燕山南麓不同林齡板栗林碳儲量及分配格局

張凌愷，王 妍，趙艷霞，鄭振華，沈會濤

（1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650224；2.河北省科學(xué)院 地理科學(xué)研究所/河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050011）

人類活動導(dǎo)致的全球氣候變化，嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)碳平衡［1］，實施固碳減排來緩解氣候變暖已成為國際社會的共識［2-4］。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，植被地上和地下之間的碳分配過程受氣候因素、立地條件、森林類型、森林經(jīng)營管理、林齡結(jié)構(gòu)等因素的影響［5-6］，尤其是樹種和林齡對估算區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量尤為重要［7-9］。近年來，在區(qū)域尺度上對不同樹種、不同林齡人工林碳儲量及其分配特征開展了大量研究，如紅云杉（Picea rubens）［8］、黃松（Pinus ponderosa）［9］、日本落葉松（Larix kaempferi）［10］、油松（Pinus tabuliformis）［11］等。已有結(jié)果表明，人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及植被碳儲量隨林齡增長呈增加趨勢［12-13］。而對于土壤碳儲量，隨演替進(jìn)行，表現(xiàn)為碳積累［14-15］、不變［16］或先減少后增加［17］的變化過程。

根據(jù)第九次全國森林資源清查結(jié)果，我國現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)林面積2 094.2萬hm2，占全國林地森林面積的9.6%［18］。經(jīng)濟(jì)林在積極發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的同時，對支撐生態(tài)環(huán)境等方面的作用也不容忽視。已有學(xué)者針對不同種植年限的水果類經(jīng)濟(jì)林碳庫變化特征開展了研究，如甘卓亭等［19］對蘋果（Malus domestica）園不同林齡的土壤碳庫變化規(guī)律進(jìn)行了分析，徐超［20］對不同種植年限的庫爾勒香梨（Pyrus brestschneideri）園土壤有機碳儲量進(jìn)行了研究，沈會濤等［13］研究了不同林齡杏樹（Armeniaca vulgaris）林碳儲量及其分配特征，而對干果類經(jīng)濟(jì)林碳儲量在時間序列上的變化鮮有報道。本研究利用空間代替時間的方法，選擇燕山南麓不同林齡階段的板栗（Castanea mollissima）人工林為研究對象，通過野外調(diào)查與室內(nèi)實驗相結(jié)合的方法，測定板栗林不同組分和土壤層的碳含量，研究碳儲量及分配特征隨林齡的變化規(guī)律，既可豐富我國經(jīng)果林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量研究，也可為區(qū)域尺度精確測算經(jīng)果林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省遷西縣北部的漢兒莊鄉(xiāng)，地處燕山沉降帶東段南緣的低山丘陵區(qū)，以中低山、高丘為主。氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶櫟募撅L(fēng)氣候，季節(jié)特征明顯。年均氣溫為10.1 ℃，最熱月7月和最冷月1月的月均氣溫分別為25 ℃和-7.8 ℃。年均降水量為804.2 mm，降水主要集中在夏季，占全年降水總量的75%。該區(qū)土壤層較厚約100～120 cm，以褐土為主，有機質(zhì)含量高，透氣性和透水性好，自然肥力高，為板栗生長提供了絕佳的條件［21］。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 野外調(diào)查于2018年10月進(jìn)行。根據(jù)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門提供的資料，并結(jié)合野外踏查，研究區(qū)內(nèi)板栗林林齡大多介于3～18年之間?；诖耍狙芯窟x取立地條件基本一致、不同栽植年代（4，8，12和16年）的板栗林為研究對象，每個林齡各隨機設(shè)置3個喬木樣地（20 m ×20 m）。測定樣地內(nèi)各株板栗的基徑（樹高1.3 m以下長出樹杈，胸徑無法測量）、樹高等特征，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，基本特征見表1。

表1 不同林齡板栗林基本特征Table 1 General information of chestnut plantation stands

1.2.2 野外調(diào)查與碳含量測定 生物量測定及采樣：根據(jù)每木檢尺數(shù)據(jù)，在每塊樣地周圍選擇與平均基徑和樹高接近的標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行生物量測定。每個林齡選擇3株板栗標(biāo)準(zhǔn)木，共12株，分別稱重干、枝、葉鮮生物量（采樣期內(nèi)，當(dāng)?shù)亓洲r(nóng)已對果實進(jìn)行收獲，因此本研究數(shù)據(jù)不含此部分）；采用全挖法獲取根系生物量，但不包含＜ 5 mm樹根部分［22］。同時取部分樣品帶回實驗室，在85 ℃下烘干至恒重，并測定其含水率，換算干重生物量。由于板栗樹樹高受人為剪枝等影響，本研究采用基于基徑（D）為自變量的冪函數(shù)模型［23］，計算喬木層各器官生物量（表2），進(jìn)而推算整個樣地林木的生物量。此外，4年板栗林間作玉米，調(diào)研期內(nèi)已完成收獲并翻耕；8、12和16年板栗林在管理過程中受采摘、除草和翻耕等人為影響，樣地內(nèi)草本層和枯落物層較少，所以均未進(jìn)行采樣。

表2 板栗單株生物量方程Table 2 Biomass estimation equations for chestnut trees

土壤層采樣：在樣地內(nèi)，隨機挖掘3個土壤剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～100 cm分層采用環(huán)刀法測定土壤容重；每層獲取土壤樣品約300 g，帶回實驗室，在室溫自然風(fēng)干，用于土壤碳含量測定［4］。

碳含量測定：將烘干的植物樣品和風(fēng)干的土壤樣品粉碎，并過土壤篩（60目），進(jìn)行碳含量測定。有機碳含量均采用重鉻酸鉀氧化外加熱法［24］。

1.2.3 碳儲量計算

喬木層碳儲量［13］計算公式：

式中：TAOC為喬木層總有機碳儲量（Mg/hm2）；Ci為不同組分（樹根、樹干、樹枝和樹葉）有機碳含量（Mg/Mg）；Bi為對應(yīng)部分碳生物量(Mg/hm2)［13］。

通過以下公式計算土壤有機碳儲量［11］：

式中：TSOC為土壤層總碳儲量（Mg/hm2）；SOCi為第i土 層有機碳 含量（g/kg）；Di為第i層土層厚度（cm）；BDi為第i層土壤平均容重(g/cm3)；Ri為第i層土壤中直徑≥2 mm礫石所占體積百分比（%）［11］。

生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量是喬木層和土壤層碳儲量之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單因素（one-way ANOVA）和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較（α= 0.05）；利用Excel 2010進(jìn)行作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 喬木層碳儲量分配格局

2.1.1 喬木層碳含量 不同林齡板栗林不同組分碳含量在429.6～465.4 g/kg（圖1）。樹干碳含量隨著林齡的增長呈減小趨勢，4 年樹干碳含量顯著高于16年林齡（P＜0.05）。林齡對樹根、樹枝和樹葉的碳含量的影響差異不顯著：隨林齡的增長，樹根和樹葉碳含量呈增加趨勢；樹枝碳含量則呈減小趨勢。樹干平均碳含量最高，樹根最低，大小順序為：樹枝（456.3 g/kg）＞樹干（456.0 g/kg）＞樹葉（438.1 g/kg）＞樹根（434.3 g/kg）。

圖1 不同林齡板栗林喬木層各組分碳含量Fig.1 Carbon contents in different organs of chestnut plantations at different stand ages

2.1.2 喬木層碳儲量 4、8、12和16年板栗林喬木層生物量分別是0.60±0.12、8.55±1.64、18.11±1.64和21.09±2.36 Mg/hm2（表3）。隨林齡增長，樹根、樹枝和樹葉生物量分配比例呈減少趨勢，樹干生物量則呈增加趨勢（圖2）。

圖2 不同林齡板栗林喬木層不同組分生物量的分配比例Fig. 2 Biomass allocation of different organs in arbor layer of chestnut plantations at different stand ages

喬木層不同組分碳儲量隨林齡的增長而顯著增加（P＜0.05）（表3）。4、8、12和16年板栗林喬木層碳儲量分別是（0.27 ± 0.05）、（3.83 ± 0.68）、（8.09 ± 0.79）和（8.95 ± 1.17） Mg/hm2。除4年板栗林外，其他林齡不同組分碳儲量排序為樹干（42.5%～50.2%）＞樹 根（25.5%～28.9%）＞樹枝（12.9%～21.9%）＞樹葉（8.1%～9.9%）。林齡對喬木層不同組分碳儲量分配比例有顯著影響，樹根和樹葉碳儲量分配比例從4年的39.8%和15.9%分別下降到28.9%和8.2%；樹干的變化趨勢正好相反，其碳儲量所占比例由4年的31.3%增加到16年的50.0%；樹枝碳儲量分配比例隨林齡增加未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

表3 不同林齡板栗林各組分的生物量和碳儲量（平均值± 標(biāo)準(zhǔn)偏差）Table 3 Biomass and carbon storage of various components of chestnut plantations at different stand ages Mg/hm2

2.2 土壤層碳儲量分配格局

2.2.1 土壤層碳含量 從圖3可以看出，不同林齡板栗林土壤層碳含量在1.42～8.16 g/kg。除20～40 cm土層外，不同林齡各土層碳含量差異顯著（P＜0.05）。由于4年板栗林間作玉米，受人為干擾（施肥、翻耕等）影響較大，0～100 cm土壤層碳含量高于8和12 年板栗林；8、12和16年板栗林各土層碳含量隨林齡的增長呈增加趨勢。從土壤層有機碳含量的垂直分布來看，表層（0～20 cm）土壤碳含量顯著高于下層土壤，并隨著土層深度的增加土壤碳含量呈下降趨勢，但不同土壤層碳含量差異逐漸降低。

圖3 不同林齡板栗林各土壤層有機碳含量Fig.3 Soil organic carbon contents in different soil layers of chestnut plantations at different stand ages

2.2.2 土壤層碳儲量 4、8、12和16年板栗林各土壤層碳儲量呈先減少在增加的趨勢（圖4），主要是由于4年板栗林間作農(nóng)作物，施肥、翻耕等人類活動造成土壤有機碳含量增加，從而導(dǎo)致土壤層碳儲量也較大。除20～40 cm土層外，各土壤層碳儲量在不同林齡間差異顯著（P＜0.05）。土層深度對不同林齡板栗林土壤碳儲量影響顯著；不同林齡土壤碳儲量隨土層深度增加表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，40～60 cm土層碳儲量最低。0～40 cm土層碳儲量占0～100 cm土層總碳儲量的55.2%～66.4%，對土壤總碳儲量的貢獻(xiàn)較大。

圖4 不同林齡板栗林各土壤層碳儲量Fig.4 Soil carbon storage in chestnut plantations at different stand ages

2.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分配格局

不同林齡板栗林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量在49.523～67.528 Mg/hm2（表4），板栗林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量受林齡影響顯著（P＜0.05）。喬木層碳儲量隨林齡增長呈增加趨勢；土壤層碳儲量則呈先減少后增加趨勢。4、8、12和16年板栗林喬木層碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的比例依次是0.4%、7.7%、13.8%和13.3%，隨林齡的增長而增大；板栗林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要集中在土壤層（86.2%～99.6%），隨著林齡的增加土壤層碳儲量分配比例呈逐漸降低趨勢，分配比例與隨林齡的變化特征與喬木層相反。

表4 板栗林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分配格局Table 4 Carbon storage and allocation pattern in chestnut plantation ecosystem Mg/hm2

3 討論

3.1 喬木層碳儲量

樹齡是影響人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化的重要因素［7,10］，已有研究表明，在寒溫帶［4］、溫帶［25］、亞熱帶［26］和熱帶［27］地區(qū)的人工林生態(tài)系統(tǒng)中，植被碳儲量隨林齡增長增加的趨勢普遍存在。本研究中，隨林齡增長，板栗林喬木層碳儲量呈顯著增加趨勢（P＜0.05），4、8、12和16年板栗林喬木層碳儲量分別為0.60、8.55、18.11和21.09 Mg/hm2，與黃土丘陵區(qū)刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林（9～17年）喬木層碳儲量（11.7～12.9 Mg/hm2）［24］及岷江干旱河谷岷江柏（Cupressus chengiana）人 工 林（4～13年）喬 木 層 碳 儲 量（0.163～14.01 Mg/hm2）［28］相近。與其他經(jīng)果林碳儲量相比，本研究中8年板栗林喬木層碳儲量（8.55 Mg/hm2）高于福建7年柑橘（Citrus reticulata）園喬木層碳儲量（4.75 Mg/hm2）［29］，但低于上海7年柑橘園喬木層碳儲量（23.54 Mg/hm2）和桃園喬木層碳儲量（15.91 Mg/hm2）［30］。這種差異不僅受樹種組成、林齡等生物因素的影響，還受區(qū)域氣候、光照條件及森林管理等非生物因素的制約［7］。此外，板栗林在其生長過程中，碳循環(huán)過程受經(jīng)營管理（間作、間伐、除草、修剪和果實收獲等）的影響，雜草、枯落物和果實被帶走［31］，導(dǎo)致本研究結(jié)果低于實際碳儲量。此外，4～16年板栗林喬木層各組分碳儲量分配比例隨林齡增長而變化。4年板栗林樹根碳儲量占喬木層碳儲量的39.8 %；而8、12和16年板栗林樹干碳儲量占喬木層碳儲量分別達(dá)到了42.5 %、50.2 %和50.0 %，與其他器官相比，均達(dá)到了極顯著性差異。艾澤民等［24］、胡亞林等［32］研究結(jié)果均表明，人工林喬木層碳儲量以樹干所占比例最多。喬木層不同組分碳儲量分配比例變化可以歸因于樹木個體生長規(guī)律的差異性，是樹木個體及與環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果［13］。

3.2 土壤層碳儲量

土壤碳儲量隨林齡的變化具有不確定性，受氣候條件、植被覆蓋、地形特征、人類活動等多種因素制約［33］。本研究中，土壤碳儲量隨林齡的增長表現(xiàn)為先降低再增加的變化趨勢，主要原因是4年板栗林因樹體較小，無果業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，間作（玉米）是該階段提高經(jīng)果林收入主要途徑；與其他林齡相比，4年板栗林的土地利用方式處于果（樹）、農(nóng)（作物）二元利用型階段，施肥、翻耕等人類活動造成碳輸入較大，土壤層碳儲量較高。進(jìn)入掛果期后，植被冠幅增大，林內(nèi)停止間作農(nóng)作物，外源性碳輸入減少，造成土壤層碳儲量降低；隨著林齡增加，林內(nèi)凋落物、根系等腐爛等進(jìn)入土壤，表現(xiàn)為碳積累過程。此外，相比于深層土壤，表層土壤更容易受到干擾等因素的影響［4,16］，故其變異也更大。因此，在討論隨林齡增長土壤碳儲量的變化格局時，原有的土地利用方式是一個重要因素［4］。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及分配

本研究中，板栗林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量變化范圍為49.523～67.528 Mg/hm2；人工管理措施下，隨林齡增長，板栗林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量表現(xiàn)出先下降后增加的趨勢。而對格木（Erythrophleum fordii）［12］、刺槐［24］和岷江柏［29］等人工林的研究表明，生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量隨林齡增長呈增加趨勢；秦嶺南坡東段油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨林齡的增長呈先增加后下降的趨勢［11］。這說明在不同的研究區(qū)，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量不僅受不同生長階段個體生長發(fā)育的影響，同時受氣候條件以及經(jīng)營管理方式的影響［14,34］。板栗林喬木層碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的0.4%～13.3%，隨林齡的增長，分配比例呈增加趨勢，而土壤層碳儲量分配比例呈降低趨勢［13］，土壤碳儲量遠(yuǎn)高于植被層碳儲量，這與花椒 林（Zanthoxylum bungeanum）［7］、馬 尾 松 林（P.massoniana）［34］和油茶林（Camellia oleifera）［35］等人工林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果一致。

林分密度是決定林分結(jié)構(gòu)的重要因素，已有研究表明，植被碳儲量隨林分密度增加、減少、無顯著差異三種變化趨勢，產(chǎn)生差異的原因可能是與研究林分密度的范圍、調(diào)查樣本的數(shù)量、時間跨度等有關(guān)［36］。但對于研究區(qū)域的板栗林而言，林農(nóng)在其經(jīng)營過程中，林分密度控制在當(dāng)下林齡所能適應(yīng)的最適林分密度范圍，因此無法判斷林分密度對碳儲量變化規(guī)律的影響，只有選擇相同林齡由低到高多種密度的林分進(jìn)行對比才會得到較完整的規(guī)律［37］。

4 結(jié)論

（1）板栗林喬木層不同組分碳含量在429.6～465.4 g/kg之間；不同林齡樹干碳含量之間有顯著差異（P＜0.05）；不同林齡樹根、樹枝和樹葉碳含量無明顯差異。在人工經(jīng)營措施下，隨林齡的增長，土壤層（0～100 cm）碳含量呈先降低后升高的變化趨勢，并且隨土壤深度的增加而降低。

（2）板栗林喬木層碳儲量隨林齡的增長呈顯著增加趨勢（P＜0.05）；在不同管理措施下，4、8、12和16年板栗林土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量均呈先降低后增加趨勢；土壤層碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的86.2%～99.6%，是板栗林生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫。