武陵石漠化山地林分有機(jī)碳密度分布特征研究

吳 敏， 陳 瑞， 李 貴， 劉振華， 童 琪， 童方平

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004； 2.湖南省優(yōu)質(zhì)用材工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 410004；3.貴州省植物園， 貴州 貴陽 550004)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是最大的陸地碳庫，約占全球陸地總碳庫的46%，在全球碳循環(huán)和減緩氣候變暖中起著重要作用[1-4]。 碳密度是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的重要指標(biāo)之一[5-6]，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤碳密度的研究，一直是森林生態(tài)碳循環(huán)的主要研究內(nèi)容之一[7]。合理的樹種選擇、配置、密度控制、經(jīng)營措施及科學(xué)的森林管理能夠有效提高森林的碳密度[8-9]。

在通過恢復(fù)森林植被來解決碳平衡的實(shí)踐中，石漠化區(qū)植被的恢復(fù),對(duì)水土流失等生態(tài)環(huán)境問題的改善效果顯著，意義重大[10]。在我國南方喀斯特地區(qū)正在實(shí)施的喀斯特石漠化綜合治理生態(tài)修復(fù)工程，就是一種通過人為干預(yù)手段恢復(fù)植被，減少土壤侵蝕，促進(jìn)碳匯的過程。本文以湖南省龍山、桑植石漠化山地為代表的武陵石漠化山地為例，選取喀斯特石漠化綜合治理區(qū)的9種典型林分，研究其有機(jī)碳密度空間分布特征，并探討武陵石漠化山地植被恢復(fù)區(qū)域林分有機(jī)碳密度的主要影響因子，為石漠化山地植被恢復(fù)及經(jīng)營管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省武陵石漠化山地區(qū)域——張家界市桑植縣、龍山縣境內(nèi)，屬于中亞內(nèi)陸季風(fēng)氣候區(qū)，降雨豐沛，海拔400～1 200 m，多年平均氣溫15.4～16.6 ℃；土壤以山地黃棕壤、石灰土為主；林分多為亞熱帶針闊混交次生林。桑植西界國有林場林分主要為杉木、馬尾松、楓香、刺楸、樟樹、麻櫟等的混交林；龍山萬寶山國有林場林分主要為馬褂木、燈臺(tái)樹、楓香、藍(lán)果樹、杉木等的混交林。

2 研究方法

2.1 林分生長調(diào)查

2020年9—10月在對(duì)不同林分踏查的基礎(chǔ)上，在每種試驗(yàn)林內(nèi)設(shè)置3塊30 m×30 m的樣地，樣地間隔1 000 m以上。對(duì)樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木檢尺，測量胸徑、樹高、枝下高等指標(biāo)，計(jì)算各樣地平均胸徑、平均樹高、平均枝下高作為標(biāo)準(zhǔn)木的選擇依據(jù)。各樣地林分生長情況見表1。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic situation of the study forest林分模式林齡/a海拔/m石漠化等級(jí)林分密度/(株·hm-2)組成樹種各樹種密度/(株·hm-2)平均胸徑/cm平均樹高/m平均枝下高/m生長評(píng)價(jià)柏木19514.72±1.2310.56±0.932.72±0.57良4杉木3柏木3馬褂木(M1)36810～813輕度645杉木25510.85±2.897.82±0.883.91±0.66差馬褂木19514.23±1.1510.67±0.965.33±0.59良馬尾松49518.87±2.2112.26±1.036.26±0.65好7馬尾松1杉木1柏木1杜仲(M2)31615～626中度720杉木7511.75±1.698.00±0.864.25±1.34差柏木7517.15±2.5510.00±1.342.75±1.07良杜仲7510.00±2.097.00±0.692.50±1.01差杉木43510.92±1.797.58±0.874.33±0.67差4杉木4馬尾松1柏木1杜仲(M3)31635～646中度1 080馬尾松43516.70±1.8311.81±1.236.00±0.59好杜仲10513.81±1.819.00±0.885.17±0.27良柏木10513.40±1.6810.00±1.134.50±0.57良柏木1358.57±1.877.67±0.792.86±0.33差黃樟39013.25±2.159.84±0.774.44±0.37良響葉楊1358.04±2.097.20±0.974.00±0.51差2馬尾松1柏木3黃樟4其他闊葉樹(M4)31406～413中度1 320青岡13512.33±1.898.83±1.073.58±0.36良馬尾松25516.08±1.639.13±1.124.31±0.51良杜仲1357.47±1.577.00±0.953.50±0.37差刺槐13511.83±1.679.00±0.984.17±0.69良

續(xù)表1 樣地基本情況Continued Tab.1 Basic situation of the study forest林分模式林齡/a海拔/m石漠化等級(jí)林分密度/(株·hm-2)組成樹種各樹種密度/(株·hm-2)平均胸徑/cm平均樹高/m平均枝下高/m生長評(píng)價(jià)楓香6756.60±1.786.88±0.831.23±0.37好5楓香4馬褂木1藍(lán)果樹(M5)121 126～1 137重度1 275馬褂木5557.29±1.917.24±1.081.04±0.51好藍(lán)果樹456.25±0.996.20±0.692.20±0.57好楓香(M6)121 109～1 116重度855楓香8557.37±1.386.83±0.851.63±0.53良燈臺(tái)樹1958.86±1.816.93±0.672.45±0.68好馬褂木22510.69±2.538.23±1.052.24±0.39好3燈臺(tái)樹3馬褂木4其它闊葉樹(M7)121 100～1 109重度645香果樹1057.85±0.896.33±0.492.63±0.51好漆樹759.23±1.574.50±0.331.77±0.43良落葉松4516.25±1.639.20±1.152.05±0.55好藍(lán)果樹1 1259.23±1.198.52±0.932.52±0.49好3杉木6藍(lán)果樹1燈臺(tái)樹(M8)121 096～1 106輕度1 575杉木42011.47±1.679.40±0.992.03±0.71好燈臺(tái)樹307.70±0.886.50±0.591.81±0.87好藍(lán)果樹9309.55±0.877.60±0.983.11±0.46好1杉木8藍(lán)果樹1闊葉樹(M9)121 145～1 153輕度1 140杉木12010.00±1.757.70±1.014.70±0.77好楓香4510.19±1.888.25±0.793.01±0.69好馬褂木4519.90±2.6313.25±1.133.75±0.85好

2.2 喬木層生物量調(diào)查

根據(jù)各樣地每木檢尺的結(jié)果，在林分組成樹種中各選取標(biāo)準(zhǔn)木1株。伐倒后測定根、干、枝、葉的鮮質(zhì)量。取根、干、枝、葉各3份，每份取樣500 g左右，帶回實(shí)驗(yàn)室于105 ℃的烘箱中殺青1 h后，65 ℃烘至恒質(zhì)量，根據(jù)樣品鮮質(zhì)量和干質(zhì)量計(jì)算干濕比，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)木各器官鮮質(zhì)量折算出各標(biāo)準(zhǔn)木各器官生物量和總生物量，再根據(jù)林分密度和樹種組成計(jì)算不同林分單位面積生物量。

2.3 含碳率測定與碳密度計(jì)算

將各樹種根、干、枝、葉樣品置于烘箱中，于105 ℃下烘干至恒質(zhì)量。將風(fēng)干的樣品磨細(xì)后過2 mm篩。用元素分析儀進(jìn)行含碳率測定。根據(jù)含碳率和對(duì)應(yīng)的生物量數(shù)據(jù)計(jì)算得出相應(yīng)的碳密度，碳密度為含碳率與生物量的乘積。

采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定土壤有機(jī)碳含量。土壤有機(jī)碳密度的計(jì)算基于各土層碳含量、土壤容重、土層厚度，土壤碳密度(DSOC(t·hm-2))計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ci為土壤碳含量(g·kg-1)；Di為土壤容重(g·cm-3)；Ei土層厚度(cm)；Gi為直徑>2mm的石礫所占體積百分比(%)；k為土層數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2013、SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同模式林分生物量與碳密度

3.1.1 主要樹種各器官含碳率 對(duì)武陵石漠化山地幾種主要樹種含碳率的分析結(jié)果(表2)顯示：各樹種各器官含碳率介于39.87%～43.38%之間，楓香的枝含碳率最低，僅為39.87%；黃樟的根含碳率最高，為43.38%。除楓香、杜仲、燈臺(tái)樹、馬褂木外，其他樹種各器官的含碳率無顯著性差異。杉木、黃樟全株加權(quán)平均有機(jī)含碳率顯著高于其他樹種的，分別為43.02%、42.93%。馬褂木、楓香、杜仲的全株加權(quán)平均含碳率較低，分別為40.19%、40.60%、40.39%。

表2 主要樹種各器官含碳率Tab.2 Organic carbon content of main tree species%樹種含碳率根干枝葉全株加權(quán)平均 杉木43.07±0.17 ab43.01±0.11 a42.44±0.16 a43.03±0.21 a43.02±0.29 a馬尾松42.45±0.22 b41.69±0.04 bc41.87±0.21 b41.72±0.08 b41.89±0.15 bc柏木41.93±0.29 bc42.01±0.15 b41.52±0.29 bc42.60±0.66 ab41.96±0.08 b青岡41.07±0.77 c41.60±0.3 bc40.71±0.84 cd40.67±0.56 bc41.13±0.09 c楓香40.30±0.01 cd41.30±0.12 c39.87±0.09 d40.11±0.11 c40.60±0.81 cd黃樟43.38±0.35 a42.64±0.49 ab42.66±0.32 a42.67±0.43 a42.93±0.18 a杜仲40.30±0.11 cd41.17±0.44 c40.12±0.38 d39.96±0.03 c40.39±0.16 d刺槐41.45±0.51 c41.75±0.21 bc41.13±0.56 c40.75±0.34 bc41.33±0.29 bc燈臺(tái)樹42.96±0.03 ab40.25±0.19 d40.74±0.16 cd41.35±0.55 b40.89±0.17 cd藍(lán)果樹42.60±0.06 b42.10±0.25 b42.43±0.05 ab41.66±0.15 b42.13±0.08 b馬褂木40.16±0.11 d40.07±0.01 d41.26±0.23 bc40.14±0.29 c40.19±0.05 d 注: 不同小寫字母表示含碳率差異顯著(P<0.05)。

推測各樹種含碳率出現(xiàn)差異的原因，可能一方面與樹種特性有關(guān)，另一方面也與采樣所選標(biāo)準(zhǔn)木的樹齡有一定關(guān)系，杉木、黃樟、馬尾松樹齡均在30 a以上，而楓香、馬褂木、杜仲的樹齡在12 a左右。

3.1.2 不同模式林分標(biāo)準(zhǔn)木及單位面積生物量 不同模式林分標(biāo)準(zhǔn)木及單位面積生物量詳見表3。從表3中可以看出:除M7林分的香果樹標(biāo)準(zhǔn)木生物量分布格局為干>枝>根>葉外，其余模式各標(biāo)準(zhǔn)木生物量分布格局均為干>根>枝>葉。不同模式林分單位面積生物量從大到小依次為M3>M4>M8>M9>M1>M2>M7>M5>M6。M3林分(4杉木4馬尾松1柏木1杜仲，1080株·hm-2，31 a)單位面積生物量最大，達(dá)93.99 t·hm-2，顯著高于其他模式林分的；M4林分(2馬尾松1柏木3黃樟4其他闊葉樹，1 320株·hm-2，31 a)、M8林分(3杉木6藍(lán)果樹1燈臺(tái)樹，1 575株·hm-2，12 a，)的較小，分別為44.27、41.2 t·hm-2。M3、M4林分為針闊混交成熟林，林分中喬木生長情況多為差或良，M8林分為針闊混交中齡林，林分中喬木生長情況較好。M6林分(楓香，855株·hm-2，12 a，)單位面積生物量最小，僅為9.47 t·hm-2，該林分為中齡楓香純林，生長情況良好。各林分各器官單位面積生物量分布格局均為干>根>枝>葉，主干生物量顯著高于其他器官的。除M1、M2、M4、M7林分外，其余5種模式林分的根生物量均顯著高于枝的，除M1林分外，其余模式林分的單位面積枝生物量與葉生物量均無顯著性差異。

3.1.3 不同模式林分喬木層有機(jī)碳密度 從典型武陵石漠化山地9種林分的喬木層有機(jī)碳密度分析結(jié)果(表4)可知：各不同模式林分喬木層有機(jī)碳密度介于3.84～39.61 t·hm-2之間。M3林分喬木層有機(jī)碳密度最高，達(dá)39.61 t·hm-2，顯著高于其他模式林分的；其次為M4林分的，為18.59 t·hm-2；M6林分喬木層有機(jī)碳密度最低，僅為3.84 t·hm-2，顯著低于其他模式林分的，M6林分為重度石漠化的中齡楓香純林，其喬木層有機(jī)碳密度顯著小于同齡林的闊葉混交林M5林分(5楓香5馬褂木1藍(lán)果樹，1 275株·hm-2)和M7林分(3燈臺(tái)樹3馬褂木4其它闊葉樹，645株·hm-2)的。喬木根系和喬木地上部分有機(jī)碳密度變化規(guī)律基本與喬木層有機(jī)碳密度的一致。

喬木層年均有機(jī)碳產(chǎn)量較大的林分為輕度石漠化山地、林齡為12 a的M8、M9林分及中度石漠化山地、林齡為31 a的M3林分，其年均有機(jī)碳產(chǎn)量分別達(dá)1.46、1.31、1.28 t·hm-2a-1，均顯著高于其他林分的；喬木層年均有機(jī)碳產(chǎn)量較小的為重度石漠化山地、林齡為12 a的M6林分和輕度石漠化山地、林齡為36 a的M1林分,以及中度石漠化山地、林齡為31 a的M2林分，其喬木層年均有機(jī)碳產(chǎn)量分別為0.32、0.35 、0.38 t·hm-2a-1，均顯著低于其他林分的。由此推測，輕度石漠化山地針闊混交中齡林喬木層單位面積年均有機(jī)碳產(chǎn)量較大，重度石漠化山地的成熟林喬木層年均有機(jī)碳產(chǎn)量較小。

3.2 不同模式林分土壤有機(jī)碳密度

表4還顯示：中度石漠化山地M2、M3林分土壤有機(jī)碳密度分別為5.72、5.21 t·hm-2，均顯著高于其他林分的；重度石漠化山地的M6、M8林分土壤有機(jī)碳密度分別為2.55、2.60 t·hm-2，均顯著低于其他林分的。輕、中度石漠化山地林齡較大的針闊混交林林地土壤有機(jī)碳密度較高，重度石漠化山地的幼、中林齡的針闊混交林土壤有機(jī)碳密度次之，重度石漠化山地的楓香中齡林土壤有機(jī)碳密度最小。這一方面與林分本身的合理結(jié)構(gòu)，包括林分樹種選擇、配置比例、林齡有關(guān)；另一方面也與土壤本身的石漠化等級(jí)及地理等因素有關(guān)。

表4 不同模式林分有機(jī)碳密度和有機(jī)碳產(chǎn)量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差 )Tab. 4 The organic carbon density of each stand(mean±standard error)林分模式土壤有機(jī)碳密度/(t·hm-2)喬木根系有機(jī)碳密度/(t·hm-2)喬木地上部分有機(jī)碳密度/(t·hm-2)喬木層有機(jī)碳密度/(t·hm-2)喬木層年均有機(jī)碳產(chǎn)量/(t·hm-2a-1)喬木層年均有機(jī)碳產(chǎn)量排序M14.99±0.51 ab2.04±0.57 d10.64±0.93 d12.68±0.31 d0.35±0.01 c8M25.72±0.56 a2.13±0.16 d 9.40±0.68 d11.86±0.56 d0.38±0.03 c7M35.21±0.71 a5.56±0.51 a34.05±1.31 a39.61±1.61 a1.28±0.05 a3M44.85±0.61 ab4.57±0.19 b14.02±1.07 bc18.59±0.78 b0.60±0.07 b6M53.51±0.55 bc2.11±0.66 d 5.49±0.51 e 7.69±0.25 e0.64±0.03 b5M62.55±0.23 c0.89±0.31 e 2.95±0.25 f 3.84±0.15 f0.32±0.06 c9M73.01±0.78 bc1.5±0.09 de 6.85±0.33 e 8.41±0.36 e0.70±0.05 b4M82.60±0.21 c2.5±0.61 cd14.94±0.61 b17.46±0.61 bc1.46±0.09 a1M94.16±0.51 b3.22±0.21 c12.44±0.93 c15.68±0.23 c1.31±0.11 a2 注: 不同小寫字母表示不同林分差異顯著(P<0.05)。

3.3 林分有機(jī)碳密度、石漠化等級(jí)、林齡等各因子的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果(表5)顯示：土壤有機(jī)碳密度與喬木層有機(jī)碳密度、石漠化等級(jí)、林分林齡、喬木地上部分有機(jī)碳密度、喬木根系有機(jī)碳密度及林分密度均呈顯著相關(guān)性；與石漠化等級(jí)及林分密度均呈負(fù)相關(guān)，石漠化等級(jí)越高，一定范圍內(nèi)(645～1 575株·hm-2)林分密度越大，土壤有機(jī)碳密度越??；與喬木有機(jī)碳密度、喬木地上部分、根系、林齡均呈正相關(guān)，特別是與林齡的相關(guān)性，達(dá)極顯著水平，P值達(dá)0.657；與喬木層年均有機(jī)碳密度相關(guān)性不顯著。喬木層有機(jī)碳密度與林齡、地上部分有機(jī)碳密度、根系有機(jī)碳密度均達(dá)到極顯著正相關(guān)，P值分別達(dá)0.658、0.995、0.890。喬木根系有機(jī)碳密度與喬木地上部分有機(jī)碳密度達(dá)到極顯著相關(guān)性，P值達(dá)0.840。喬木層有機(jī)碳密度與林分密度無顯著相關(guān)性。由此推測對(duì)林分土壤有機(jī)碳密度影響較大的為喬木層有機(jī)碳密度、林齡及石漠化等級(jí)。

表5 林分有機(jī)碳密度、石漠化等級(jí)、林齡等各因子的相關(guān)性Tab.5 Correlation analysis of forest organic carbon density土壤有機(jī)碳密度喬木層有機(jī)碳密度石漠化等級(jí)林齡 喬木年均有機(jī)碳密度喬木地上部分有機(jī)碳密度喬木根系有機(jī)碳密度林密分度土壤有機(jī)碳密度1.0000.409*-0.441*0.657**-0.2530.398*0.404*-0.401*0.0230.0130.0000.1700.0270.0240.025喬木層有機(jī)碳密度1.000-0.1010.658**0.385*0.995**0.890**-0.1630.5870.0000.0320.0000.0000.382石漠化等級(jí)1.000-0.2900.109-0.103-0.0820.349.0.1130.5580.5830.6610.054林齡1.000-0.3180.658*0.569**-0.360*0.0810.0000.0010.044喬木層年均有機(jī)碳密度1.0000.365*0.426*0.3480.0430.0170.055喬木地上部分有機(jī)碳密度1.0000.840**-0.1610.0000.388喬木根系有機(jī)碳密度1.000-0.1500.419林密分度1.000 注:* 表示在0.05水平上(雙側(cè))顯著相關(guān);**表示在0.01水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)。

4 結(jié)論與討論

武陵石漠化山地主要樹種各器官含碳率介于39.87%～43.38%之間，杉木、黃樟全株加權(quán)平均含碳率顯著高于其他樹種的，而馬褂木、楓香、杜仲含碳率較低。這一方面與樹種生理特性有關(guān)，另一方面也與樹齡有關(guān)，杉木、黃樟的樹齡在30 a以上，而楓香、馬褂木、杜仲的樹齡在12 a左右。

石漠化山地9種不同林分喬木各器官單位面積生物量分布格局均為樹干>樹根>樹枝>樹葉，主干生物量顯著高于其他器官生物量，與樟樹人工林生物量的結(jié)構(gòu)與分布一致[11-12]。中度石漠化山地生物量較大的成熟林M3、M4喬木層單位面積有機(jī)碳含量較高；重度石漠化山地生物量較小的楓香中齡林M6喬木層單位面積有機(jī)碳密度顯著小于同林齡M5、M7的，由此可推測，混交林有利于森林碳匯，說明合理配置的混交林對(duì)目的樹種的林分蓄積量和生物量累積均有一定的促進(jìn)作用[13]，進(jìn)而利于有機(jī)碳的積累；輕度石漠化山地中齡林喬木層年均有機(jī)碳產(chǎn)量較大，顯著高于其他林分的，與輕度石漠化區(qū)域立地條件相對(duì)較好，中齡林生長勢好有直接關(guān)系。

不同模式林分的喬木層及林地土壤有機(jī)碳密度表現(xiàn)為：輕、中度石漠化山地針闊混交成熟林>重度石漠化山地的針闊混交中齡林>重度石漠化山地的楓香中齡林。這一方面與林分本身的合理結(jié)構(gòu)，包括林分樹種選擇、配置比例、林齡有關(guān)，另一方面也與土壤本身的石漠化等級(jí)及地理等因素有關(guān)[14]。土壤有機(jī)碳密度與石漠化等級(jí)及林分密度呈顯著性負(fù)相關(guān)，與林齡、喬木層有機(jī)碳密度、喬木地上部分有機(jī)碳密度、根系有機(jī)碳密度呈正相關(guān)，特別是與林齡的相關(guān)性，達(dá)極顯著水平。隨著林齡的增長，喬木層整體生物量和有機(jī)碳的積累，其林分土壤有機(jī)碳密度也隨之增大。人工林在提高森林碳匯能力方面起著重要的作用，且隨著人工林碳儲(chǔ)量的持續(xù)增長，其在固碳增匯、減緩氣候變化方面的生態(tài)效益越來越受到重視[15-16]。石漠化山地以碳儲(chǔ)量為目標(biāo)的造林宜選擇長勢較好且含碳率較高的樹種黃樟、馬尾松、柏木、青岡、刺槐等營造針闊混交林，此外，還需兼顧單株的生長發(fā)育與林分整體生物量的累積，合理控制造林密度。