安太堡露天煤礦刺槐人工林喬木層碳密度動(dòng)態(tài)特征

郭春燕，曹銀貴，武玉珍，張謹(jǐn)華，吳瓊，張峰

（1.晉中學(xué)院 生物科學(xué)與技術(shù)系，山西 晉中 030600；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；3.山西大學(xué) 黃土高原研究所，山西 太原 030006）

0 引言

露天煤礦生態(tài)環(huán)境治理一直備受關(guān)注［1］。20世紀(jì)90年代以來，隨著環(huán)境治理主體與責(zé)任的明確化及生態(tài)修復(fù)技術(shù)的提高，露天煤礦植被得以大幅度的恢復(fù)［2］。礦區(qū)多種人工植被的重建，極大改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，不僅防止了水土流失，而且發(fā)揮了固碳釋氧等生態(tài)效益。在全球節(jié)能減排，努力實(shí)現(xiàn)碳中和的背景下，這部分人工植被作為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，在調(diào)節(jié)區(qū)域碳平衡方面做出了巨大貢獻(xiàn)［3-4］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用生物量法、碳通量監(jiān)測(cè)法及穩(wěn)定性同位素法對(duì)區(qū)域、國(guó)家乃至全球尺度上森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度、碳儲(chǔ)量進(jìn)行了研究，其中營(yíng)林措施、林分密度、林齡、氣候、地形等因素對(duì)森林碳儲(chǔ)量的影響研究較為成熟，但在森林演替過程中碳密度和碳儲(chǔ)量的變化及其時(shí)空分布格局等方面研究稍顯不足［5］。

刺槐（Robinia pseudoacacia）作為一種耐瘠薄速生植物引入我國(guó)后，在水土保持與生態(tài)修復(fù)中發(fā)揮著重要作用［6］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，除黑龍江省與海南省外，刺槐在我國(guó)其他省市自治區(qū)均被廣泛栽培，是我國(guó)重要的人工林樹種［7］。我國(guó)學(xué)者對(duì)刺槐栽培技術(shù)、生理生態(tài)［8-9］、群落結(jié)構(gòu)特征［10］等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。20世紀(jì)90年代初，山西安太堡露天煤礦復(fù)墾區(qū)開始引種大量刺槐，進(jìn)行植被恢復(fù)模式的配置與篩選試驗(yàn)。經(jīng)過20余年的跟蹤調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)刺槐在不同恢復(fù)模式中生長(zhǎng)差異明顯，部分刺槐枯梢，冠幅縮小，碳匯能力減弱。為探明刺槐碳密度變化規(guī)律，本文以山西安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)刺槐人工林為研究對(duì)象，通過野外調(diào)查不同林分喬木胸徑、樹高等結(jié)構(gòu)指標(biāo)，分析喬木生物量及碳密度特征，以期為刺槐人工林的管護(hù)及其碳匯研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

安太堡露天煤礦位于山西省朔州市平魯區(qū)（112°10′～112°30′E，39°23′～39°37′N），該區(qū)域?yàn)辄S土高原丘陵生態(tài)極度脆弱區(qū)，受溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候的影響，冬春寒冷多風(fēng)、干旱少雨，夏秋溫涼少風(fēng)、降水集中。年均降水量 428.2 mm～449.0 mm，年 蒸 發(fā) 量 1 786.6 mm～2 598.0 mm。年均氣溫4.8℃～7.8℃。全年無霜期115 d～130 d。年均風(fēng)速2.5 m/s～4.2 m/s，最大風(fēng)速20 m/s。原地貌植被為溫帶草原類型，林地較少，主要為人工林及天然灌叢。土壤貧瘠，土質(zhì)偏砂，為栗鈣土［11］。

南排土場(chǎng)是安太堡露天煤礦生態(tài)修復(fù)成效較好的排土場(chǎng)，采用巖土混排工藝［12］，表層覆土50 cm，下層多為采煤剝離的砂石，臺(tái)階高度20 m～40 m，臺(tái)階坡面角＞30°，總面積 180.5 hm2。1992-2010年對(duì)南排土場(chǎng)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，修復(fù)初期播種無芒雀麥（Bromus inermis）、扁穗冰草（Agropyron cristatum）、直立黃芪（Astragalus adsurgens）等草本植物進(jìn)行土壤熟化，同時(shí)種植刺槐、油松（Pinus tabulaeformis）、臭椿（Ailanthus altissima）、榆（Ulmus pumila）等，闊葉樹種均為1年生苗，均高30 cm；油松為5年生苗，均高1 m。刺槐+油松林隔行種植，行距1 m，刺槐株距1.5 m，油松株距5 m；刺槐純林株行距均為1 m；刺槐+榆+臭椿林為隔行種植，株行距均為1 m［13］。喬木種植后，人工管護(hù)3 a，輔助喬木度過成活階段。之后喬木自然生長(zhǎng)，僅在其迅速生長(zhǎng)期內(nèi)適度間伐1～2次。成林后，隨著種子的傳播，榆自然定居于刺槐+油松林與刺槐純林之中。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)選取3種刺槐人工林建立長(zhǎng)期定點(diǎn)觀測(cè)樣地（表1），每塊樣地面積0.5 hm2，采用全站儀將樣地測(cè)設(shè)為50個(gè)喬木樣方（10 m×10 m），每個(gè)樣方再劃分為4個(gè)（5 m×5 m）的灌木樣方，在每個(gè)灌木樣方左下角劃分出1個(gè)（1 m×1 m）草本樣方。記錄各人工林樣地植被種植模式、種植時(shí)間、海拔、地形、立地條件等。

表1 人工林樣地基本概況Table 1 Basic information of the plantation plots

2.2 樣方調(diào)查

2010年與2015年分別對(duì)每塊樣地50個(gè)樣方內(nèi)所有活立木（不包括幼苗，DBH＜2 cm）進(jìn)行調(diào)查，記錄物種名稱、胸徑（DBH）、樹高（TH）、冠幅、蓋度等。

2.3 數(shù)據(jù)分析

利用各樣地喬木胸徑、樹高實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用馮宗煒［14］生物量經(jīng)驗(yàn)（回歸）模型估算不同樹種生物量。各樹種生物量計(jì)算公式如下：

油松：WS=0.027636（D2H）0.9905，WB=0.0091313（D2H）0.982，WL=0.004 575 5（D2H）0.9894，WT=WS+WB+WL；

榆樹、臭椿：WS=0.044（D2H）0.9169，WP=0.023（D2H）0.7115，WB=0.010 4（D2H）0.9994，WL=0.018 8（D2H）0.8024；

WT=WS+WP+WB+WL；

刺槐：WT=0.049 550 2（D2H）0.952453；

式中，WS樹干生物量，WP樹皮生物量，WB樹枝生物量，WL樹葉生物量，WT地上部分總生物量。

本文參考華北地區(qū)及山西省森林類型碳密度研究成果［15-16］，最終確定喬木生物量與其碳密度換算系數(shù)為0.498 9。因此，喬木碳密度計(jì)算公式如下：

C=0.498 9×W，

式中：C為碳密度，W為單位面積生物量。

不同樹種DBH、TH、生物量和碳密度用方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，用Duncan多重比較進(jìn)行平均數(shù)顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 喬木層結(jié)構(gòu)特征

2010年刺槐純林喬木總密度最大（1596株·hm-2），2015年刺槐+榆+臭椿林喬木總密度最大（2 408株·hm-2），刺槐+油松林喬木總密度均為最小。2010年與2015年均為中均為刺槐純林中刺槐密度最大（1 594株·hm-2，2 098株·hm-2），榆密度最?。?株·hm-2，74株·hm-2）?？傮w來看，2010年至2015年間，刺槐人工林喬木總密度均有增加（圖1），其中刺槐+榆+臭椿林喬木總密度增加最大（832株·hm-2），刺槐+油松林增加最?。?50株·hm-2）。榆在刺槐+油松林與刺槐純林成功定居，且在刺槐+油松林定居數(shù)量較多。5年間，榆密度在刺槐+榆+臭椿林增加712株·hm-2，刺槐+油松林增加318株·hm-2，刺槐純林增加72株·hm-2。刺槐密度在各人工林增加幅度不同，其中在刺槐純林增加最大（504株·hm-2），在刺槐+榆+臭椿林增加最?。?0株·hm-2）。臭椿密度小幅度增加（30株·hm-2），僅有油松密度小幅度降低（24株·hm-2），這與喬木生理特征有關(guān)。

圖1 不同樣地喬木密度Fig.1 Density of trees in the different plots

不同樣地喬木胸徑與樹高均存在極顯著差異（P＜0.01）。2010年刺槐+油松林中刺槐平均胸徑與平均樹高均最大（8.85 cm，7.24 m），其次為刺槐+榆+臭椿林中刺槐（7.57 cm，6.02 m），臭椿均最小（3.30 cm，3.41 m）。2015年刺槐+油松林中刺槐平均DBH與平均TH均最大（10.02 cm，7.26 m），其次為油松（9.35 cm，5.80 m），臭椿均最?。?.66 cm，3.04 m）。隨著密度的增加，各樹種平均DBH與TH呈現(xiàn)出不一致的變化特征（圖2-3）。臭椿平均DBH增大（0.36 cm），但其平均TH降低（0.37m）；油松平均DBH與平均TH均增大（2.48cm，1.42 m）；除刺槐+榆+臭椿林中榆平均TH略有增大外（0.13 m），榆在各樣地平均DBH與平均TH均減??；刺槐在刺槐+油松林平均DBH與平均TH均增大（1.17 cm，0.02 m），但在刺槐純林中均減小（0.2 cm，0.47 m），在刺槐+榆+臭椿林中平均DBH增大（0.44 cm），但平均TH有所降低（0.78 m）。

圖2 不同樣地喬木胸徑Fig.2 DBH of trees in the different plots

3.2 喬木層生物量及碳密度特征

不同樣地喬木單株生物量存在極顯著差異（P＜0.01）。2010年刺槐+油松林中刺槐單株生物量最大（25.62 kg），其次為刺槐純林中榆（22.71 kg），臭椿最?。?.96 kg）。2015年刺槐+油松林中刺槐單株生物量最大（33.07 kg），其次為油松（25.31 kg），刺槐純林中榆最小（2.26 kg）。臭椿、油松與刺槐2015年單株生物量較2010年均有增加，榆正好相反（圖4）。油松單株生物量增加最多（8.57 kg），其次為刺槐+油松林刺槐（7.45 kg），臭椿單株生物量增加0.47 kg，刺槐純林刺槐單株生物量增加最少，僅為0.17 kg。榆在刺槐純林單株生物量減少最多（20.45 kg），在刺槐+榆+臭椿中減少最少（1.24 kg）。

圖3 不同樣地喬木高度Fig.3 TH of trees in the different plots

圖4 不同樣地喬木單株生物量Fig.4 Biomass of a tree in the different plots

2010年與2015年均為刺槐+油松林喬木層碳密度最大（17.454 t·hm-2，26.698 t·hm-2），其次為刺槐+榆+臭椿林，刺槐純林最?。?.943 t·hm-2，13.314 t·hm-2），且刺槐在各林分中碳密度均最大。刺槐人工林喬木層碳密度與各樹種碳密度均為2015年高于2010年（圖5）。刺槐+油松林喬木層碳密度增加 9.244 t·hm-2，年均增加 1.849 t·hm-2，其 中 刺 槐 增 加 6.982 t·hm-2，年 均 增 加 1.396 t·hm-2；油 松 增 加 1.108 t·hm-2，年 均 增 加 0.222 t·hm-2。刺槐+榆+臭椿林喬木層碳密度增加3.866 t·hm-2，年 均 增 加 0.773 t·hm-2，其 中 刺 槐 增 加1.521 t·hm-2，年 均 增 加 0.304 t·hm-2；臭 椿 增 加0.116 t·hm-2，年均增加 0.023 t·hm-2。刺槐純林喬木層碳密度增加 3.372 t·hm-2，年均增加 0.674 t·hm-2，其中刺槐增加 3.311 t·hm-2，年均增加 0.662 t·hm-2。榆作為建群種，其碳密度在刺槐+榆+臭椿林增加最多（2.230 t·hm-2），作為定居種在刺槐+油松林與刺槐純林增加較少（1.154 t·hm-2，0.061 t·hm-2）。

圖5 不同樣地喬木碳密度Fig.5 Carbon density of trees in the different plots

4 討論與結(jié)論

碳密度不僅是人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的關(guān)鍵指標(biāo)，也是評(píng)估其碳儲(chǔ)量的重要依據(jù)［17-18］。喬木作為人工林優(yōu)勢(shì)種群，對(duì)其進(jìn)行碳密度研究，可初步掌握人工林碳儲(chǔ)量狀況，比較人工林恢復(fù)模式的優(yōu)劣。本文對(duì)3種刺槐人工林喬木層碳密度研究結(jié)果顯示：刺槐+油松林喬木層碳密度最高，其次為刺槐+榆+臭椿林，刺槐純林喬木層碳密度最低，且其年均增長(zhǎng)率也保持相同的變化規(guī)律。這表明針闊混交模式最佳，闊葉混交林優(yōu)于闊葉純林模式，與之前學(xué)者的研究結(jié)果一致［19］。刺槐+油松林喬木密度最低，且油松生長(zhǎng)緩慢，刺槐生長(zhǎng)迅速，兩者形成了不同的林層，可以充分利用自然資源，促進(jìn)林分正向發(fā)育。榆能在刺槐+油松林中大量定居，也從側(cè)面印證了其空間結(jié)構(gòu)適宜林木生長(zhǎng)。刺槐純林林層單一，加之喬木密度較大，林木之間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系增強(qiáng)，致使單株刺槐生物量較低。刺槐+榆+臭椿林喬木密度最大，但其碳密度略高于刺槐純林，一方面是因?yàn)椴煌瑯浞N對(duì)自然資源的需求不同，林木之間可以優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、協(xié)同共生，另一方面是大量榆幼苗成長(zhǎng)為榆幼樹，提高了整個(gè)林分的碳儲(chǔ)量。

刺槐人工林喬木層碳密度的差異表明，喬木密度對(duì)其碳密度的影響相對(duì)較大，喬木密度的改變，不僅引起了林內(nèi)光照、土壤溫度及水分的變化［20］，還引起了喬木胸徑與樹高結(jié)構(gòu)等一系列變化；其次喬木類型也是影響碳密度的重要因素之一［21］，不同樹種因其生理特點(diǎn)的差異，其碳匯能力也不同。人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度受多種因素影響，會(huì)不斷發(fā)生變化。本研究?jī)H分析了5年間刺槐人工林喬木層碳密度變化規(guī)律，今后還有待于對(duì)其各組分生物量、碳含量及碳密度做進(jìn)一步的跟蹤研究。

2010年至2015年間，刺槐人工林喬木碳密度增加明顯，但總體樹高增長(zhǎng)緩慢，這些現(xiàn)象表明安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)刺槐人工林已由中齡林階段逐漸進(jìn)入成熟林階段［22］。林木已逐步由胸徑與樹高速生時(shí)期進(jìn)入到材積增長(zhǎng)期，此時(shí)刺槐人工林已形成穩(wěn)定的冠層，有利于林下幼苗及幼樹的生長(zhǎng)發(fā)育，形成次林層。隨著幼苗不斷成長(zhǎng)為幼樹，為防止林木擁擠過密，仍需通過人工撫育進(jìn)行調(diào)節(jié)，間伐過多的幼苗及妨礙林木生長(zhǎng)的不良立木，為刺槐人工林創(chuàng)造良好的生存環(huán)境，維持穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。