元謀干熱河谷稀樹灌草叢植被碳庫分布特征

高中騰孫澤何真敏羅志鋒孫永玉王猛

(1.西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，云南 昆明 650233；2.西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650233；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院高原林業(yè)研究所，云南 昆明 650233；4.云南元謀干熱河谷生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，云南 昆明 650233)

森林的碳儲量是研究碳在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)的基礎(chǔ)，也是衡量森林生態(tài)功能強弱的重要體現(xiàn)。森林通過其自身的生長可以吸收和穩(wěn)定大量的碳，同時，森林資源的采伐和利用也可以釋放曾經(jīng)儲存的碳，因此，森林在調(diào)節(jié)全球碳平衡方面發(fā)揮著不可替代的作用，是全球碳循環(huán)中重要的碳匯，在全球變暖的背景下，對森林植被碳儲量的研究具有重要意義[1]。然而近年來主要針對大尺度區(qū)域森林碳儲量研究較多，而對特殊生境下的小尺度區(qū)域的碳儲量研究較少。

稀樹灌草叢植被主要分布于中國西南地區(qū)的干熱河谷，最為典型的干熱河谷是金沙江流域的元謀壩區(qū)、攀枝花干熱河谷區(qū)、元江流域的元江壩區(qū)和紅河縣干熱河谷區(qū)[2]。之前大部分學(xué)者進行的研究主要包括稀樹灌草叢的群落特征和植物生理方面[3-6]，其碳儲量受到的關(guān)注較少。因此，研究稀樹灌草叢的固碳能力尤為迫切。稀樹灌草叢作為世界薩王納植被的重要組成部分，在生態(tài)環(huán)境、生物多樣性保護和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展等方面起著重要作用，但由于自然和人為因素等原因，干熱河谷部分地區(qū)出現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)退化、水土流失嚴(yán)重、生物多樣性下降和生態(tài)功能不穩(wěn)定等現(xiàn)象，與此同時，碳匯功能也遭到一定程度的破壞，生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[7]。本研究以元謀干熱河谷稀樹灌草叢群落為對象，目的是研究稀樹灌木草叢植被碳庫分布特征，不僅為當(dāng)?shù)叵涔嗖輩驳闹脖换謴?fù)提供數(shù)據(jù)方面的資料，也為該區(qū)域的科學(xué)經(jīng)營提供理論上的幫助。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南元謀干熱河谷生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站固定樣地內(nèi)(N101°51′41″，E25°40′18″)，海拔約1200m，屬南亞熱帶季風(fēng)干熱氣候區(qū)，是干熱河谷的典型代表區(qū)域。該站氣候炎熱干燥，光熱資源充足，干濕季分明，年均溫為21.9℃，年降水量630.7mm，其中90%以上的降水集中在6—10月，年均蒸發(fā)量3426.3mm，年相對濕度55.8%，年均干燥度達4.4，無霜期350～365d，降水蒸發(fā)比嚴(yán)重失衡，區(qū)域土壤以燥紅土為主，植被類型以滇欖仁(Terminalia franchetil Gagnep)、余甘子(Phyllanthusemblica)、車桑子[Dodonaea viscosa(L.)Jacq]、扭黃茅(Heteropogon contortus)等為主的“河谷型半薩王納”植被。

2 材料與方法

2.1 樣方調(diào)查

2022年10月進行野外樣方調(diào)查和取樣，在固定樣地選取不同植被類型樣地共8塊，每塊樣地面積為400m2(20m×20m)，樣地情況見表1。開展調(diào)查時，在樣地中對喬木(胸徑大于20cm)進行每木檢尺，記錄每株的樹高、胸徑和冠幅。在每一樣地沿對角線設(shè)置1個2m×2m的灌木樣方，記錄灌木樣方的物種組成、株(叢)數(shù)、灌木的平均基徑、平均高度，并在每一灌木層調(diào)查樣方內(nèi)設(shè)置一個1m×1m的草本層調(diào)查樣方，調(diào)查內(nèi)容包括草本、物種組成、高度、蓋度等指標(biāo)。最后對灌木(灌木分葉片、樹枝和樹干、根部3部分)、草本(具體分為草上、草下2個部分)全部收獲，在每個1m×1m的小樣方內(nèi)收集凋落物，稱鮮重后每個部分取200g左右的樣品帶回實驗室，先將烘箱設(shè)置為105℃后進行殺青30min，再將烘箱溫度設(shè)置為70℃，將樣品烘干至恒重，結(jié)束后分別測定灌木和草本各部分樣品的生物量，得出的結(jié)果進行平均后再換算成單位面積的生物量。最后將得到的生物量分別乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5得到各部分的碳儲量(t·hm-2)。

表1 樣地基本概況

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

將樣方調(diào)查的樹高和胸徑數(shù)據(jù)代入異速生長方程計算喬木層總的生物量。根據(jù)研究區(qū)域的植被情況、樹種類型及模型使用范圍，喬木層生物量估算選用的異速生長方程[8]：

V1=0.014×(D2H)0.693

(1)

V2=0.015×(D2H)0.844

(2)

V3=0.091×(D2H)0.816

(3)

V4=0.038×(D2H)0.896

(4)

式中，V1指代葉片的生物量，kg；V2指代樹枝的生物量，kg；V3指代莖干的生物量，kg；V4指代根部的生物量，kg；D指1.3m處的胸徑，cm；H為樹高，m。

灌木層和草本層生物量估算將各部分已測定的生物量取平均值后換算成單位面積生物量。最后將計算得到的各部分生物量分別乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5得到各部分的碳儲量(t·hm-2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 稀樹灌草叢喬木層碳儲量

元謀區(qū)域稀樹灌草叢喬木層總的碳儲量為(1.88±0.06)t·hm-2，見表2。如圖1所示，喬木層中碳儲量最大的物種是滇欖仁(Terminalia francheti)，為1.84t·hm-2，占到喬木層總碳儲量的97.87%；其次為巖柿(Diospyros dumetorum)，碳儲量為0.04t·hm-2，占到2.13%；山合歡[Albizia kalkora(Roxb.)Prain]和假煙葉(Solanum erianthum D.Don)的碳儲量最低可以忽略不計，這說明滇欖仁在稀樹灌草叢喬木層中是絕對優(yōu)勢物種，并且碳儲量的分布在喬木層的物種之間是非常不均勻的。

表2 元謀干熱河谷稀樹灌草叢碳儲量

喬木層地上部分的碳儲量為(1.28±0.04)t·hm-2，占到總碳儲量的68.09%，地下部分碳儲量為(0.60±0..02)t·hm-2，占比31.91%。從喬木層地上部分看，樹枝和樹干總的碳儲量為1.19t·hm-2，占比就高達92.97%，葉片的碳儲量較少為0.09t·hm-2，占比僅有7.03%，表明分配在葉片中的碳儲量較低。

3.2 稀樹灌草叢林下植被碳儲量

元謀區(qū)域稀樹灌草叢灌木層和草本層總的碳儲量為(4.98±0.26)t·hm-2，見表2，灌木層總的碳儲量為(2.14±0.26)t·hm-2，占到林下整個植被層總碳儲量的42.97%，草層的總碳儲量為(2.84±0.02)t·hm-2，占到57.03%，如圖2所示，草本層碳儲量要大于灌木層碳儲量。

灌木層地上部分的葉片碳儲量和枝干碳儲量分別為0.31t·hm-2、0.43t·hm-2，兩者占到灌木層總碳儲量的14.29%、20.32%。灌木層地下部分的根部碳儲量為(1.40±0.17)t·hm-2，占到灌木層碳儲量的65.39%，說明灌木層的地下根部碳儲量大于地上的葉片碳儲量和枝干碳儲量。草本層的草上部分碳儲量和草下根部的碳儲量分別為(1.59±0.01)t·hm-2、(1.25±0.01)t·hm-2，占草本層總碳儲量的55.94%、44.06%，說明草本層的碳儲量主要分配在地上部分。林下植被層地上碳儲量和地下碳儲量(2.33±0.09)t·hm-2、(2.65±0.17)t·hm-2，分別占到整個林下植被層碳儲量的46.79%、53.21%，說明稀樹灌草叢林下植被地上部分碳儲量和地下部分碳儲量分配基本相當(dāng)，地下部分碳儲量略高于地上部分。

4 討論

元謀稀樹灌草叢林分碳儲量為6.86t·hm-2，其中草本層碳儲量占到了41.39%，表明元謀稀樹灌草叢草本層碳儲量貢獻最大，草層碳儲量大于灌木層，這與金振洲等研究一致[9]。稀樹灌草叢往地下部分分配了較多的碳儲量，反映了稀樹灌草叢群落的地下根部是比較發(fā)達的，由于元謀區(qū)域稀樹灌草叢降水較少，稀樹灌草叢植物生態(tài)系統(tǒng)的生長受到了水分的限制，根部發(fā)達有利于該地區(qū)植物能更好地獲取水分，這是應(yīng)對干旱脅迫的一種方式[10]。喬灌層葉片的碳儲量的分布較少，占總碳儲量中的比例不到10%，主要原因是元謀干熱河谷氣候干燥炎熱，降雨量較少，葉片碳儲量分配較低，表明植物的葉片面積和數(shù)量正在不斷減少，同時葉片變得比之前更薄，這有利于減少水分的散失，能夠更好適應(yīng)生存環(huán)境[11]。

從同一地區(qū)來看，位于元謀干熱河谷的稀樹灌草叢碳儲量(6.86t·hm-2)要遠(yuǎn)低于元謀干熱河谷桉樹人工林的碳儲量(24.73t·hm-2)，這主要是因為桉樹人工林的喬木層種群密度較大，生長茂盛，樹高在3.5m以上，灌木層和草本層植物種類和數(shù)量較少，并且桉樹的生物量占到了群落總生物量的88%以上，碳儲量貢獻最多[12]。而元謀干熱河谷稀樹灌草叢植被低矮(喬灌層平均樹高1.8m左右)，喬灌密度較低，嚴(yán)重拉低了元謀干熱河谷稀樹灌草叢植被的碳儲量。

表3 不同森林類型間碳儲量的差異

從不同地區(qū)來看，元謀干熱河谷稀樹灌草叢碳儲量(6.86t·hm-2)要低于國內(nèi)外稀樹灌草叢主要分布區(qū)的碳儲量[13-15]。元謀干熱河谷稀樹灌草叢的碳儲量在全球稀樹灌草叢平均碳儲量范圍中(28.40t·hm-2)，處于較低水平，主要原因是相比其他地區(qū)元謀干熱河谷水土流失嚴(yán)重影響植被的生長，另外該區(qū)常年干熱少雨，周圍居民較多，受到了放牧等人為因素的干擾，對該區(qū)域原生植被的保護不夠，導(dǎo)致了原有植被被破壞，這種現(xiàn)象不僅減少了該區(qū)域的植物數(shù)量，也限制了該區(qū)域植物的正常生長發(fā)育，進而影響了植被的碳儲量積累和儲存[12，14]。元謀干熱河谷區(qū)稀樹灌草叢與其他干熱河谷區(qū)稀樹灌草相比雖然碳儲量相差較大，更可以說明該區(qū)有很大的碳儲量潛力，應(yīng)當(dāng)引起人們的重視和保護。

5 結(jié)論

元謀區(qū)域稀樹灌草叢植被總的碳儲量是6.86t·hm-2，喬木層總的碳儲量為1.88t·hm-2，灌木層總的碳儲量為2.14t·hm-2，草本層總的碳儲量為2.88t·hm-2，草本層的碳儲量要大于喬木層和灌木層，是林下植被層碳儲量的主要貢獻者。

元謀干熱河谷區(qū)稀樹灌草叢與其他干熱河谷區(qū)碳儲量相比處于較低水平，更可以說明其具有很大的碳儲量潛力，因此應(yīng)該保護和重視干熱河谷區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)碳儲量的貢獻。