桂西北巖溶區(qū)蘇木人工林生物量及碳儲(chǔ)量

李元強(qiáng)，何敏增，蔣恒潔，黃家華，吳慶標(biāo)

(1.廣西壯族自治區(qū)國有維都林場，廣西 來賓 546100； 2.廣西一鴻自然教育科技有限公司，廣西 南寧 530007； 3.廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

我國喀斯特地貌分布面積達(dá)176.08萬hm2，主要分布在廣西、湖南、云南、貴州、四川等地區(qū)[1]，石漠化是巖溶區(qū)面臨的嚴(yán)重生態(tài)問題，也是制約巖溶地區(qū)社會(huì)發(fā)展的重要原因。廣西是我國典型喀斯特地貌地區(qū)之一，其喀斯特地貌主要集中在桂中、桂西和桂東北等區(qū)域[2-3]。近年來，我國持續(xù)加大對石漠化綜合治理力度，實(shí)施重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)工程，通過植樹造林以恢復(fù)植被覆蓋等舉措推進(jìn)治理進(jìn)程，選擇潛力好的樹種造林是改善巖溶區(qū)生態(tài)環(huán)境和功能的重要前提。蘇木(Caesalpiniasappan)為蘇木科蘇木屬落葉小喬木，是熱帶亞熱帶樹種[4]，集中分布在廣東、廣西、云南、臺(tái)灣等我國南方區(qū)域，廣西則主要分布在玉林、河池以及左右江區(qū)域等[5]。蘇木是廣西巖溶植被區(qū)系主要成分[6]，具有很強(qiáng)的生命力、耐貧瘠和生長迅速等特征，是廣西巖溶地區(qū)造林治理石漠化優(yōu)良樹種[7-11]，同時(shí)具有舒經(jīng)活絡(luò)、鎮(zhèn)靜、祛痰、止痛等藥用價(jià)值[12-15]。目前，對蘇木人工林的相關(guān)研究主要在培育技術(shù)、生長規(guī)律、藥用價(jià)值等方面，尚未見有蘇木人工林碳匯相關(guān)研究報(bào)道。本文對桂西南巖溶區(qū)5年生蘇木人工林生物量、碳匯能力及分配等進(jìn)行研究，以期為蘇木人工林營建及巖溶區(qū)綠化樹種選擇提供參考。

1 樣地概況

試驗(yàn)地位于廣西西北區(qū)域的田陽縣那滿鎮(zhèn)，是典型的巖溶區(qū)，因大多區(qū)域石漠化較為嚴(yán)重而致土壤薄，厚度僅為35 cm左右，成土母質(zhì)有第四紀(jì)紅土、砂頁巖、石灰?guī)r。該區(qū)域?yàn)槟蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年均降水量1100～1350 mm，光照充足，年均氣溫18～22 ℃，年無霜期達(dá)307～352 d左右[16]。經(jīng)調(diào)查，試驗(yàn)林分密度為5200株·hm-2，平均地徑為4.8 cm，平均樹高為4.1 m，枯枝落葉層厚度為2 cm左右，林下植被覆蓋度55%，林下植被主要有蔓生莠竹(Microstegiumvagans)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、酢漿草(Oxaliscorniculata)、葉下珠(Phyllanthusurinaria)、龍須草(Juncuseffusus)等。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法及樣品采集[2]

2017年，根據(jù)典型選樣原則，設(shè)置4塊林相整齊、具有代表性的10 m×10 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，首先對林下植被種類和覆蓋度等情況進(jìn)行調(diào)查，然后在樣地內(nèi)對蘇木進(jìn)行調(diào)查，主要測定地徑和樹高。根據(jù)調(diào)查結(jié)果篩選出具有代表性的平均木4株，采伐并將其根部挖凈后，按不同器官(葉、果、枝、干、根兜、側(cè)根)分類稱取鮮重，做好記錄，隨即采取各器官樣品300 g左右置于封口袋中帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱取干重，粉碎后測定相關(guān)指標(biāo)。在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，按角線設(shè)置4個(gè)面積為1 m2的小樣方，采用收獲法分別獲取小樣方內(nèi)全部灌草和凋落物并稱取其鮮重，做好記錄；隨即采取各器官樣品300 g左右置于封口袋中帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱取干重，粉碎后測定相關(guān)指標(biāo)。在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)上、中、下坡各隨機(jī)設(shè)置1個(gè)土壤采樣點(diǎn)(3個(gè)重復(fù))，采取0～20 cm表土土樣裝于封口袋中帶回實(shí)驗(yàn)室按國標(biāo)方法處理測定相關(guān)指標(biāo)，同時(shí)用環(huán)刀法測定土壤密度。

2.2 碳含量測定及碳儲(chǔ)量估算

采用元素分析儀(Vario EL Ⅲ，德國)測定碳含量。喬木層碳儲(chǔ)量為各器官生物量與其相對應(yīng)碳含量乘積之和，灌草層和凋落物層碳儲(chǔ)量為其相應(yīng)生物量與碳含量的乘積，土壤層碳儲(chǔ)量為其有機(jī)碳含量、厚度、密度的乘積[17]。

2.3 生產(chǎn)力、年凈固碳量、年凈碳素累積量估算

植被層年凈生產(chǎn)力根據(jù)林分生物量除以林分年齡(5 a)進(jìn)行估算[18]。喬木層年凈固碳量為各器官年凈固碳量之和，而各器官年凈固碳量根據(jù)相應(yīng)的碳儲(chǔ)量除以年齡進(jìn)行估算，其中樹葉和果為當(dāng)年生(1 a)進(jìn)行計(jì)算，其余器官按實(shí)際林齡(5 a)來計(jì)算。喬木層年凈碳素累積量根據(jù)其碳儲(chǔ)量除以實(shí)際林齡(5 a)進(jìn)行估算。

2.4 數(shù)據(jù)分析

主要運(yùn)用WPS辦公軟件進(jìn)行整理和前期處理，數(shù)據(jù)差異性分析等則采用 SPSS 22.0 軟件分析。

3 結(jié)果與分析

圖1 蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)不同組分生物量布局圖

3.1 蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量及生產(chǎn)力

圖2 蘇木各器官生物量

3.1.1 生態(tài)系統(tǒng)植被層生物量 5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層總生物量為17.46 t·hm-2。由圖1可知，該生態(tài)系統(tǒng)不同組分生物量由大到小排序?yàn)閱棠緦?凋落物層>灌草層，分別占總生物量的80.3%、10.8%、8.9%，喬木層生物量要顯著高于灌草層和凋落物層(P<0.01)。由圖2可知，喬木層中各器官生物量間達(dá)到極顯著差異(P<0.01)，由大到小排序?yàn)闃涓?樹枝>根蔸>樹葉>側(cè)根>果，喬木層中生物量最大的器官為樹干，體現(xiàn)了喬木主干明顯的共性特征，枝條生物量次之，可見蘇木在生長高峰期具有較繁密枝條。喬木層的生物量主要是地上部分貢獻(xiàn)，地上部分生物量比地下部分生物量大4倍多。

3.1.2 生態(tài)系統(tǒng)植被層生產(chǎn)力 5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層的年凈生產(chǎn)力為3.50 t·hm-2·a-1，各組分年凈生產(chǎn)力表現(xiàn)為喬木層>凋落物層>灌草層，依次為2.81、0.38、0.31 t·hm-2·a-1，分別占植被層年凈生產(chǎn)力的80.3%、10.8%、8.9%，喬木層在生產(chǎn)力上貢獻(xiàn)最大，也體現(xiàn)了人工林以培育喬木層為主的經(jīng)營特征。喬木層各器官年凈生產(chǎn)力由大到小排序依次為樹干>樹枝>根蔸>樹葉>側(cè)根>果，喬木層中樹干對生產(chǎn)力貢獻(xiàn)最大，占喬木層生產(chǎn)力的45.20%。

3.2 蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳素含量

由圖3可知，5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)喬木層平均(加權(quán))碳素含量為495.06 g·kg-1，各器官碳素含量介于465.49～504.40 g·kg-1之間，由大到小排序依次為樹枝>樹葉>樹干>根兜>果>側(cè)根，各個(gè)器官間碳素含量差異不顯著(P>0.05)；林下灌草層平均碳素含量為423.00 g·kg-1，凋落物層平均碳素含量為487.77 g·kg-1。灌草層和凋落物層碳素含量均低于喬木層，三者之間的平均碳素含量存在極顯著差異(P<0.01)。土壤層平均碳素含量為56.13 g·kg-1，低于植被層的碳含量。

圖3 蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)不同組分間碳素含量

3.3 蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及分配格局

3.3.1 植被層碳儲(chǔ)量 5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層總碳儲(chǔ)量為8.51 t·hm-2，其中喬木層的碳儲(chǔ)量為6.93 t·hm-2，灌草層的碳儲(chǔ)量為0.66 t·hm-2，凋落物層的碳儲(chǔ)量為0.92 t·hm-2，三者中以喬木層碳儲(chǔ)量最高，分別占植被層總碳儲(chǔ)量的81.44%、7.76%、10.80%，喬木層是生態(tài)系統(tǒng)植被層中最主要的碳庫。喬木層中，各器官碳儲(chǔ)量由大到小依次排列為樹干>樹枝>根兜>樹葉>側(cè)根>果，樹干的碳儲(chǔ)量占喬木層碳儲(chǔ)量的45.3%，是喬木層主要的碳儲(chǔ)存庫；各器官碳儲(chǔ)量與生物量大小排序一致，碳素含量差異不顯著，可見生物量是影響碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵因子。

圖4 蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分配格局

3.3.2 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分配格局 5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為135.36 t·hm-2，其中土壤層碳儲(chǔ)量為126.85 t·hm-2。由圖4可知，蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分配格局表現(xiàn)為土壤層>喬木層>凋落物層>灌草層，土壤層碳儲(chǔ)量占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的93.7%，是生態(tài)系統(tǒng)的最主要碳庫，喬木層、凋落物層、灌草層分別占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的5.1%、0.7%、0.5%，凋落物層和灌草層在碳儲(chǔ)量分配格局中僅占極小部分。

3.4 蘇木人工林喬木層年凈固碳量

5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)喬木層的年凈固碳量為2.14 t·hm-2·a-1，受估算年齡的影響，各器官年凈固碳量大小排序與其碳儲(chǔ)量不一致，從大到小依次表現(xiàn)為樹葉>樹干>樹枝>根兜>果>側(cè)根。喬木層年固碳量中，地上部分貢獻(xiàn)最大，地上部分的年凈固碳量是地下部分的近8倍之多。喬木層年凈碳素累積量估算為1.39 t·hm-2·a-1，各器官年凈碳素累積量大小規(guī)律與其碳儲(chǔ)量一致，但與年凈固碳量不完全一致，與估算年齡有關(guān)，各器官由大到小依次排序?yàn)闃涓?樹枝>樹葉>根兜>側(cè)根>果，其中地上部分年凈碳素累積量是地下部分的近5倍。

4 結(jié)論與討論

5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)總生物量為17.46 t·hm-2，其中喬木層生物量為14.01 t·hm-2，稍小于廣西中巖溶區(qū)4年生頂果木(15.89 t·hm-2)和降香黃檀(13.24 t·hm-2)人工林的生物量[19]。喬木層生物量在該生態(tài)系統(tǒng)中占總生物量的80.3%，灌草層、凋落物層生物量僅分別占8.9%、10.8%，喬木層生物量占絕對優(yōu)勢，體現(xiàn)巖溶地區(qū)惡劣環(huán)境下灌草植物生物量稀少、人工林人為干擾嚴(yán)重以及以培育喬木層為主目標(biāo)的顯著特點(diǎn)。喬木層中，各個(gè)器官之間的生物量差異較大，達(dá)到了極顯著水平(P<0.01)，從大到小依次排序?yàn)闃涓?樹枝>根蔸>樹葉>側(cè)根>果，與廣西西南巖溶區(qū)12年生茶條木[20]排序一致，與廣西中部巖溶區(qū)4年生頂果木和降香黃檀[19]不完全一致，但均表現(xiàn)為干的生物量最大，體現(xiàn)不同樹種器官生長的差異以及喬木主干明顯的喬木共性特征。

5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層年凈生產(chǎn)力估算為3.50 t·hm-2·a-1，其中喬木層年凈生產(chǎn)力在植被層中最大，為2.81 t·hm-2·a-1，比廣西中部巖溶區(qū)4年生頂果木(3.97 t·hm-2·a-1)和降香黃檀(3.31 t·hm-2·a-1)[19]、廣西西南部巖溶區(qū)12年生茶條木(5.94 t·hm-2·a-1)[20]稍低，但高于廣西東南部11年生紅錐(2.62 t·hm-2·a-1)[21]、廣西北部巖溶區(qū)12年生的臭椿(1.33 t·hm-2·a-1)、榆樹(1.61 t·hm-2·a-1)、冬青(0.94 t·hm-2·a-1)、酸棗(0.60 t·hm-2·a-1)等[22]，由此可見，在環(huán)境條件惡劣的巖溶區(qū)，蘇木具有相對較好的適應(yīng)和生長能力，與黎一鐸[9]、朱積余等[10]研究結(jié)論一致，認(rèn)為蘇木是治理石漠化的良好樹種。

5年生蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)喬木層各器官碳含量介于465.49～504.40 g·kg-1之間，差異不顯著(P>0.05)，從大到小排序依次為樹枝>樹葉>樹干>根兜>果>側(cè)根，與廣西西南部巖溶區(qū)12年生茶條木[20]、廣西中部巖溶區(qū)4年生頂果木和降香黃檀人工林[19]排序不盡一致。喬木層平均碳含量為495.06 g·kg-1，比廣西中巖溶區(qū)4年生頂果木人工林(520.44 g·kg-1)低，較廣西中巖溶區(qū)4年生降香黃檀人工林(466.73 g·kg-1)高[19]，稍高于廣西西南部小于10年幼齡喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)喬木層碳含量(492.57 g·kg-1)[23]；喬木層碳含量同時(shí)高于其林下灌草層和凋落物層，可見蘇木具有較高的碳素含量水平。土壤的碳含量同時(shí)受到當(dāng)?shù)貧夂驐l件、枯落物輸入和腐殖質(zhì)層有機(jī)質(zhì)分解等因素影響[24]，蘇木人工林下0～20 cm土壤層碳素含量為56.13 g·kg-1，遠(yuǎn)高于廣西西南部幼齡喀斯特森林土壤0～20 cm土層碳含量(37.49 g·kg-1)[20]以及湖南西南部喀斯特地區(qū)灌叢生態(tài)系統(tǒng)土壤碳含量(23.08 g·kg-1)[25]，可見蘇木人工林土壤表層具有相對較高的碳素含量水平。蘇木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為135.36 t·hm-2，比廣西西南部幼齡林喀斯特森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量(86.03 t·hm-2)[20]和廣西西南部巖溶區(qū)12年生茶條木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量(72.74 t·hm-2·a-1)[20]高，各組分碳儲(chǔ)量由大到小排序?yàn)橥寥缹?93.7%)>喬木層(5.1%)>凋落物層(0.7%)>灌草層(0.5%)，土壤層是最主要的碳庫。喬木層年凈固碳量達(dá)2.14 t·hm-2·a-1，稍低于廣西西南部巖溶區(qū)12年生茶條木(2.90 t·hm-2·a-1)[20]，大于廣西中部巖溶區(qū)4年生頂果木(2.07 t·hm-2·a-1)和降香黃檀(1.55 t·hm-2·a-1)[19]。蘇木相對于巖溶區(qū)常見綠化植物中具有較高適應(yīng)能力、生長能力和固碳潛力，可考慮作為理想的石漠化治理和碳匯樹種。