內(nèi)蒙古固陽縣主要灌木人工林植被層固碳速率研究

劉金鵬 高潤紅 謝金君

摘要：為了探究內(nèi)蒙古固陽縣不同灌木人工林植被層的固碳速率，以固陽縣3種常見灌木人工林樹種（檸條，沙棘，山杏）為研究對(duì)象，通過實(shí)地標(biāo)準(zhǔn)木取樣，建立各樹種生物量模型結(jié)合空間代替時(shí)間的方法，對(duì)研究區(qū)內(nèi)3種常見灌木林樹種進(jìn)行碳含量測定，并分析估算不同灌木樹種的碳密度和固碳速率。結(jié)果表明：固陽地區(qū)不同3種灌木不同林齡人工林植被層固碳速率范圍為0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1，其中檸條人工林植被層固碳速率范圍在0.12-0.38 t ·hm^-2·a^-1，沙棘人工林植被層固碳速率范圍在0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1，山杏人工林植被層固碳速率范圍在0.22-0.68 t ·hm^-2·a^-1之間，這一研究結(jié)果對(duì)西北干旱半干旱區(qū)灌木林固碳增匯以及灌木碳匯林營造時(shí)的的樹種選擇上提供了一定參考。

關(guān)鍵詞：人工林；灌木林；碳密度；固碳速率

中圖分類號(hào)：S718.55???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

Study on Carbon Fixation Rate of Main Shrub Artificial Forests in Guyang County， Inner Mongolia

Liu Jinpeng¹，Gao Runhong¹，Xie Jinjun^1，

• College of Forestry， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010019）

Abstract：[Objective]In order to investigate the carbon sequestration rate of different shrub artificial forest cover layers in Guyang County， Inner Mongolia，[Method]three common shrub artificial forest tree species （Caragana korshinskii， Hippophae rhamnoides， and Apricot） were selected as the research object. Through on-site standard wood sampling， biomass models of each tree species were established， and the method of space replacing time was used to measure the carbon content of three common shrub forest tree species in the study area. The carbon density and carbon sequestration rate of different shrub tree species were analyzed and estimated，[Result]The results showed that the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of three different shrubs and different forest ages in Guyang area ranged from 0.12 to 1.0t C · hm^-2· a^-1， with the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Caragana korshinskii ranging from 0.12 to 0.38t C · hm^-2· a^-1， the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Hippophae rhamnoides ranging from 0.12 to 1.0t C · hm^-2· a^-1， and the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Prunus armeniaca ranging from 0.22 to 0.68t C · hm^-2· a^-1，[Conclusion]This research result provides a certain reference for the carbon sequestration and sink enhancement of shrub forests in the arid and semi-arid regions of northwest China， as well as the selection of tree species for the construction of shrub carbon sink forests.

Keywords：artificial forest; Shrubs; Carbon density; Carbon sequestration rate

全球氣候問題日益嚴(yán)重，人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣溫室氣體過量，氣候變暖深刻影響著我們的生活。森林在吸收大氣二氧化碳，減少溫室氣體含量上具有重要作用^[1-2]，在我國碳達(dá)峰碳中和的目標(biāo)背景下，人工林的營造和擴(kuò)大是吸收大氣二氧化碳、增加碳匯極具價(jià)值和生態(tài)效益的方法之一^[3-5]。

內(nèi)蒙古是我國植樹造林的重點(diǎn)區(qū)域之一，是我國北疆生態(tài)安全的重要屏障，固陽縣地處內(nèi)蒙古中西部，氣候干旱降水稀少，屬于典型的干旱半干旱區(qū)，灌木人工林在此區(qū)域占有很大比重。檸條錦雞（Caragana korshinskii）、山杏（Prunus sibirica）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等灌木樹種具有抗旱耐寒，耐鹽堿，耐土壤貧瘠，造林成本低，需水量少，成活率高，防風(fēng)固沙等優(yōu)良特性，是西北干旱半干旱區(qū)主要的造林樹種，目前已有很多對(duì)于內(nèi)蒙古地區(qū)森林碳儲(chǔ)量的研究^[6-8]，由于內(nèi)蒙古東部森林資源豐富，對(duì)于碳儲(chǔ)量和固碳速率的研究大多聚焦于中東部區(qū)的喬木林以及喬木樹種^[9-14]，而灌木林的固碳作用長期以來被忽視，對(duì)于以灌叢，灌木林為主體生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)蒙古中西部來說，研究灌木的固碳特征具有重要意義，目前對(duì)于灌木的固碳研究大多聚焦于生物量以及碳密度^[15-18]，而對(duì)于灌木林的固碳速率，研究較為匱乏，為此本文以內(nèi)蒙古中西部固陽縣的主要3種人工灌木林樹種（檸條、山杏、沙棘）為研究對(duì)象，通過野外實(shí)地樣地調(diào)查，標(biāo)準(zhǔn)木采集，建立各樹種生物量模型并結(jié)合空間代替時(shí)間的方法估算了不同林齡灌木林植被層的碳密度以及固碳速率，綜合分析不同灌木樹種碳密度以及固碳速率之間的差異性。為西北干旱半干旱區(qū)灌木人工林的固碳增匯以及灌木碳匯林營造時(shí)的樹種選擇提供了科學(xué)參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

固陽縣隸屬于包頭市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部，東經(jīng)109°40′-110°41′，北緯40°42′-41°08′、地處大青山北麓，地勢南高北低，東部高于西部，平均海拔1300m，屬中溫帶大陸型干旱半干旱季風(fēng)氣候，氣溫偏低、降水少、光照充足，溫差大是其最明顯的氣候特征。全年無霜期為69-177d。年平均降水量為291.1mm，降水主要集中在6～8月，年平均蒸發(fā)量1941.4mm。占年降水量的64%，年日照小時(shí)數(shù)在3200h左右年平均氣溫5.5℃，土壤類型主要為栗鈣土、灰褐土和草甸土。森林覆蓋率達(dá)到23%，森林資源面積11.5萬hm²，主要樹種喬木樹種有白樺（Betula platyphylla）、小葉楊（Populus simonii）、榆樹（Ulmus pumila）和油松（Pinus?tabuliformis），灌木樹種有柄扁桃（Prunus pedunculata）、檸條（Caragana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、山杏（Prunus sibirica）、白刺（Nitraria tangutorum）等，草本植物有冷蒿（Artemisia?frigida）、羊草（Leymus?chinensis）、克氏針茅（Stipa?capillata）、鐵桿蒿（Tripolium?pannonicum）、山韭（Allium senescens）等。

1.2 野外樣地調(diào)查

于2022～2023年6月至9月連續(xù)在內(nèi)蒙古自治區(qū)固陽縣灌木人工林規(guī)模較大的三個(gè)區(qū)域即固陽林場、萬畝試驗(yàn)田、二相公路南人工林種植區(qū)進(jìn)行野外樣地調(diào)查和樣品采集，林齡的鑒定根據(jù)固陽林草局提供的造林年限資料，林齡按照3-5a，＞5-10a，＞10-15a、＞15-20a，＞20-25a進(jìn)行劃分，同一樹種相近林齡設(shè)置3個(gè)重復(fù)樣地，共計(jì)54個(gè)，灌木林樣地大小設(shè)置為為10m×10m，進(jìn)行每木檢尺，記錄灌木地徑、株（叢）高、平均冠幅、密度等樹木特征，草本層樣地大小為1m×1m設(shè)置于灌木樣地內(nèi)，記錄草本植物種類、株（叢）高、蓋度、株（叢）數(shù)，樣地基本信息表見表1.

1.3 樣品采集與碳含量測定

在灌木樣方的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，根據(jù)樣方內(nèi)灌木基徑，株高、冠幅的平均值選取標(biāo)準(zhǔn)木，將其伐倒，根系采用挖掘收獲法，剝離根、莖、葉、枝，分別測量各器官鮮質(zhì)量并帶回實(shí)驗(yàn)室烘箱85℃烘干至恒質(zhì)量，得到標(biāo)準(zhǔn)木干重即生物量，含碳率測定采用干燒法，經(jīng)烘干的樣品通過球磨儀研磨，過0.2mm篩，利用元素分析儀（Elementer VARIO Macro，德國）測定樹木各器官樣品的碳含量取平均值。在草本樣地內(nèi)，沿地面齊平收割所有草本植物（地上部分），并挖取收獲地下1m深度草本植物根系，干重及含碳率測定同灌木。

1.4灌木生物量預(yù)測模型的建立

本文所用數(shù)據(jù)為樣地實(shí)測灌木單株生物量數(shù)據(jù)，樣本數(shù)量共計(jì)162棵，其中檸條、沙棘、山杏各為54棵，建立灌木生物量預(yù)測模型，計(jì)算3種灌木的生物量，以常見的測樹因子基徑（D）、樹高（H），平均冠幅（C），樹冠面積（S）植被體積（V）以及聯(lián)合因子D²H為自變量，建立函數(shù)關(guān)系，加以比較并得到最優(yōu)方程。本研究利用計(jì)算樹木生物量計(jì)算常見的線性模型、二次函數(shù)模型、冪函數(shù)模型，指數(shù)函數(shù)模型和對(duì)數(shù)函數(shù)模型擬合灌木生物量。采用F檢驗(yàn)，平均系數(shù)（R²），估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差（SEE），3項(xiàng)指標(biāo)對(duì)模型擬合優(yōu)度進(jìn)行評(píng)估。

1.5碳密度的估算

利用實(shí)測得到各樹種單株標(biāo)準(zhǔn)木的生物量，通過函數(shù)模型擬合得到各樹種最優(yōu)生物量方程，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)測單株標(biāo)準(zhǔn)木含碳量從而得到單株標(biāo)準(zhǔn)木的碳儲(chǔ)量（公式6），通過樣地灌木密度與面積的換算得到林分灌木層碳密度（公式7），草本層單位面積的生物量與含碳量相乘得到草本層碳密度（公式8），整個(gè)林分植被層碳密度等于灌木層碳密度與草本層碳密度之和（公式9）

1.6林分固碳速率的估算

林分植被層固碳速率的計(jì)算采用空間代替時(shí)間的方法，不同林齡林分植被層碳密度的差值與林齡之差的比值為一段時(shí)間內(nèi)的平均固碳速率（公式10），利用不同林齡林分植被層固碳速率與其對(duì)應(yīng)林齡之間建立回歸關(guān)系方程式，并得出固碳速率隨林齡的變化趨勢線。

式中P為林分植被層固碳速率，T_n為林分的林齡，C_n為n年林齡林分植被層的碳密度

1.7數(shù)據(jù)處理

使用Excel2021和SPSS26軟件進(jìn)行樣地?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理分析與作圖，使用單因素方差分析法（one-way ANOVA）分析差異顯著性。

2結(jié)果與分析

2.1各樹種生物量模型的篩選

固陽地區(qū)3種灌木人工林樹種各器官以及全株生物量擬合方程和相關(guān)參數(shù)見表2

2.2不同樹種含碳量結(jié)果

固陽地區(qū)3種灌木人工林樹種各器官以及全株樣品含碳量的實(shí)測值如圖1所示，其中檸條各部分平均碳含量為葉（503.74g·kg^-1）＞枝（431.73g·kg^-1）＞根（422.64g·kg^-1）其中葉與枝、葉與根之間存在顯著差異性（P＜0.05），沙棘各部分平均碳含量為葉（541.71g·kg^-1）＞干（527.16g·kg^-1）＞枝（515.35g·kg^-1）＞根（454.86g·kg^-1），其中枝與葉，根與干、根與枝、根與葉都存在顯著差異性（P＜0.05）。山杏各部分平均含碳量為枝（431.32g·kg^-1）＞干（429.77g·kg^-1）＞葉（426.59g·kg^-1）＞根（417.61g·kg^-1），各器官均不存在顯著差異性（P＞0.05）。各樹種林下草本含碳量為檸條（435.86g·kg^-1）＞山杏（415.11g·kg^-1）＞沙棘（412.20g·kg^-1），林下草本含碳量無明顯差異（P＞0.05），整株平均碳含量為沙棘（502.84g·kg^-1）＞檸條（437.57g·kg^-1）＞山杏（427.30g·kg^-1），其中沙棘與檸條，沙棘與山杏的整株含碳量存在顯著性差異（P＜0.05）。

2.3不同樹種林分碳密度結(jié)果

固陽地區(qū)3種主要人工灌木林樹種植被層碳密度結(jié)果如下，檸條人工林植被層碳密度范圍在0.78～5.18 t ·hm^-2之間，按照林齡來看21年檸條林（5.18 t ·hm^-2）＞17年生檸條林（4.67 t ·hm^-2）＞13年生檸條林（3.80 t ·hm^-2）＞8年生檸條林（2.48 t ·hm^-2）＞5年生檸條林（1.36 t ·hm^-2＞3年生檸條林（0.78 t ·hm^-2），檸條人工林植被層碳密度隨著林齡的增加而增大，不同林齡碳密度之間差異不顯著（P>0.05）；沙棘人工林植被層碳密度范圍在0.91～14.06 t ·hm^-2之間，按照林齡來看22年生沙棘林（14.06 t·hm^-2）＞18年生沙棘林（13.57 t ·hm^-2）＞13年生沙棘林（9.99 t ·hm^-2）＞8年生沙棘林（4.98 t ·hm^-2）＞5年生沙棘林（2.32 t ·hm^-2）＞3年生沙棘林（0.91 t ·hm^-2）沙棘人工林植被層碳密度隨著林齡的增加而增大，不同林齡之間碳密度呈現(xiàn)顯著差異性（P＜0.05）山杏人工林植被層碳密度范圍在0.77～9.81 t ·hm^-2之間，按照林齡來看22年生山杏林（9.52 t ·hm^-2）＞16年生山杏林（8.17 t ·hm^-2）＞12年生山杏林（6.32 t ·hm^-2）＞8年生山杏林（3.43 t ·hm^-2）＞5年生山杏林（1.41 t ·hm^-2）＞3年生山杏林（0.77 t ·hm^-2）山杏人工林植被層碳密度隨著林齡的增加而增大，不同林齡之間碳密度呈現(xiàn)顯著差異性（P＜0.05）。在不同樹種之間，灌木人工林造林初期（3-5年，5-10年、10-15年）3種灌木人工林植被層碳密度整體相近，無顯著差異性（P＞0.05），在灌木林成熟以及過熟階段（15-20，20-25年）檸條的碳密度顯著小于沙棘與山杏（P＜0.05）。

2.4灌木林植被層固碳速率

固陽地區(qū)3種主要灌木人工林植被層固碳速率如圖所示，其中檸條人工林植被層固碳速率介于0.12-0.38 t ·hm^-2·a^-1之間，伴隨著林齡的增長，檸條人公林固碳速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在8年左右達(dá)到一個(gè)固碳速率高峰，但是林分達(dá)到成熟階段后（15-25年），其林分固碳速率顯著降低。沙棘人工林植被層固碳速率介于0.12-1.0 t·hm^-2·a^-1之間，林分植被層固碳速率隨著林齡的增長呈現(xiàn)先增大后減小，固碳速率最大值出現(xiàn)在13年左右，山杏人工林植被層固碳速率介于0.22-068 t ·hm^-2·a^-1之間，伴隨著林齡的增長其固碳速率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，固碳速率峰值出現(xiàn)在林齡12年左右，之后固碳速率逐漸降低。

3討論

本文中3種灌木人工林植被層固碳速率范圍在0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1之間，從灌木人工林平均固碳速率上看，沙棘（0.7424 t ·hm^-2·a^-1）＞山杏（0.5081 t ·hm^-2·a^-1）＞檸條（0.2509 t ·hm^-2·a^-1），與其它學(xué)者對(duì)內(nèi)蒙古部分地區(qū)灌木林的固碳速率研究如黨曉宏^[19]西鄂爾多斯五種荒漠灌叢年固碳量0.195-0.018 t ·hm^-2·a^-1，張冬梅^[20]阿拉善6種荒漠灌木群落0.04-0.697 t ·hm^-2·a^-1等相比較，本文灌木林固碳速率較大，可能是上述地區(qū)研究以荒漠自然灌木林為主，本文研究主體為灌木人工林，有適當(dāng)?shù)娜斯す喔葥嵊芾?，從而在植被固碳速率上?yōu)于這些地區(qū)。在與內(nèi)蒙古其它類型人工林固碳速率的比較上，如郭月峰^[21]內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶小葉楊固碳速率1.5～2.03 t·hm^-2·a^-1 ，趙瑋^[22]內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地小葉楊人工林喬木層平均固碳速率2.17 t·hm^-2·a^-1 曹貢祥^[23]呼倫貝爾沙地樟子松喬木層平均固碳速率2.13 t·hm^-2·a^-1等區(qū)域相比本文所研究樹種固碳速率較低，原因在于從生長特性上講干旱區(qū)灌木相較于喬木樹種其生長速度較慢，同時(shí)以上區(qū)域大部分位于內(nèi)蒙古東部區(qū)，其水分條件普遍優(yōu)于固陽，由此造成人工林固碳速率上的差異。此外由于干旱區(qū)風(fēng)蝕作用明顯，研究區(qū)內(nèi)林分枯落物層極少且分布不完整，不同區(qū)域土壤層含碳量差異較大，本文未對(duì)枯落物層和土壤層進(jìn)行研究分析，可能一定程度會(huì)影響研究結(jié)果。

4結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古固陽干旱半干旱區(qū)的檸條、沙棘、山杏3種灌木人工林植被層碳密度和固碳速率與林齡密切相關(guān)，其中植被層碳密度隨著林齡的增加而增大與Pregitzer KS， Euskirchen ES等^[24]對(duì)全球森林固碳與林齡關(guān)系的研究結(jié)果一致。3種灌木人工林從幼齡林至過熟林階段，植被層固碳速率都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，固碳高峰期都處于中齡林階段，灌木固碳速率隨林齡的變化規(guī)律與王娟等^[25]在半干旱區(qū)沙地對(duì)小葉錦雞兒和黃柳人工灌木林碳匯功能研究結(jié)果相似。本文所研究的人工灌木林在林分過熟之后，由于樹木老化，固碳速率顯著降低，因而老齡林和過熟林的碳匯功能很小，與Odum EP.^[26]對(duì)老齡林碳匯功能很弱或處于碳中性的研究一致，因此作為碳匯林，當(dāng)林分進(jìn)入老齡化之后為增強(qiáng)其碳匯能力，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行采伐更新和補(bǔ)植等措施。

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