徑級的33.630 kg，增幅近7 倍。樹葉生物量稍有波動，但總體趨勢是不斷增大，果實(shí)和花芽的生物量波動較大。試驗(yàn)地高州油茶林分的總生物量為26.902 t·hm-2，樹干和樹根是林分生物量最主要的部分，其次是樹葉和樹枝。

不同徑級植株的碳含量不同，平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為483.45 g·kg-1。果實(shí)平均碳含量最高，樹根最低，樹葉、樹枝和花芽三者碳含量差異不顯著；相同器官在不同徑級中的碳含量也有差異。在林地100 cm深土層中，土壤平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0～20 cm 的26.550 g·kg-1遞減到60～100 cm 的4.706 g·kg-1。本試驗(yàn)高州油茶林總碳儲量為144.538 t·hm-2，其中，林分碳儲量為12.857 t·hm-2，占總碳儲量的8.90%；林地土壤碳儲量為131.681 t·hm-2，占91.10%。