南亞熱帶13年生大葉櫟人工林固碳功能分析

葉家義, 付 軍, 陸衛(wèi)勇, 歐 軍, 何 斌

(1.廣西國(guó)有派陽山林場(chǎng),廣西 寧明 532500;2.廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西 南寧 530004)

森林碳匯是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要體現(xiàn),在吸收并固定大氣中大量CO2,減緩溫室效應(yīng)方面發(fā)揮重要作用[1]。我國(guó)人工林面積居世界首位,發(fā)展優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定且具有經(jīng)濟(jì)效益和碳匯生態(tài)效益的多功能人工林,有效提升森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力,已成為實(shí)現(xiàn)我國(guó)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的重要途徑[2-6]。因此,通過對(duì)不同森林類型生物量及碳儲(chǔ)量的調(diào)查監(jiān)測(cè),準(zhǔn)確把握其碳匯狀況,合理選擇既具有良好碳匯功能,又能發(fā)揮森林固土保肥和涵養(yǎng)水源作用的鄉(xiāng)土樹種,對(duì)今后營(yíng)造生態(tài)公益林及碳匯林具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國(guó)南亞熱帶水熱條件優(yōu)越、樹種資源豐富,是商品林與木材戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重要建設(shè)基地[7-8]。近年來,我國(guó)學(xué)者先后對(duì)該區(qū)域杉木(Cunninghamialanceolata)[9]、馬尾松(Pinusmassoniana)[10]、紅錐(Castanopsishystrix)[11-12]、格木(Erythrophleumfordii)[13]和米老排(Mytilarialaosensis)[13]等主要人工林的生物量、碳貯量及其分配格局進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,表明不同森林生態(tài)系統(tǒng)生物量和固碳功能因其立地條件、樹種組成的不同而存在差異,為我國(guó)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

大葉櫟(Quercusgriffithii)是殼斗科櫟屬落葉喬木,中國(guó)、緬甸、印度和斯里蘭卡等地均有分布,我國(guó)主產(chǎn)于西南地區(qū)的云南、貴州和四川等地。大葉櫟具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)速度快、用途廣和培肥土壤等優(yōu)點(diǎn),其生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著,發(fā)展?jié)摿V闊[14]。目前,關(guān)于大葉櫟人工林的研究主要集中在家系選擇、苗木培育、生長(zhǎng)規(guī)律、土壤肥力和效益評(píng)價(jià)等方面[15-18],有關(guān)其固碳功能的研究相對(duì)較少。Meng et al[14]研究表明,造林后1～6 a大葉櫟人工林生長(zhǎng)緩慢,6 a后材積生長(zhǎng)進(jìn)入速生期,一直維持到23年生。為此,本研究以廣西寧明縣13年生大葉櫟人工林為研究對(duì)象,探討其林分生物量、碳儲(chǔ)量及分布格局,以揭示該區(qū)域大葉櫟的碳匯功能,為南亞熱帶碳匯人工林固碳樹種的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西寧明縣廣西國(guó)有派陽山林場(chǎng)(106°38′～107°36′E,21°51′～22°58′N),屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫21.8 ℃,年均降水量1 350 mm,年均日照時(shí)數(shù)1 700 h,年無霜期達(dá)350 d以上[19]。試驗(yàn)地設(shè)在廣西國(guó)有派陽山林場(chǎng)公武分場(chǎng),屬丘陵地貌類型,海拔320～350 m,坡度20°～25°,坡向西南,土壤類型為山地紅壤,土層較深厚,土壤肥力中等。

試驗(yàn)林前茬林分為馬尾松純林,2005年底采伐后煉山、挖穴整地,穴規(guī)格為0.5 m×0.5 m×0.4 m。2006年5月采用1年生大葉櫟實(shí)生容器苗定植,造林密度為1 250株·hm-2,株行距為2 m×4 m。定植前每穴施0.50 kg基肥(P2O5≥14%),造林后當(dāng)年10月進(jìn)行1次鏟草撫育,之后連續(xù)2 a的春季和秋季各進(jìn)行1次鏟草撫育。2019年5月調(diào)查時(shí)大葉櫟林分郁閉度為0.85,保留密度1 060株·hm-2,平均樹高和胸徑分別為14.7 m和15.6 cm。林下植物覆蓋度約25%,其中灌木層主要有杜莖山(Maesajaponica)、毛桐(Mallotusbarbatus)等;草本層主要有竹葉草(Oplismenuscompositus)、桃花(Urenalobata)等;凋落物層主要成分以凋落葉為主,厚度約3.2 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置和林分生物量測(cè)定 2019年5月選擇立地條件基本一致、生長(zhǎng)中等的大葉櫟人工林,按不同坡位(上坡、中坡和下坡)分別設(shè)置1塊400 m2(20 m×20 m)的標(biāo)準(zhǔn)樣地。測(cè)定各樣地內(nèi)林木的樹高和胸徑等指標(biāo),并計(jì)算平均值。各樣地分別選擇1株平均木并伐倒,以2 m為1個(gè)區(qū)進(jìn)行分段,采用Monsic分層切割法分別測(cè)定地上部分樹葉、樹枝、干材和干皮鮮質(zhì)量[20-21],并采集各器官混合樣品600～800 g。采用全根挖掘法挖出地下部根系,分別測(cè)定根樁、粗根(根系直徑≥2.0 cm)、中根(0.5 cm≤根系直徑<2.0 cm)、細(xì)根(根系直徑<0.5 cm)鮮質(zhì)量,并采集約600 g根系混合樣品。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置5塊1 m×1 m小樣方,采用樣方收獲法分別測(cè)定灌木層、草本層(兩層均包括地上部分和根系)和凋落物層鮮質(zhì)量,采集各層次的混合樣品600 g。將林木各器官和灌木層、草本層及凋落物層混合樣品于85 ℃烘箱內(nèi)烘干,測(cè)定其含水率,并參考文獻(xiàn)[15]計(jì)算各組分生物量。

1.2.2 土壤和植物碳含量測(cè)定 選取經(jīng)烘干的植物各組分部分樣品,用高速粉碎機(jī)粉碎并過篩后裝袋保存。在每個(gè)樣地內(nèi)采用對(duì)角線法挖掘3個(gè)土壤剖面,分層采集0～100 cm土層(每層深度20 cm)樣品各1 kg,經(jīng)自然風(fēng)干及研磨過篩(0.149 mm)后裝袋保存,并用環(huán)刀法[22]采集各土層原狀土。土壤和植物樣品碳含量采用K2CrO7容量法[22]測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

大葉櫟人工林生物量為其群落的喬木層、灌木層、草本層和凋落物層生物量之和;林分年凈生產(chǎn)力采用年平均凈生產(chǎn)量進(jìn)行估測(cè)[10],其中樹葉生物量按其在樹枝上著生3 a計(jì)算[11],其他器官按大葉櫟林齡即13 a計(jì)算。大葉櫟生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為其群落喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳儲(chǔ)量之和。喬木層年凈固碳量為各器官年平均碳儲(chǔ)量之和;年CO2吸收量參照文獻(xiàn)[3]計(jì)算。

采用Excel 2013軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理,并用SPSS 22.0軟件對(duì)大葉櫟人工林各層次碳含量、碳儲(chǔ)量及喬木層不同器官年凈固碳量間差異性進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大葉櫟人工林各層次生物量及其分配

從表1可見,13年生大葉櫟人工林生物量為119.20 t·hm-2,其中喬木層為110.35 t·hm-2,占林分生物量的92.57%,是林分生物量的主體部分;凋落物層為7.12 t·hm-2,占5.97%,居第2位。受林分郁閉度較大的影響,大葉櫟人工林林下植被發(fā)育較差,灌木層、草本層生物量均較少,分別占林分生物量的0.86%和0.60%。喬木層不同器官生物量大小依次為:干材(57.58 t·hm-2)>樹枝(21.26 t·hm-2)>樹根(15.65 t·hm-2)>干皮(8.12 t·hm-2)>樹葉(7.74 t·hm-2)。

表1 大葉櫟人工林各層次生物量及其分配1)Table 1 Biomass and distribution of Q.griffithii plantation

2.2 大葉櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳含量比較

2.2.1 植被層 從表2可見,大葉櫟人工林喬木層各器官碳含量介于436.30～473.30 g·kg-1之間,其大小依次為:干材>樹葉>樹枝>干皮>樹根,其中干材與樹根碳含量差異顯著。灌木層、草本層和凋落物層碳含量分別為447.20、425.80和438.20 g·kg-1。總體上看,不同植被層碳含量以喬木層最高,其次是灌木層和凋落物層,草本層最低。

2.2.2 土壤層 從表2可見,大葉櫟人工林不同土層碳含量在5.26～16.20 g·kg-1之間。由于受地表凋落物腐殖化作用所形成有機(jī)物質(zhì)的聚集效應(yīng)影響,土壤有機(jī)碳含量在土壤剖面垂直分布上呈現(xiàn)隨土層加深而顯著下降(0～80 cm土層)的變化趨勢(shì),但相鄰?fù)翆娱g有機(jī)碳含量的差異隨土層加深而逐漸減小。

2.3 大葉櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量

從表2可見,13年生大葉櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為164.26 t·hm-2,包括喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳儲(chǔ)量。其中,土壤層(109.62 t·hm-2)占比最大,為66.74%;其次是喬木層(50.83 t·hm-2),為30.95%;凋落物層(3.06 t·hm-2)、灌木層(0.45 t·hm-2)和草本層(0.30 t·hm-2)占比均較小,分別為1.86%、0.27%和0.18%。

表2 大葉櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分的碳含量及碳儲(chǔ)量1)Table 2 Carbon content and carbon storage of different components of Q.griffithii plantation ecosystem

2.3.1 植被層 大葉櫟人工林植被層碳儲(chǔ)量為54.64 t·hm-2,其中喬木層、灌木層、草本層和凋落物層碳儲(chǔ)量分別占93.03%、0.82%、0.37%和5.60%(表2)。在喬木層碳儲(chǔ)量中,不同器官碳儲(chǔ)量占比為:干材(53.61%)>樹枝(18.83%)>樹根(13.44%)>樹葉(7.12%)>干皮(7.00%),與各器官生物量占比排序相一致。

2.3.2 土壤層 大葉櫟人工林土壤層(0～100 cm)碳儲(chǔ)量為109.62 t·hm-2,各土層碳儲(chǔ)量在土壤剖面垂直分布上表現(xiàn)出與其碳含量相同的變化趨勢(shì)(表2)。其中,0～20 cm土層碳儲(chǔ)量所占比例為35.46%,遠(yuǎn)高于20～40 cm(19.59%)、40～60 cm(16.60%)、60～80 cm(14.43%)和80～100 cm(13.91%)土層碳儲(chǔ)量占比。

2.4 大葉櫟人工林喬木層年凈固碳量

從表3可以看出,13年生大葉櫟人工林喬木層年凈生產(chǎn)力為10.47 t·hm-2·a-1,年凈固碳量為4.85 t·hm-2·a-1,相當(dāng)于年凈CO2吸收量為17.81 t·hm-2·a-1。喬木層不同器官年凈固碳量大小依次為:干材(2.10 t·hm-2·a-1)>樹葉(1.21 t·hm-2·a-1)>樹枝(0.74 t·hm-2·a-1)>樹根(0.53 t·hm-2·a-1)>干皮(0.27 t·hm-2·a-1),分別占總年凈固碳量的43.48%、24.64%、13.66%、10.97%和7.25%。

表3 大葉櫟人工林喬木層年凈固碳量1)Table 3 Annual net carbon sequestration of arbor layer of Q.griffithii plantation t·hm-2·a-1

3 討論與結(jié)論

森林生物量與森林類型、樹種組成、林齡及林分密度等因素密切相關(guān)[7]。本研究中,13年生大葉櫟人工林總生物量為119.20 t·hm-2,其中喬木層生物量為110.35 t·hm-2。盧立華等[7]研究表明,南亞熱帶16年生西南樺、米老排、灰木蓮和馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量分別為116.00、111.35、79.62和44.54 t·hm-2,其中喬木層生物量分別為112.65、109.59、77.48和40.64 t·hm-2?？梢?研究區(qū)大葉櫟人工林具有較高的生物量積累能力。大葉櫟人工林不同結(jié)構(gòu)層次分配比例中,喬木層為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)生物量的主體,其占比達(dá)92.57%,與盧立華等[7]對(duì)相同地區(qū)其他4種人工林的研究結(jié)果相一致。受樹種生物學(xué)特性和林分密度等影響,大葉櫟人工林郁閉度較大,林下植物發(fā)育較差,覆蓋度較小,使得灌木層和草本層生物量(1.02和0.71 t·hm-2)較少,僅占林分生物量的0.86%和0.60%;但凋落物層較豐富,其生物量(7.12 t·hm-2)占比為5.97%。

13年生大葉櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為164.26 t·hm-2,其中喬木層碳儲(chǔ)量為50.83 t·hm-2,略低于我國(guó)森林喬木層平均碳儲(chǔ)量(57.07 t·hm-2)和熱帶、亞熱帶針葉林喬木層平均碳儲(chǔ)量(63.17 t·hm-2)[23],以及相同地區(qū)23年生紅錐人工林喬木層碳儲(chǔ)量(51.82 t·hm-2)[24],但高于相同地區(qū)13年生杉木人工林喬木層碳儲(chǔ)量(43.00 t·hm-2)[9]和廣西15年生馬尾松人工林喬木層碳儲(chǔ)量(44.40 t·hm-2)[25]。土壤有機(jī)碳是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在平衡大氣CO2中發(fā)揮重要作用[23]。本研究中,大葉櫟人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量為109.62 t·hm-2,與我國(guó)天然林土壤平均碳儲(chǔ)量(109.1 t·hm-2)基本一致,但高于我國(guó)人工林土壤平均碳儲(chǔ)量(107.1 t·hm-2)[23],也高于相同地區(qū)26年生紅錐人工林和杉木人工林土壤碳儲(chǔ)量(75.37和97.88 t·hm-2)[24],表明研究區(qū)大葉櫟人工林的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量較高。

13年生大葉櫟人工林喬木層年凈生產(chǎn)力為10.47 t·hm-2·a-1,年凈固碳量為4.85 t·hm-2·a-1,折合年凈吸收CO2量為17.81 t·hm-2·a-1。據(jù)報(bào)道,南亞熱帶10、20和27年生紅錐人工林喬木層年凈固碳量分別為3.79、4.75和4.32 t·hm-2[11],13年生杉木人工林喬木層年凈固碳量為3.30 t·hm-2[24]?？梢?本研究區(qū)大葉櫟人工林速生特性明顯,生物量和碳積累速率均較高。當(dāng)前,在人工林傳統(tǒng)經(jīng)營(yíng)基礎(chǔ)上,提高其固碳潛力和碳匯效益,已成為人工林多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)中的一種新型經(jīng)營(yíng)模式。從大葉櫟的生物生態(tài)學(xué)特性、碳積累速率與潛力等綜合分析表明,大葉櫟可以作為南亞熱帶地區(qū)培育碳匯人工林的重要樹種。由于本研究中大葉櫟人工林正處于速生期,其喬木層生物量和碳積累量還處于快速積累過程,加上其生長(zhǎng)過程中大量凋落物分解和腐殖化作用,以及大量活根產(chǎn)生的分泌物和死根的腐解物也促進(jìn)土壤有機(jī)碳的積累,表明該大葉櫟人工林還具有較強(qiáng)的碳匯潛力。因此,大葉櫟人工林適合作為碳匯林在該地區(qū)營(yíng)造,以實(shí)現(xiàn)兼具木材收益和碳匯效益的人工林多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)目的。