秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度

沈 彪，黨坤良，武朋輝，朱成功

西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 楊凌 712100

秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度

沈 彪，黨坤良*，武朋輝，朱成功

西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院, 楊凌 712100

在秦嶺中段南坡油松林分布較為廣泛的不同區(qū)域，采用典型取樣的方法設(shè)置油松林標(biāo)準(zhǔn)地50塊。通過(guò)樣地調(diào)查和室內(nèi)分析，對(duì)本區(qū)油松林生態(tài)系統(tǒng)植被層、枯落物層及土壤層有機(jī)碳密度進(jìn)行了研究與估算，分析了油松林生態(tài)系統(tǒng)各層次的有機(jī)碳密度在不同立地因子下的分布規(guī)律。結(jié)果表明：秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)總有機(jī)碳密度為150.12 t/hm2，其中土壤碳分庫(kù)的碳密度占油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度的56.74%，是構(gòu)成油松林生態(tài)系統(tǒng)碳的主體組成部分。植被層碳密度為62.29 t/hm2，占油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度的41.49%，高于我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳密度平均值，且仍有較大的固碳潛力。枯落物層碳密度為2.66 t/hm2，占油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度的1.77%。在植被碳分庫(kù)中，喬木層碳密度是其主體構(gòu)成部分，為61.22 t/hm2，占植被層碳密度的98.30%；灌木層、草本層碳密度及其所占植被層碳密度的比例分別為：0.65 t/hm2(1.04%)、0.41 t/hm2(0.66%)。碳在喬木不同器官中的分配大小順序?yàn)椋簶?shù)干(55.82%)、樹(shù)枝(21.25%)、樹(shù)根(10.28%)、樹(shù)葉(7.35%)、樹(shù)皮(5.30%)。灌木層碳密度和草本層碳密度受地形因子影響不顯著。隨海拔的升高，喬木層碳密度呈先增后減的變化趨勢(shì)，在海拔1500—1700 m處達(dá)到最大值，枯落物層碳密度、土壤層碳密度及總碳密度變化不顯著；隨著坡度的增大，油松林生態(tài)系統(tǒng)枯落物層碳密度、土壤層碳密度及總碳密度顯著減小，喬木層碳密度呈先增后減的變化趨勢(shì)，在坡度為26—35°范圍達(dá)到最大值；下坡位土壤層碳密度高于中坡位和上坡位，而中坡位喬木層碳密度和生態(tài)系統(tǒng)總碳密度高于下坡位和上坡位，枯落物層碳密度受坡位影響不明顯；陽(yáng)坡喬木層碳密度大于陰坡，枯落物層碳密度、土壤層碳密度及總碳密度受坡向影響不明顯。

碳密度；油松；生態(tài)系統(tǒng)；秦嶺中段南坡

溫室效應(yīng)正在使地球以前所未有的速度變暖，目前，大氣中CO2的含量比過(guò)去6.5萬(wàn)年中任何時(shí)期都高，比工業(yè)革命前高了35%[1]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，同時(shí)也是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳地上部分的80%和地下部分的40%存儲(chǔ)于森林中[2]。森林通過(guò)同化作用吸收并固定大氣中的CO2，抑制其濃度上升的功能對(duì)于緩解全球變暖具有不可替代的作用和地位。森林作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的碳庫(kù)，其貯碳能力不僅取決于森林的面積，還取決森林的質(zhì)量，即單位面積的森林碳密度[3]。秦嶺既是我國(guó)的主要林區(qū)之一，也是我國(guó)中部的重要生態(tài)屏障，對(duì)秦嶺林區(qū)不同森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳密度特征的研究和估算，不僅能夠準(zhǔn)確估算秦嶺林區(qū)的碳儲(chǔ)量，而且對(duì)我國(guó)森林碳匯研究具有重要的意義。

關(guān)于秦嶺林區(qū)森林碳儲(chǔ)量與碳密度及其分配已有學(xué)者進(jìn)行過(guò)部分研究[4-8]，但現(xiàn)有研究主要集中在火地塘林區(qū)等幾個(gè)面積較小的區(qū)域內(nèi)，并且對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度在不同地形因子下的分布狀況少有研究。在較大尺度上對(duì)不同地形因子下森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度分布狀況的研究對(duì)研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)以及森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的準(zhǔn)確估算具有重要意義。本研究旨在通過(guò)樣地調(diào)查及生物量和含碳率的測(cè)定，較準(zhǔn)確地估算秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)的碳密度，同時(shí)分析秦嶺南坡中段油松林生態(tài)系統(tǒng)不同層次的碳密度與立地因子間的關(guān)系，為研究秦嶺林區(qū)乃至全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)特征提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺中段是指秦嶺位于陜西省中部的一部分。研究區(qū)位于陜南秦巴山地北部，地理位置位于32°53′—33°57′N，105°53′—111°01′E，總面積484 km2。海拔700—3071 m。年平均氣溫11.5 ℃，極端高溫41.3 ℃，極端低溫-25.1 ℃。年降水總量563—1274 mm，全年降水日數(shù)93—140 d。無(wú)霜期210 d, 植物生長(zhǎng)期130—206 d。區(qū)內(nèi)植被屬山地暖溫帶典型落葉闊葉林帶，森林主要分布于中高山區(qū)的中西段，絕大部分為次生林。由于本區(qū)森林在20世紀(jì)50—70年代經(jīng)歷了過(guò)度采伐和利用，因此原生植被幾乎蕩然無(wú)存，到20世紀(jì)90年代，森林基本恢復(fù)，形成大面積的天然次生林和人工林[9]。

油松屬陽(yáng)性、喜光、耐旱耐瘠薄樹(shù)種，在秦嶺中段南坡海拔1000—2200 m范圍普遍分布。伴生樹(shù)種主要為銳齒櫟(Ouercusalienavar.Acuteserrata)、華山松(Pinusarmandi)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)、青榨槭(Acerdavidii)、千金榆(Carpinuscordata)等。根據(jù)陜西省2006年森林資源清查資料，在秦嶺林區(qū)，油松林分布面積為34.55km2，以天然林為主，中幼齡林占油松林總面積的百分之九十以上。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

本研究以秦嶺中段南坡油松林分布較廣、面積較大的陜西省太白林業(yè)局黃柏塬林場(chǎng)(20塊)、西北農(nóng)林科技大學(xué)火地塘試驗(yàn)林場(chǎng)(10塊)、陜西省寧東林業(yè)局旬陽(yáng)壩林場(chǎng)(10塊)、陜西省寧西林業(yè)局菜子坪林場(chǎng)作為研究地點(diǎn)(10塊)，共布設(shè)20 m×20 m的調(diào)查樣地50塊。調(diào)查樣地設(shè)置在每個(gè)林區(qū)不同立地條件下，林分生長(zhǎng)狀況可以代表區(qū)域內(nèi)平均水平的油松純林中。所選林分均為天然中齡林。利用GPS確定每個(gè)樣地的位置，并記錄每塊樣地海拔、坡度、坡位、坡向等立地因子，進(jìn)行每木檢尺，記錄每株喬木的樹(shù)高、胸徑，調(diào)查林分郁閉度、灌木與草本蓋度、主要植物種類。采集樣品。各研究地區(qū)及樣地概況見(jiàn)表1。

表1 研究地自然條件概況及林分狀況Table 1 General situation of study sites and characteristics of the forest

1.2.2 立地因子的劃分

按照《西北主要樹(shù)種培育技術(shù)》[10]立地因子等級(jí)劃分方法，并結(jié)合本研究野外調(diào)查實(shí)際，本文立地因子的劃分如下：海拔按1300 m以下、1300 m—1500 m、1500 m—1700 m、1700 m以上劃分為4個(gè)等級(jí)；坡度按平地(≤5°)、緩坡(5°—15°)、斜坡(15°—25°)、陡坡(25°—35°)、急坡(35°—45°)、險(xiǎn)坡(>45°)劃分為6個(gè)等級(jí)；坡位按下坡位(地形圖上距離坡頂大于2/3 處及其以下的坡面)、中坡位(上坡位與下坡位之間的坡面部分)、上坡位(地形圖上距離坡頂1/3 處及其以上的坡面)劃分為3個(gè)等級(jí)；坡向分為陰坡(西北、正北、東北、正東)和陽(yáng)坡(東南、正南、西南、正西)兩個(gè)等級(jí)。

1.2.3 碳密度的估算

(1)喬木層生物量的估算 以2 cm為一個(gè)徑階，在每個(gè)樣地進(jìn)行每木檢尺。在每個(gè)樣地采用平均標(biāo)準(zhǔn)木法選取標(biāo)準(zhǔn)木3—5株。本研究共選取標(biāo)準(zhǔn)木184株，伐倒標(biāo)準(zhǔn)木并用收獲法挖出其根，分別稱量標(biāo)準(zhǔn)木的干(去皮)、皮、枝、葉、根等器官的鮮重。分器官采樣并帶回實(shí)驗(yàn)室85℃烘至恒重，測(cè)定各器官的含水率，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)木各器官的生物量，進(jìn)而估算調(diào)查樣地的喬木各器官的生物量。調(diào)查樣地喬木層生物量計(jì)算公式如下：

(1)

式中，Bj為樣地喬木各器官單位面積生物量(t/hm2)；j=1,2,3,4,5分別代表代表枝、葉、干、皮、根；Wj標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)木不同器官的生物量(t)；n為株數(shù)；S為樣地面積(0.04 hm2)。

(2)灌木層、草本層生物量及枯落物量 在每個(gè)調(diào)查樣地內(nèi)四角和中央分別設(shè)置2 m×2 m的灌木調(diào)查樣地、1 m×1 m的草本調(diào)查樣地、1 m×1 m的枯落物調(diào)查樣地，將灌木、草本連根挖出，分別稱量灌木根、枝干和葉鮮重，草本地上、地下部分鮮重，枯落物全部收集并稱重，分別取樣。所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室85 ℃烘至恒重，測(cè)定其含水率，進(jìn)而推算樣地內(nèi)單位面積灌木、草本各器官生物量及枯落物量。

(3)植被與枯落物層碳密度的估算 植被與枯落物所烘干樣品用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)200目篩用德國(guó)ELEMENTAR公司LIQUIC TOCⅡ總有機(jī)碳分析儀測(cè)定各部分含碳率，各部分單位面積生物量乘以含碳率即為其碳密度。

(4)土壤碳密度的估算 在每個(gè)調(diào)查樣地內(nèi)四角及中央各挖取1個(gè)土壤剖面，按照土壤自然發(fā)生過(guò)程分A、B、C3個(gè)層次分別采樣，記錄各層次厚度(本研究中A、B、C 3個(gè)層次的平均厚度分別為11、25 cm和30 cm)。用環(huán)刀法測(cè)土壤容重，挑出其中的植物根，大于2 mm的礫石，測(cè)定其含量(體積)，另取土樣風(fēng)干后磨碎，過(guò)200目篩，用德國(guó)ELEMENTAR公司LIQUIC TOCⅡ總有機(jī)碳分析儀測(cè)定樣品含碳率，土壤各層碳密度計(jì)算公式如下：

(2)

式中，SOCD為整個(gè)土壤剖面土壤有機(jī)碳密度(t/hm2)，n=3，ρi為第i層土壤平均容重(g/cm3)，θi為第i層>2 mm石礫含量(%)，ci為第i層土壤含碳率(g/kg)，di為第i層土壤厚度(cm)。

各層土壤碳密度之和即為總土壤碳密度。每個(gè)樣地中5個(gè)剖面平均值為樣地土壤碳密度。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理與分析采用EXCEL及SPSS軟件進(jìn)行。通過(guò)相關(guān)分析研究生態(tài)系統(tǒng)各組分碳密度間的關(guān)系，運(yùn)用方差分析比較不同海拔、不同坡度、不同坡位碳密度差異，差異顯著性檢驗(yàn)采用LSD法，用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較不同坡向碳密度差異程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)碳的總體分布特征

森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)由土壤碳分庫(kù)、植被碳分庫(kù)和枯落物碳分庫(kù)三部分組成。通過(guò)研究和計(jì)算，秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)總碳密度為89.81—202.35 t/hm2，平均碳密度為150.12 t/hm2。其中土壤碳分庫(kù)的碳密度為39.97—117.70 t/hm2，平均碳密度為85.17 t/hm2，占油松林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)總碳密度的56.74%；植被碳分庫(kù)的碳密度為18.93—112.22 t/hm2，平均碳密度為62.29 t/hm2，占油松林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)總碳密度的41.49%；枯落物層碳密度為0.37—6.50 t/hm2，平均碳密度為2.66 t/hm2，占油松林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)總碳密度的1.77%(表2)。

表2 油松林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳密度Table 2 Carbon density of each component in the Pinus tabulaeformis forest ecosystem

在油松林生態(tài)系統(tǒng)土壤碳分庫(kù)中，A層土壤碳密度為19.30—74.74 t/hm2，平均碳密度為43.07 t/hm2，占土壤碳分庫(kù)總碳密度的50.56%；B層碳密度為16.27—46.73 t/hm2，平均碳密度為33.31 t/hm2，占土壤碳分庫(kù)總碳密度的39.11%；C層碳密度為0.51—21.56 t/hm2，平均碳密度為8.80 t/hm2，占土壤碳分庫(kù)總碳密度的10.33%。

在油松林生態(tài)系統(tǒng)植被碳分庫(kù)中，喬木層碳密度為17.89—111.48 t/hm2，平均碳密度為61.22 t/hm2，占植被碳分庫(kù)碳密度的98.28%；灌木層碳密度為0.09—2.07 t/hm2，平均碳密度為0.65 t/hm2，占植被碳分庫(kù)碳密度的1.04%；草本層碳密度為0.03—1.25 t/hm2，平均碳密度為0.41 t/hm2，占植被碳分庫(kù)碳密度的0.66%。

2.2 喬木層碳在不同器官的分配

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，不同樹(shù)種構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)由于其生物學(xué)和生長(zhǎng)特性不同，因而喬木層碳在不同器官的分配也具有明顯差異。在油松林生態(tài)系統(tǒng)中，喬木層樹(shù)干碳密度為34.18 t/hm2，占喬木層總碳密度的55.82%；枝條碳密度為13.01 t/hm2；占喬木層總碳密度的21.25%；樹(shù)根碳密度為6.30 t/hm2，占喬木層總碳密度的10.28%；樹(shù)葉碳密度為4.50 t/hm2，占喬木層總碳密度的7.35%；樹(shù)皮碳密度為3.24 t/hm2，占喬木層總碳密度的5.30%(表3)。可見(jiàn)，樹(shù)干是構(gòu)成油松林生態(tài)系統(tǒng)喬木層碳密度的主要組成部分，在碳匯方面具有極為重要的作用。

表3 喬木層不同器官碳密度Table 3 Carbon density of different organs of the arbor

2.3 不同區(qū)域油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度差異分析

在秦嶺中段南坡不同區(qū)域，由于各區(qū)域氣候、土壤和人為活動(dòng)的影響不同，油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度也存在一定差異，但這種差異在4個(gè)林區(qū)之間并不顯著(P>0.05)(表4)。喬木層碳密度大小順序?yàn)椋貉?yáng)壩(71.83 t/hm2)>菜子坪(69.13 t/hm2)>火地塘(65.34 t/hm2)>黃柏塬(49.90 t/hm2)，喬木層碳密度黃柏塬林區(qū)顯著低于其他3個(gè)地區(qū)，而菜子坪、火地塘、旬陽(yáng)壩3個(gè)林區(qū)之間喬木層碳密度差異不顯著；灌木層碳密度以菜子坪林區(qū)最高，平均為1.09 t/hm2，并與其他3個(gè)區(qū)域灌木層碳密度存在顯著差異；不同林區(qū)之間草本層、枯落物層的碳密度差異不顯著；4個(gè)林區(qū)油松林的土壤碳密度非常接近，幾乎不存在差異；由此可見(jiàn)，導(dǎo)致不同區(qū)域油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度差異的主要因素為喬木層碳密度，但總碳密度差異不顯著，說(shuō)明在秦嶺中段南坡這一較大范圍內(nèi)進(jìn)行油松林碳密度的估算可以代表該區(qū)域油松林碳密度的總體水平。

表4 各研究地油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度(t/hm2)Table 4 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem in each study sites

不同字母表示差異顯著(α=0.05)

2.4 立地因子對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響

2.4.1 海拔對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析和檢驗(yàn)，結(jié)果表明在秦嶺中段南坡油松林集中分布的海拔范圍內(nèi)，油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度(F3,46=1.364，P=0.266)、土壤層碳密度(F3,46=0.1.277，P=0.293)、灌木層碳密度(F3,46=0.199，P=0.897)、草本層碳密度(F3,46=0.742，P=0.532)和枯落物層碳密度(F3,46=0.329，P=0.804)與海拔具有一定的關(guān)系，但這種關(guān)系不顯著；從碳密度隨海拔變化趨勢(shì)來(lái)看，油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度與土壤層碳密度隨海拔升高具有增加的趨勢(shì)(圖1)。在不同海拔范圍油松林生態(tài)系統(tǒng)喬木層碳密度存在極顯著差異(F3,46=4.686，P=0.006)，在海拔1500—1700 m范圍內(nèi)，油松林生態(tài)系統(tǒng)喬木層碳密度顯著高于其它海拔范圍，達(dá)到76.08 t/hm2；當(dāng)海拔低于1500 m，隨著海拔的升高，喬木層碳密度增加，當(dāng)海拔高于1700 m，喬木層碳密度有下降趨勢(shì)。

圖1 不同海拔油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度(t/hm2)Fig.1 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem of different elevation

2.4.2 坡度對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響

坡度對(duì)秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)的總碳密度(F5,44=8.296，P=0.000)、喬木層碳密度(F5,44=3.342，P=0.012)、枯落物層碳密度(F5,44=4.771，P=0.001)及土壤碳密度(F5,44=16.025，P=0.000)具有極為重要的影響，均呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。喬木層碳密度隨坡度增大呈先增后減的趨勢(shì)，斜坡與陡坡喬木層碳密度顯著高于其他坡度(P<0.05)，在陡坡達(dá)到最大值74.23 t/hm2，土壤層碳密度、枯落物層碳密度及總碳密度隨坡度的增加而顯著減小(圖2)。不同坡度灌木層的碳密度(F5,44=1.127，P=0.360)和草本層碳密度(F5,44=0.615，P=0.689)差異不顯著。

2.4.3 坡位對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響

通過(guò)計(jì)算，在秦嶺中段南坡，油松林生態(tài)系統(tǒng)的總碳密度(F2,47=4.594，P=0.015)、喬木層碳密度(F2,47=5.249，P=0.009)、土壤層碳密度(F2,47=4.815，P=0.013)受坡位影響較為顯著(表5)。其中，土壤碳密度下坡位最大，平均為94.62 t/hm2，與上坡位(75.34 t/hm2)差異顯著，中坡位(86.42 t/hm2)介于上坡位和下坡位之間?？偺济芏群蛦棠緦犹济芏榷际侵衅挛淮笥谏掀挛缓拖缕挛?。不同坡位灌木層(F2,47=0.038，P=0.962)、草本層(F2,47=0.088，P=0.916)、枯落物層(F2,47=1.121，P=0.334)碳密度差異不顯著，但枯落物層碳密度平均值大小表現(xiàn)為下坡位(2.98 t/hm2)>中坡位(2.78 t/hm2)>上坡位(2.23 t/hm2)趨勢(shì)。

2.4.4 坡向?qū)τ退闪稚鷳B(tài)系統(tǒng)碳密度的影響

t檢驗(yàn)結(jié)果表明，不同坡向油松林生態(tài)系統(tǒng)喬木層碳密度差異顯著(表6)，陽(yáng)坡(68.39 t/hm2)顯著高于陰坡(54.61 t/hm2)，這與油松具有喜光的生物學(xué)特性相吻合。灌木層、草本層、枯落物層以及土壤層碳密度陰坡大于陽(yáng)坡，總碳密度陽(yáng)坡大于陰坡，但差異均不顯著(P>0.05)，說(shuō)明坡向?qū)τ退闪稚鷳B(tài)系統(tǒng)碳密度的影響主要表現(xiàn)在對(duì)喬木層碳密度的影響上。

圖2 不同坡度油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度Fig.2 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem of different gradient

表5 不同坡位油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度Table 5 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem of different slope position

表6 不同坡向油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度Table 6 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem of different slope aspect

3 討論

3.1 油松林生態(tài)系統(tǒng)各組分的碳密度

研究結(jié)果表明，秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度平均為150.12 t/hm2，喬木層與土壤層為生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的主體，占生態(tài)系統(tǒng)總碳密度的97%以上。其中植被層碳密度為62.29 t/hm2，與鄧?yán)俚热送ㄟ^(guò)二類森林調(diào)查資料估算的寧陜縣油松林碳密度(63.90 t/hm2)[8]相近，比李?？萚11]人估算的中國(guó)油松林平均碳密度(20.94 t/hm2)高出41.35 t/hm2，比趙敏(41.32 t/hm2)[12]、徐新良(38.56 t/hm2)[13]、方精云(41.0 t/hm2)[14]等人估算的我國(guó)森林植被平均碳密度分別高出20.97 t/hm2、23.73 t/hm2、21.29 t/hm2?？梢?jiàn)該地區(qū)油松林喬木層碳密度與全國(guó)森林碳密度平均值相比處于相對(duì)較高水平，但仍低于世界平均值(86 t/hm2)[15]。土壤碳密度平均為85.17 t/hm2，約為植被層的1.4倍，相對(duì)于全球森林土壤碳儲(chǔ)量約為植被碳儲(chǔ)量的2.2倍[15]而言較低，這主要是因?yàn)榍貛X林區(qū)地形以山地為主，山勢(shì)陡峭，油松林多分布在土層較為瘠薄的地段所致。油松喜溫涼氣候，由表1可以看出本區(qū)油松主要分布區(qū)年均溫在2—11℃，年降水充沛，土壤為棕色森林土，氣候環(huán)境較為適合油松生長(zhǎng)；本區(qū)平均林齡35—40a，以中幼齡林為主，因而仍有較大的碳匯潛力。

本研究結(jié)果表明秦嶺中段南坡油松林喬木層碳密度在不同器官中分布不均，主要集中在樹(shù)干(55.82%)、樹(shù)枝(21.25%)和根系(10.28%)中。這與程堂仁[16]等在小隴山和任軍輝等[17]在賀蘭山的研究結(jié)論一致。樹(shù)皮與樹(shù)葉占喬木層碳密度的比例很小，雖在不同地區(qū)存在差異但差別不大。本研究中樹(shù)干碳密度在喬木層碳密度中所占的比重(55.82%)高于小隴山(48.76%)與賀蘭山(44.95%)。喬木層碳密度在不同器官中的分配與樹(shù)高、胸徑以及根冠比等有關(guān)。這些生長(zhǎng)指標(biāo)受立地條件以及樹(shù)木年齡的影響。小隴山林區(qū)年均降水量460—900 mm，蒸發(fā)量989—1658 mm，賀蘭山林區(qū)年均降水量420 mm，相對(duì)缺水的環(huán)境使得油松必須擴(kuò)大根系，以獲取足夠的水分，根系在小隴山林區(qū)與賀蘭山林區(qū)油松林碳密度所占的比重分別為17.78%和17.43%，明顯高于本研究(10.28%)。由于樹(shù)干不參與凋落過(guò)程，其所固定的碳可以在較長(zhǎng)時(shí)區(qū)內(nèi)儲(chǔ)存于森林中。較高的樹(shù)干碳密度有利于碳的長(zhǎng)期固定，因此秦嶺中段南坡油松林具有相對(duì)較高的固碳能力。

3.2 地形因子對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度各組分的影響

油松林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層與土壤層碳密度之和占到總碳密度的97.52%，因此，地形因子對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度的影響主要通過(guò)影響喬木層和土壤層碳密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

本研究結(jié)果表明，不同海拔范圍的油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度無(wú)顯著差異，海拔對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響主要體現(xiàn)在喬木層，對(duì)其他各層的影響則是不顯著的。海拔高度的變化會(huì)引起水熱狀況的差異。隨著海拔的增加，氣溫逐漸降低，而根據(jù)董立民[18]等對(duì)秦嶺火地塘林區(qū)的研究，年降水量隨海拔呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律，年降雨量最大值出現(xiàn)在2000 m。陜西森林編輯委員會(huì)[19]和李戰(zhàn)剛[20]的資料表明在海拔800—1000 m，年均溫為13—14 ℃，≥10℃年積溫4000—4500 ℃；海拔1200—1500年均溫6—10 ℃，≥10 ℃年積溫1700—2500 ℃；而海拔2000 m以上年均溫在6 ℃以下，≥10 ℃年積溫不足1700 ℃。油松喜溫涼氣候，耐寒能力較強(qiáng)，因此油松林喬木層的碳密度在海拔1500 m以下隨海拔降低而減小的可能原因?yàn)榈秃０蔚慕邓繙p少而溫度上升，油松生長(zhǎng)情況不如中海拔范圍，這也是油松在本區(qū)域分布下界被馬尾松代替的原因；而高海地區(qū)由于氣溫較低，年積溫較少，油松的生長(zhǎng)較之中海拔范圍也較差。根據(jù)陳存根[21]等的研究油松在火地塘林區(qū)適生海拔為1560—1640 m，這與本研究油松林喬木層碳密度在海拔1500—1700 m范圍內(nèi)達(dá)到最大相一致。

在該地區(qū)，坡度對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響在喬木層、土壤層、枯落物層均達(dá)到顯著或極顯著水平。這使得該地區(qū)不同坡度的油松林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度呈現(xiàn)極顯著差異。本研究結(jié)果顯示，斜坡和陡坡油松林生態(tài)系統(tǒng)喬木層碳密度顯著高于其他坡度范圍。陽(yáng)昌平等[22]在太岳山對(duì)不同坡度油松生長(zhǎng)狀況的研究表明，緩坡與斜坡的樹(shù)高、胸徑均高于平地和陡坡，本研究的結(jié)果與之相似。坡度主要影響林冠層所接受的光照以及土壤水肥狀況。事實(shí)上坡度可以增加林冠層接受光照的面積，這有利于喬木的生長(zhǎng)和吸收固定CO2。但是在坡面上，隨著坡度的增加，降雨入滲到土壤的量減少，而多以地表徑流的方式流失[23]。由于重力作用，土壤水分難以保持；同時(shí)坡度的增大還帶來(lái)土壤養(yǎng)分的流失加劇，隨著坡度增大，土壤養(yǎng)分減少。土壤水肥狀況變差使得較大坡度上油松生長(zhǎng)較差，碳密度較低。而本研究與陽(yáng)昌平等在太岳山的研究具體最適坡度的不同一個(gè)可能的原因是太岳山年降水低于秦嶺，坡度因素中水分的影響較大，而秦嶺南坡中段由于水分條件較好，光照的影響較太岳山顯著。在本研究中，油松林生態(tài)系統(tǒng)土壤層、枯落物層的碳密度隨坡度的增大而減小,達(dá)到極顯著水平。在較大坡度的油松林中，枯落物由于重力，地表徑流以及風(fēng)等作用向下運(yùn)動(dòng)而造成損失，難以在林內(nèi)積累并向土壤中輸入有機(jī)質(zhì)。土壤有機(jī)質(zhì)因?yàn)樗亮魇Ш洼斎霚p少而顯著降低。最終由于坡度對(duì)喬木、土壤以及枯落物層的顯著影響，在該地區(qū)，油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度隨坡度的增大而顯著減少。

坡位對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響主要體現(xiàn)在喬木層與土壤層。本研究的結(jié)果類似于劉艷等[24]在北京百花山和侯琳等[25]在火地塘的研究，土壤碳密度在下坡位顯著高于上坡位，而中坡位土壤碳密度介于上坡位和下坡位，但與兩者差異均不顯著。其可能的原因除了土壤顆粒以及枯落物向下運(yùn)移(事實(shí)上在本研究中枯落物層的碳密度在不同坡位也表現(xiàn)為下坡位(2.98 t/hm2)>中坡位(2.78 t/hm2)>上坡位(2.23 t/hm2)趨勢(shì))，還與上坡位的土層較薄有關(guān)。喬木層的碳密度中坡位顯著高于上坡位和下坡位。土壤養(yǎng)分和水分的向下運(yùn)移以及上坡位較淺的土層使得中坡位較上坡位更適合油松的生長(zhǎng)。而下坡位在較優(yōu)的水肥條件下其喬木層碳密度并不高，其可能原因之一為下坡位人為干擾比較強(qiáng)烈，嚴(yán)重影響了油松林碳的積累。這也是在本研究中油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度在低海拔、小坡度、下坡位地段碳密度較小的重要原因之一。

油松林喬木層碳密度在不同坡向表現(xiàn)為陽(yáng)坡顯著大于陰坡。在秦嶺南坡中段水熱條件較好的情況下，光照條件是影響油松生長(zhǎng)的主要因素。油松是喜光樹(shù)種，陰坡光照條件相對(duì)較差，不利于油松的生長(zhǎng)和碳密度的積累。林下植被的生長(zhǎng)受到水分、溫度、養(yǎng)分、光照等多種因素的綜合影響。陽(yáng)坡油松生長(zhǎng)優(yōu)于陰坡，郁閉度較高，林下植被獲得的光照較少，可能是導(dǎo)致林下灌木層、草本層碳密度陰坡大于陽(yáng)坡的主要因素。陰坡地表溫度較低，不利于枯落物的分解，導(dǎo)致枯落物層碳密度陰坡大于陽(yáng)坡，但是這些差異并不顯著。

4 結(jié)論

秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)中地形因子對(duì)油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響主要表現(xiàn)在喬木層和土壤層。海拔、坡度、坡位、坡向均對(duì)喬木層的碳密度影響顯著(P<0.05)，而坡度和坡位對(duì)土壤層碳密度具有顯著的影響(P<0.05)。森林生態(tài)系統(tǒng)的碳密度在不同立地條件下的差異，最終是受光照、溫度、水分等環(huán)境因子的綜合影響，同時(shí)也與森林植被的特征有關(guān)。在不同地區(qū)差異較大的氣候條件下或不同的森林類型下，森林生態(tài)系統(tǒng)各碳庫(kù)在不同立地條件下的分布可能有所差異。這使得森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究以及利用森林調(diào)查資料進(jìn)行大尺度碳儲(chǔ)量估算時(shí)，應(yīng)給與地形因子和氣候條件與植被類型同等的重視，以保證研究或估算的可靠性。

[1] 水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心. 氣候變化權(quán)威報(bào)告——IPCC報(bào)告. 中國(guó)水利, 2008, (2): 38-40.

[2] Malhi Y, Baldocchi D D, Jarvis P G. The carbon balance of tropical, temperate and boreal forests. Plant, Cell and Environment, 1999, 22(6): 715-740.

[3] 胡會(huì)峰, 劉國(guó)華. 森林管理在全球CO2減排中的作用. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 17(4): 709-714.

[4] 劉華, 雷瑞德. 秦嶺火地塘林區(qū)主要森林類型碳儲(chǔ)量和碳密度估算. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2005, 21(3): 138-142.

[5] 馬明, 王得祥, 劉玉民. 秦嶺天然華山松林碳素空間分布規(guī)律及其動(dòng)態(tài)變化. 林業(yè)資源管理, 2008, (5): 75-78.

[6] 侯琳, 雷瑞德, 王德祥, 尚廉斌, 趙輝. 秦嶺火地塘林區(qū)油松群落喬木層的碳密度. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 37(1): 23-24.

[7] 馬明, 王得祥, 劉玉民. 秦嶺火地塘林區(qū)天然油松林碳素空間分布規(guī)律. 西南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2009, 31(3): 114-118.

[8] 鄧?yán)? 上官周平. 秦嶺寧陜縣森林植被碳儲(chǔ)量與碳密度特征. 西北植物學(xué)報(bào), 2011, 31(11): 2310-2320.

[9] 康永祥, 張景群, 李登武. 秦嶺中段北坡主要植被類型潛在火行為劃分. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, 27(5): 20-24.

[10] 羅偉祥. 劉廣全, 李家玨. 西北主要樹(shù)種培育技術(shù). 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 2007: 238-245.

[11] 李?？? 雷淵才, 曾偉生. 基于森林清查資料的中國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量. 林業(yè)科學(xué), 2011, 47(7): 7-12.

[12] 趙敏, 周廣勝. 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳貯量及其影響因子分析. 地理科學(xué), 2004, 24(1): 50-54.

[13] 徐新良, 曹明奎, 李克讓. 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2007, 26(6): 1-10.

[14] 方精云, 郭兆迪, 樸世龍, 陳安平. 1981—2000年中國(guó)陸地植被碳匯的估算. 中國(guó)科學(xué)D輯, 2007, 37(6): 804-812.

[15] Dixon R K, Solomon A M, Brown S, Houghton R A, Trexier M C, Wisniewski J. Carbon pools and flux of global forest ecosystems. Science, 1994, 263(5144): 185-190.

[16] 程堂仁, 馮菁, 馬欽彥, 王玉濤, 康峰峰, 馮仲科, 張彥林, 鄧向瑞. 甘肅小隴山森林植被碳庫(kù)及其分配特征. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 28(1): 33-44.

[17] 任軍輝, 劉建軍, 劉斌, 張宇鈺, 杜承星. 寧夏賀蘭山天然油松林碳儲(chǔ)量和碳密度. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 39(5): 108-110.

[18] 董立民, 劉淑明, 辛繼紅. 秦嶺火地塘林場(chǎng)氣候要素隨海拔高度的變化. 水土保持通報(bào), 1995, 15(3): 16-19.

[19] 陜西森林編輯委員會(huì). 陜西森林. 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 1986: 1-31.

[20] 李戰(zhàn)剛, 黨坤良, 李登武. 陜西天華山自然保護(hù)區(qū)綜合科學(xué)考察與研究. 西安: 陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 2005: 1-29.

[21] 陳存根, 彭鴻. 秦嶺火地塘林區(qū)主要森林類型的現(xiàn)存量和生產(chǎn)力. 西北林學(xué)院學(xué)報(bào), 1996, 11(Supp l): 92-102.

[22] 陽(yáng)昌平, 林鴻興, 駢鐵虎. 太岳山油松生長(zhǎng)與主要地形林分因子關(guān)聯(lián)分析. 山西林業(yè)科技, 1988, (3): 8-13.

[23] 郝振純, 呂美霞, 呂美朝, 王加虎. 坡度作用下土壤水分時(shí)空異質(zhì)性研究. 水文, 2012, 32(2): 5-10.

[24] 劉艷, 查同剛, 付汝軍. 百花山典型林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及垂直分布特征. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 21(3): 182-187.

[25] 侯琳, 雷瑞德, 王得祥, 趙輝. 秦嶺火地塘天然次生油松林土壤有機(jī)碳的特征. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2008, 36(8): 156-160.

Organic carbon density inPinustabulaeformisforest ecosystem on the south slope of the middle Qinling Mountains, China

SHEN Biao, DANG Kunliang*, WU Penghui, ZHU Chenggong

CollegeofForestry,NorthwestAgriculture&ForestUniversity,Yangling712100,China

Organic carbon density (OCD) in different carbon pools ofPinustabulaeformisforest ecosystem and its relationship with different geocentric factors are important for estimating forest carbon budgets, and helpful to understand forest carbon cycles.In this study, we established fifty sample plots at different site conditions using typical sampling method on the south slope of the Middle Qinling Mountains, wherePinustabulaeformisis widely distributed. Organic carbon density in different carbon pools ofPinustabulaeformisforest ecosystem and its relationship with different geocentric factors were estimated and analyzed. Our objective was to estimate OCD in different carbon pools ofPinustabulaeformisforest ecosystem and its distribution on different geocentric factors, to understand the effects of geocentric factors on forest carbon budgets. The results showed that the total OCD ofPinustabulaeformisforest ecosystem was 150.12 t/hm2in this region. The proportion of soil pool OCD was 56.74% and comprised the major part of the OCD of ecosystem. The OCD of litter pool was 2.66 t/hm2, accounting for 1.77% of the ecosystem. Carbon density of vegetation pool was 62.29 t/hm2，taking up 41.49% of the OCD of ecosystem. The OCD of vegetation layer in this region was much higher than the average vegetation pool OCD of forest ecosystem in China, and mere carbon sequestrations are expected. The tree OCD was 61.22 t/hm2, accounting 98.3% of the whole vegetation OCD. The OCD of shrub and herb were 0.65 t/hm2and 0.41 t/hm2, accounting for 1.04% and 0.66% of the vegetation pool respectively. The OCD of different compositions of tree ranked as stem>branch>roots>leaf>bark. Effects of geocentric factors on the OCD of shrub and herb were insignificant. With the increase of elevation, the OCD of tree first increased and then decreased, peaking at 1500—1700 (a.s.l.). Variations of OCD in litter, soil and the ecosystem were insignificant. With the increase of slope gradient, the OCD of litter, soil and the ecosystem significantly decreased. In comparison, the OCD of tree first increased and then decreased, reaching its maximum on the slope gradient of 26—35°. The OCD of soil was higher in the lower slope compared with that of the middle and the upper slope, while the OCD of tree and the ecosystem was larger in the middle slope. Nevertheless, effects of slope position on the OCD of litter were slight. The OCD of tree at sun-facing slope appeared higher than that of back slope. While effects of slope aspect on the OCD of litter, soil layer and ecosystem were insignificant. It was concluded that effects of geocentric factors on the OCD ofPinustabulaeformisforest ecosystem were mainly on the tree pool and soil pool on the south slope of the Middle Qinling Mountains. Effects of elevation, slope gradient, slope position, slope aspect were significant on tree pool, and effects of slope gradient, slope position were significant on soil pool. Geocentric factors should be considered in researches on forest ecosystem carbon cycles and estimation of carbon storage of forest ecosystem.

organic carbon density;Pinustabulaeformis;ecosystem; the south slope of the Qinling Mountains

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201204502)

2013-05-09;

日期:2014-07-18

10.5846/stxb201305090996

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Dangkl@126.com

沈彪，黨坤良，武朋輝，朱成功.秦嶺中段南坡油松林生態(tài)系統(tǒng)碳密度.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(6):1798-1806.

Shen B, Dang K L, Wu P H, Zhu C G.Organic carbon density inPinustabulaeformisforest ecosystem on the south slope of the middle Qinling Mountains, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1798-1806.