小隴山林區(qū)日本落葉松人工林碳匯研究

沈亞洲，劉文楨*，李春蘭，石小龍，王 鴻

(1.甘肅省小隴山林業(yè)實驗局林業(yè)科學研究所；2.甘肅省次生林培育重點實驗室，甘肅 天水 741020)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在調(diào)節(jié)氣候和維持全球碳平衡中發(fā)揮著十分重要作用，森林減緩二氧化碳向大氣的排放越來越得到世界各國的重視[1-4]。森林通過光合作用吸收二氧化碳，以有機物的形式固定碳，除去維持自身正常代謝(呼吸)、動物的啃食、凋落物分解、人為采伐利用和自然災害損失外，固定的碳主要儲藏在現(xiàn)存生物量、凋落物和林地土壤有機質(zhì)中[5]。20世紀60年代中后期，國外學者開始對森林生物量、碳儲量進行了研究[6]，在區(qū)域尺度和國家尺度上對碳儲量的研究取得了顯著成果，Christine等[7]通過利用森林資源清查數(shù)據(jù)對北半球森林碳匯進行了研究，Pete等[8]利用野外定點觀測、數(shù)據(jù)模型和森林資源清查數(shù)據(jù)估算美國森林的碳儲量和固碳率。但隨著對森林生物量與碳儲量的逐步深入研究，國外諸多學者開始著重對某一森林類型生物量與固碳能力的深入研究[9-10]，近年來，隨著3S技術(shù)的應(yīng)用，以標準地實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過模型和3S技術(shù)的結(jié)合，可對森林碳儲量時間和空間尺度分布進行快速估測[11]。我國碳匯研究起步較晚，20世紀末，許多學者開始了森林碳匯研究，對國家尺度森林植被碳貯量和年凈固碳量進行了大量研究[12-15]，但由于受到研究區(qū)森林植被類型、地理區(qū)位、估測方法的不同，研究結(jié)果差異較大。

日本落葉松(Larixkaempferi)原產(chǎn)日本，在世界范圍內(nèi)引種有近150年的歷史，我國最早引種始于1884年[16]，因適應(yīng)性強、生長速度快等優(yōu)勢而得到大面積推廣，已成為中國北方主要造林樹種之一。本文依據(jù)林分生物量、土壤有機質(zhì)含量以及最新二類資源調(diào)查數(shù)據(jù)對甘肅小隴山林區(qū)日本落葉松人工林碳儲量進行測算，以期為今后該林區(qū)日本落葉松人工林可持續(xù)經(jīng)營及人工林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動、碳匯計量研究提供依據(jù)。

1 試驗地概況

小隴山林區(qū)地處秦嶺西段，地理坐標104°23′～106°43′E、33°30′～34°49′N，海拔700～3 300 m。年降水量600～800 mm，多集中于7-9月，相對濕度68%～78%，年均氣溫7～12 ℃，無霜期150～220 d。氣候溫暖濕潤，為我國暖溫帶與北亞熱帶過渡地帶。屬于中深度切割的中山地貌類型，山體陡峭，平均坡度30°左右；山地褐色森林土。1974年引進日本落葉松，到目前為止，該林區(qū)已成林日本落葉松人工林近4萬hm2[17-19]。

2 研究方法

2.1 標準地調(diào)查

在小隴山林區(qū)選擇不同立地、不同林齡的日本落葉松人工林為研究對象，設(shè)置固定標準地33塊，標準地規(guī)格20 m×30 m。同一林齡、同一立地的林分設(shè)置3次重復，為1組標準地(3個)。立地分為好、中、差3個水平，林齡分為6、15、23、35 a等4個水平，并以6 a代表I齡級林分，15 a代表II齡級林分，23 a代表III齡級林分，35 a代表IV齡級林分，推算出小隴山林區(qū)不同林齡日本落葉松人工林碳匯量。標準地位于小隴山林業(yè)科學研究所沙壩實驗基地和小隴山林業(yè)實驗局李子、黨川、龍門、麥積等林場。詳細逐一登記標準地基本信息，包括地理坐標、地形地貌、標準地面積、植被類型、郁閉度、林齡、干擾情況等。標準地內(nèi)每木檢尺，調(diào)查林木胸徑、樹高。在標準地內(nèi)四角和中央各設(shè)置1個灌草植物樣方，共計5個，樣方規(guī)格2 m×2 m，記錄樣方中的植物種類，調(diào)查樣方內(nèi)所有灌木的蓋度、高度和基徑，調(diào)查草本的株樹、平均高度和蓋度等。

2.2 喬木層生物量的測定

依據(jù)林木徑級分布選擇徑級標準木，每組標準地(3個)每個徑級選擇3株標準木。標準地有闊葉樹者，也選擇一定數(shù)量的標準木。標準木地上部分采用“分層切割法”，測定樹干、樹皮、樹枝、樹葉鮮重；地下部分采用全根挖掘法(挖掘深度視標準木根系生長情況而定，以挖出全部根系為標準，一般為深1～1.5 m，最深2 m)測定根系鮮重。標準木樹干、樹皮、樹枝、樹葉、根系分別采集樣品1 000 g(鮮重)。樣品在烘箱105 ℃下殺青30 min，保持80 ℃干燥至恒重，測定含水率，然后依此推算標準木各組分干重，各組分干重相加即為標準木生物量，依據(jù)標準木生物量采用斷面積法推算林分喬木生物量。

2.3 林下植被生物量的測定

灌木和草本生物量的測定采用樣方收獲法。將樣方內(nèi)所有灌木和不夠起測胸徑的幼樹地上部分全部收獲，并挖取根，莖、枝、葉、根等器官分別稱重，分別采集樣品500 g。草本分地上部分和地下部分全部收獲，分別取樣200 g。將所有樣品帶回實驗室，在烘箱內(nèi)80 ℃干燥至恒重，測定含水率，然后依此推算出單位面積灌木、草本生物量，并依其推算林分灌木、草本生物量。

2.4 林下凋落物現(xiàn)存量的測定

采用樣方法測定林下凋落物現(xiàn)存量。標準地中按未分解層和半分解層采集林下凋落物樣品500 g(6 a林分凋落物層稀薄，未分層)，烘干稱重，磨碎過篩備用。計算林下凋落物現(xiàn)存量貯存密度(Mg·hm-2)。

2.5 生物量計算

根據(jù)標準木生物量推算標準地各徑級的生物量，各徑級生物量相加得標準地喬木層生物量。根據(jù)樣方灌木草本生物量平均值推算出標準地灌木、草本生物量。標準地喬木、灌木、草本生物量相加得標準地植被層總生物量，進而推算出林分單位面積生物量。

2.6 土壤理化性質(zhì)的測定及樣品采集

標準地內(nèi)選取9個采樣點，分0～10、10～20及20～40 cm分層采集土壤樣品，取樣后混合土樣帶回實驗室后采用9點取樣法( 將樣品攤成圓餅，餅上劃雙圓和四分線，8個交叉點和圓心各取樣得混合樣)取土壤樣品。

2.7 樣品碳含量的測定

在進行生物量樣品采集的同時，分別對落葉松各器官、灌木、草本進行取樣，樣品烘箱中105 ℃殺青30 min，風干，風干樣品磨碎過篩，和林下凋落物及土壤樣品一同送中國科學院植物研究所植被與環(huán)境變化重點實驗室，采用重鉻酸鉀和硫酸(K2Cr2O7-H2SO4)氧化法測定植物風干樣品碳含量，采用重絡(luò)酸鉀—水合加熱法測定土壤樣品碳含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被層生物量

以根據(jù)生物量測定數(shù)據(jù)計算得出的各齡級葉、皮、枝、干、根生物量密度(t·hm-2)，灌木層葉、干、根生物量密度(t·hm-2)，草木地上、下生物量密度(t·hm-2)(表1)可看出，林分喬木層生物量占比最大，其次為灌木層，草本層占比最小。

表1 小隴山林區(qū)日本落葉松人工林不同林齡各組分生物量密度表

3.2 不同林齡日本落葉松人工林植被層碳儲量

3.2.1 植被層不同組分含碳率 從植被層不同組分含碳率測定結(jié)果(表2)可以看出，不同林不同生活型植物及其不同器官的碳含量不同，一般是地上部高于地下部，喬木層高于灌木層，灌木層高于草本層。

表2 不同林齡不同組分含碳率 單位：g·kg-1

3.2.2 植被層碳密度 應(yīng)用不同林齡日本落葉松人工林不同組分生物量數(shù)據(jù)及含碳率計算出不同林齡日本落葉松人工林儲碳密度，如圖1。從圖1分析得知，6、15、23、35 a林分總儲碳密度分別為4.79、33.07、44.42、61.35 t·hm-2，隨著林齡的增加，林分總儲碳密度和喬木層儲碳密度逐步增加，而灌木層和草本層儲碳密度表現(xiàn)為不規(guī)則的波浪型變化，灌木層儲碳密度由低到高的順序依次為6、23、35、15 a。草本層儲碳密度由低到高的順序依次為15、35、23、6 a。在年均儲碳密度方面，隨著林齡的增加，日本落葉松林分年均儲碳密度呈現(xiàn)先升高再降低的拋物線型趨勢，喬木層年均儲碳密度隨著林齡的變化趨勢與林分一致，年均儲碳密度由低到高的順序依次為6、35、23、15 a。灌木層年均儲碳密度隨著林齡的增加逐步降低，年均儲碳密度由低到高的順序依次為35、23、15、6 a。草本層年均儲碳密度的變化趨勢與灌木層基本一致，年均儲碳密度由低到高的順序依次為35、15、23、6 a。

圖1 不同林齡日本落葉松人工林植被層碳密度

3.3 不同林齡日本落葉松人工林林下凋落物儲碳密度

根據(jù)林下凋落物調(diào)查數(shù)據(jù)及樣品分析結(jié)果計算，不同林齡日本落葉松人工林林下凋落物儲存密度及儲碳密度如表3。從表3得知，6、15、23、35 a日本落葉松人工林林下凋落物貯存密度分別為2.37、8.34、12.26、5.82 t·hm-2；15、23、35 a日本落葉松人工林凋落物中未分解層分別占總量的59.5%、53.4%、60.6%，未分解層凋落物現(xiàn)存量高于半分解層。這是由于日本落葉松人工林為純林，凋落物主要是針葉，分解速度較慢，因而未分解層所占比例較高。

表3 林下凋落物層儲碳密度

6、15、23、35 a日本落葉松人工林林下凋落物儲碳密度分別為0.859 8、2.008 3、5.212 8、2.240 1 t·hm-2，林下凋落物層碳儲量占比呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這是由于隨著林分生長，林分凋落物質(zhì)量逐年增加。所以地被凋落物層碳儲量占比逐步增加，而到了近熟林(35 a)階段，由于撫育間伐，林分郁閉度降低，中下層出現(xiàn)了闊葉樹。林下灌木草本大量生長，使得凋落物組成發(fā)生變化，加之林分郁閉度降低導致林下光熱條件的改善，加速了凋落物分解。

3.4 不同林齡日本落葉松人工林土壤層有機碳儲碳密度

依據(jù)土壤容重及土壤含碳率測定數(shù)據(jù)計算不同林齡日本落葉松人工林土壤儲碳密度，結(jié)果如表4。從表4分析得知，6、15、23、35 a日本落葉松人工林0～40 cm土壤儲碳密度分別為68.08、122.63、108.39、154.33 t·hm-2，土壤儲碳密度隨著林齡的增加總體表現(xiàn)出“N”字形變化，即先升高、后降低、又升高的變化趨勢。

表4 土壤層儲碳密度

3.5 小隴山日本落葉松人工林碳儲量

根據(jù)小隴山林區(qū)最新二類資源數(shù)據(jù)，小隴山林區(qū)日本落葉松人工林面積為38 644.23 hm2，其中幼齡林33 369.46 hm2[I齡級(≤10 a)林32 801.94 hm2，II齡級(11～20 a)林567.5 hm2]，中齡林4 648.2 hm2[III齡級(21～30 a)]，近熟林626.6 hm2[IV齡級(30～40 a)][20]。依據(jù)不同林齡段林分土壤、林下凋落物、喬木層、灌木層、草本層碳儲密度推算出小隴山林區(qū)不同林齡日本落葉松人工林碳匯量見表5、表6。從表5分析得知，小隴山林區(qū)日本落葉松人工林總碳儲量為3 380 539.3 t，單位面積碳儲量為87.5 t·hm-2。土壤、林下凋落物、喬木層、灌木層、草本層碳儲量分別為2 902 920.3、56 816.6 、388 531.5、24 721.0、7 549.9 t，分別占總碳儲量的85.9%、11.5%、1.7%、0.7%、0.2%。按林齡分，日本落葉松幼齡林、中齡林、近熟林碳儲量分別為2 509 492.7、734 499.6、136 547.0 t。分別占總碳儲量的74.2%、21.7%、4.1%。本林區(qū)日本落葉松人工林碳儲量的74.2%儲存在幼齡林(I、II齡級)中。

表5 不同林齡日本落葉松人工林儲碳密度齡組

表6 不同林齡日本落葉松人工林面積及碳匯量

4 結(jié)果及討論

(1) 小隴山林區(qū)日本落葉松人工林6、15、23、35 a林分總儲碳密度分別為4.79、33.07、44.42、61.35 t·hm-2，隨著林齡的增加，林分總儲碳密度和喬木層儲碳密度逐步增加，而灌木層儲碳密度和草本層儲碳密度表現(xiàn)為不規(guī)則的波浪型變化，灌木層儲碳密度由低到高的順序依次為6、23、35、15 a。草本層儲碳密度由低到高的順序依次為15、35、23、6 a；林分和喬木層年均儲碳密度呈現(xiàn)先升高再降低的拋物線型趨勢，年均儲碳密度由低到高的順序依次為6、35、23、15 a；灌木層和草本層儲碳密度占比逐步降低；喬木層枝和葉的儲碳密度占比都呈逐步降低的趨勢，皮和根儲碳密度占比基本保持不變；干占比逐步增加，植被層碳匯主要累積在樹干里面。

(2)小隴山林區(qū)6、15、23、35 a日本落葉松人工林0～40 cm土壤儲碳密度分別為68.08、122.63、108.39、154.33 t·hm-2，呈現(xiàn)幼齡林階段(≤20 a)升高、中齡林階段(21～30 a)降低、近熟林林階段(31～40 a)又升高的變化趨勢。幼齡林土壤儲碳密度偏低可能與造林地清理方式有關(guān)，造林前對林地全面割灌并火燒清理，移走了大量的養(yǎng)分，也破壞了表層土壤結(jié)構(gòu)，導致幼齡林土壤儲碳密度較低。隨著林齡的增加，土壤碳含量逐步增加。到了中齡林階段，隨著林齡增長，落葉松生長對養(yǎng)分的需要增加，林分郁閉度較大，凋落物分解速度減緩，凋落量大于分解量，導致中齡林階段林地土壤儲碳密度低于中齡林。近熟林階段林分一般都經(jīng)過多次間伐，林分郁閉度降低，光照增強，土壤微生物活躍，加速了枯枝落葉分解，使得土壤碳含量提高。

(3)小隴山林區(qū)日本落葉松人工林總碳儲量3 380 539.3 t，平均碳儲量87.5 t·hm-2。土壤、林下凋落物、喬木層、灌木層、草本層碳儲量分別為2 902 920.3、56 816.6、388 531.5、24 721.0、7 549.9 t，分別占總碳儲量的85.9%、11.5%、1.7%、0.7%、0.2%。表明土壤是本林區(qū)日本落葉松人工林最大的碳庫，喬木層是地上最大的碳庫。這種碳儲量在生態(tài)系統(tǒng)中的分配方式，為生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了物質(zhì)基礎(chǔ)．相對而言，地上植被層碳匯更加容易受到外界的干擾(自然災害、人為砍伐)而向大氣中釋放，而土壤碳庫由于環(huán)境相對穩(wěn)定，不易受到外界干擾，具有較強的穩(wěn)定性，更容易在生態(tài)系統(tǒng)中長期保存。這與宋婭麗等對于山西太岳山不同林齡油松林碳儲量研究結(jié)果較為一致，充分體現(xiàn)了森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量在垂直空間分配策略上的差異[21]。

(4)按林齡分，本林區(qū)日本落葉松幼齡林、中齡林、近熟林碳儲量分別為2 509 492.7、734 499.6、136 547.0 t，分別占總碳儲量的74.2%、21.7%、4.1%，本林區(qū)日本落葉松人工林碳儲量的70%以上儲存在幼齡林當中，且本林區(qū)日本落葉松人工林幼齡林占總面積的75.2%，幼齡林碳儲密度僅為中齡林碳儲密度的47.6%，近熟林碳儲密度的34.5%，預示本林區(qū)日本落葉松人工林碳儲量后期增長潛力巨大，在森林經(jīng)營方面，應(yīng)加強對中幼齡林的培育經(jīng)營，不斷提升日本落葉松人工林森林質(zhì)量，以期獲得更大的碳儲量，更好地發(fā)揮其生態(tài)效益、社會效益和經(jīng)濟效益。