桂西北光皮樺人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分布格局*

滕秋梅，劉俊，廖倩苑，何斌，李遠(yuǎn)航，舒凡

(廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧　530004)

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桂西北光皮樺人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分布格局*

滕秋梅，劉俊，廖倩苑，何斌，李遠(yuǎn)航，舒凡

(廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧530004)

森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是陸地森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，在全球碳循環(huán)和碳平衡中發(fā)揮著重要作用。本文采用樣地測(cè)定方法對(duì)廣西天峨縣林朵林場(chǎng)12年生光皮樺人工林的碳素含量、儲(chǔ)量及其空間分布格局開展了研究。結(jié)果表明，(1)光皮樺不同器官碳素含量為411.3～477.6g/kg，各器官碳素含量排序從大到小依次為干材、干皮、樹根、樹枝、樹葉。灌木層碳素含量為455.4g/kg，草本層為427.2g/kg，凋落物層為427.1g/kg。0～80cm土層碳素含量為15.8g/kg，其中表土層(0～20cm)的碳素含量(31.0g/kg)明顯高于其他土層。(2)光皮樺人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為201.45t/hm2，其中喬木層為51.86t/hm2，占25.74%；灌木層為1.02t/hm2，占0.51%；草本層為0.51t/hm2，占0.25%；凋落物層為1.81t/hm2，占0.90%；土壤層為146.26t/hm2，占72.60%。(3)光皮樺12年生人工林年凈生產(chǎn)力為11.22t/(hm2·a)，年凈固碳量為5.06t/(hm2·a)，折合成CO2的量為18.56t/(hm2·a)。

光皮樺人工林；碳素含量；碳儲(chǔ)量

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，在維持全球碳平衡、調(diào)節(jié)全球氣候等方面起著重要的作用[1～2]。人工林是森林的重要組成部分，科學(xué)地發(fā)展、利用和保護(hù)人工林，提高其生產(chǎn)力，對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，以及生態(tài)環(huán)境的保護(hù)都具有重要的作用和意義。近年來，國內(nèi)學(xué)者先后對(duì)中國一些人工林樹種如馬尾松〔Pinusmassoniana(Lamb)〕[3]、杉木〔Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook〕[4]、桉樹(EucalyptusRobusta Smith)[5]、楊樹(PopulusL.)[6]、馬占相思(AcaciamangiumWilld.)[7]、禿杉(TaiwaniaflousianaGaussen)[8]等用材林以及荔枝(LitchichinensisSonn.)、龍眼(DimocarpuslonganLour.)等經(jīng)濟(jì)林[9]生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分配格局進(jìn)行了研究，為正確評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能提供了科學(xué)依據(jù)。

光皮樺(Betulaluminifera)為樺木科(Betulaceae)樺木屬(Betula)落葉高大喬木，是中國特有的優(yōu)良速生用材樹種，主要分布于云南、貴州、四川和陜西等，具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)迅速、干形通直、材質(zhì)優(yōu)良和用途廣泛等特性，經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益較高，因而具有廣闊的發(fā)展前景[10]。自20世紀(jì)80年代以來，中國學(xué)者先后對(duì)光皮樺的生物學(xué)及生態(tài)學(xué)特性、種群演變規(guī)律、育苗及造林技術(shù)、生長(zhǎng)規(guī)律以及混交效益等方面進(jìn)行了研究[10～13]。本文以廣西西北部天峨縣林朵林場(chǎng)12年生光皮樺人工林為研究對(duì)象，通過對(duì)該人工林碳素含量、儲(chǔ)量和碳素年凈固定量及其分布格局的研究，以期揭示該區(qū)域光皮樺人工林固碳特性，為正確評(píng)價(jià)該區(qū)域人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和固碳潛力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西西北部天峨縣林朵林場(chǎng)立興分場(chǎng)(107°16′E，24°55′N)，海拔600～650m，年均溫19.9℃，年均降水量1 370mm，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候。試驗(yàn)地土壤為二迭紀(jì)灰綠砂頁巖發(fā)育而成的山地黃紅壤，土層厚度80cm以上。前茬為杉木純林，于2000年4月用光皮樺實(shí)生苗營造，初植密度1 250株/hm2，株行距2m×4m。2012年12月底調(diào)查時(shí)林分生長(zhǎng)特征見表1。林下灌木主要有鹽膚木(Rhuschinenesis)、毛桐(Mallotusbarbatus)、杜莖山(Maesajaponica)等，草本主要有五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、粗葉懸鉤子(Rubusalceaefolius)和龍須草(Eulaliosisbinata)等。凋落物層厚度2～3cm。

表1　光皮樺人工林生長(zhǎng)特征

1.2研究方法

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置和林分生物量測(cè)定

在立地條件相似、生長(zhǎng)中等的12年生光皮樺人工林內(nèi)設(shè)置3塊面積400m2(20m×20m)的標(biāo)準(zhǔn)樣地，測(cè)定各樣地林木樹高、胸徑和冠幅等生長(zhǎng)因子。分別在各樣地選取1株平均木，樹木伐倒后，地上部分采用Monsic分層切割法分別收集樹葉、樹枝、樹干和樹皮；地下部分采用全根挖掘法收集[13]。測(cè)定各器官鮮質(zhì)量后，采集不同器官樣品帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定含水率和干質(zhì)量，計(jì)算喬木層生物量；同時(shí)在各標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置5個(gè)1m×1m樣方，先用樣方法收割和稱量灌木和草本層地上部分鮮質(zhì)量,然后挖掘、收集和稱量樣方地下灌木和草本的根[14]；凋落物層則收集和稱量樣方內(nèi)凋落物鮮質(zhì)量,同時(shí)取樣測(cè)定其含水率和干質(zhì)量，計(jì)算灌木層、草本層和凋落物層的生物量。

1.2.2樣品采集及其碳素含量的測(cè)定

分別采集林木各器官、灌木層、草本層和凋落物層的樣品，經(jīng)烘干、粉碎、過篩、裝瓶后待測(cè)。同時(shí)在各標(biāo)準(zhǔn)地中分別設(shè)置3個(gè)代表性土壤剖面，以每20cm為一層，采集0～80cm深度的4層土壤樣品，同一標(biāo)準(zhǔn)地相同土層樣品混合后取約1kg，放置室內(nèi)自然風(fēng)干，粉碎過篩后裝瓶。同時(shí)用不銹鋼100cm3環(huán)刀采集各土層原狀土壤，用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。

植物和土壤樣品碳素含量均用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定[15]。

1.2.3數(shù)據(jù)處理

植物碳儲(chǔ)量(t/hm2)=植物生物量(t/hm2)×植物碳素含量(g/kg)÷1000；土壤碳儲(chǔ)量(t/hm2)=面積(m2)×土層厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×有機(jī)碳含量(g/kg)÷1000;喬木層各器官年凈固碳量〔t/(hm2·a)〕=喬木層各器官年平均生物量(t/hm2)×各器官碳素含量(g/kg)÷1000，其中喬木層各器官年平均生物量中除樹葉按其生長(zhǎng)時(shí)間2a計(jì)算外，其他器官均按林分年齡即12年計(jì)算。

利用Excel 2003軟件進(jìn)行常規(guī)數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2　結(jié)果與分析

2.1不同結(jié)構(gòu)層次碳素含量

從表2可以看出，光皮樺人工林各器官碳素含量在411.3～477.6g/kg之間，平均含量為458.4g/kg。各器官碳素含量表現(xiàn)為干材>干皮>樹根>樹枝>樹葉。

表2　光皮樺各組分碳素含量

注: *經(jīng)各組分生物量或各土層重量加權(quán)平均。

光皮樺人工林灌木層、草本層和凋落物層碳素含量分別為455.4g/kg、427.2g/kg和427.1g/kg。林分不同結(jié)構(gòu)層次(不包含凋落物層)碳素含量以喬木層最高，其次是灌木層，草本層最低，即隨植物個(gè)體高度或者組織木質(zhì)化程度降低，其碳素含量也隨之下降。

光皮樺人工林土壤有機(jī)碳含量明顯低于林分其他結(jié)構(gòu)層次，且表現(xiàn)出隨土層加深而明顯下降的趨勢(shì)。由于該林分凋落物較豐富，且主要以容易分解的樹葉為主，凋落物和植物根系分解所形成的有機(jī)碳主要聚集在表層土壤，從而造成0～20cm土層有機(jī)碳含量(31.0g/kg)明顯高于土壤其他土層(5.8g/kg～15.3 g/kg)，隨著土層加深，相鄰?fù)翆娱g的差異逐漸減少。

2.2碳儲(chǔ)量及其分配

光皮樺人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量包括喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳儲(chǔ)量。

表3　光皮樺人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分配

從表3可知，光皮樺人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為201.45t/hm2，其中喬木層碳儲(chǔ)量51.86t/hm2，占總碳儲(chǔ)量的25.74%；灌木層碳儲(chǔ)量1.02t/hm2，占0.51%；草本層碳儲(chǔ)量0.51/hm2，占0.25%；凋落物層碳儲(chǔ)量為1.81t/hm2，占0.90%；林地土壤(0～80cm)層碳儲(chǔ)量146.42t/hm2，占72.60%。喬木層中各器官碳儲(chǔ)量所占比例，與其生物量所占比例相對(duì)應(yīng)，其中樹干的生物量最大，其相應(yīng)的碳儲(chǔ)量也最大，占喬木層碳儲(chǔ)量的59.01%；其次是樹根、樹枝和干皮，它們的碳儲(chǔ)量依次占喬木層碳儲(chǔ)量的14.54%、12.48%和10.59%；樹葉最少，僅占3.39%。林地土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的碳儲(chǔ)庫，在平衡大氣的CO2中有著重要作用。光皮樺人工林0～80cm土壤碳儲(chǔ)量為146.26t/hm2，不同土層碳儲(chǔ)量隨土層加深而減少，其中0～20cm土層有機(jī)碳儲(chǔ)量占土壤層碳儲(chǔ)量的45.32%，20～40cm、40～60cm和60～80cm土層依次占26.33%、17.12%、11.22%。

2.3喬木層碳素年凈固定量的估算

本文以喬木層碳素年凈固定量進(jìn)行光皮樺人工林生態(tài)系統(tǒng)同化CO2能力的估算。從表4可以看出，12年生光皮樺人工林年凈生產(chǎn)力為11.22t/(hm2·a)，年凈固碳量為5.06t/(hm2·a)，折合成CO2固定量18.56t/(hm2·a)；林木各器官中年凈固碳量以干材最大，占總年凈碳固定量的50.40%，最小是干皮，其年凈固碳量〔0.46t/(hm2·a)〕僅占9.09 %。

表4　光皮樺人工林喬木層碳素年凈固定量

3　結(jié)論與討論

3.1結(jié)論

光皮樺林木各器官碳素含量在411.3～477.6g/kg之間，不同器官碳素含量由大到小次序?yàn)楦刹摹⒏善?、樹根、樹枝、樹葉。林分中不同結(jié)構(gòu)層次植物碳素含量大小為喬木層>灌木層>草本層。林地土壤中0～20cm土層碳素含量明顯高于其他土層，同時(shí)隨土層加深土壤中碳素含量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

光皮樺12年生人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量為201.45t/hm2，其中喬木層碳儲(chǔ)量占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的25.74%；灌木層、草本層、凋落物層和林地土壤層碳儲(chǔ)量分別占0.51%、0.25%、0.90%和72.60%。喬木層中各器官碳儲(chǔ)量所占比例，與其生物量所占比例相對(duì)應(yīng)，其碳儲(chǔ)量由大到小依次為樹干、樹葉、樹根、樹枝和干皮。

光皮樺12年生人工林喬木層凈生產(chǎn)力為11.22t/(hm2·a)，年凈固碳量為5.06t/(hm2·a),折合成CO2為18.56t/(hm2·a)，林木不同器官年凈固碳量以干材最大，其次是樹葉、樹根和樹枝，最小是干皮。

3.2討論

由于不同樹種的生物生態(tài)學(xué)特性的差異，不同樹種的碳素含量及其在各器官中的分布會(huì)存在一定的差異。本研究中光皮樺各器官碳素平均含量(458.4g/kg)介于目前進(jìn)行森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫估算而計(jì)算植被碳庫時(shí)干物質(zhì)按450g/kg[16]與500g/kg[17]轉(zhuǎn)換率之間，其不同器官中碳素含量的排列次序與馬尾松[3]、杉木[4]、禿杉[8]等樹種不完全一致，反映了不同樹種碳素累積與分布特性的差異。

據(jù)報(bào)道，中國森林年碳素凈固定量平均值為5.54t/(hm2·a)，其中落葉闊葉林平均值為4.60t/(hm2·a)[16]，本研究相近區(qū)域的廣西南丹縣山口林場(chǎng)11、14年生杉木和禿杉人工林喬木層年凈固碳量分別為2.82t/(hm2·a)、3.29t/(hm2·a)和3.82t/(hm2·a)、4.64t/(hm2·a)[8,18～19]。廣西憑祥市[20]和云南景洪市[21]13年生西南樺人工林喬木層碳素年凈固定量分別為2.20t/(hm2·a)和3.99t/(hm2·a)。表明桂西北光皮樺人工林具有較強(qiáng)碳吸存能力。由于光皮樺人工林成熟期一般在20年以上，而本研究的12年生光皮樺林還處速生階段，其碳匯潛力還較大。因此，要準(zhǔn)確反映該區(qū)域光皮樺人工林的固碳能力，還有待于進(jìn)一步研究。光皮樺人工林兼具涵養(yǎng)水源、維持地力等功能[22]，可見光皮樺不僅是中國優(yōu)良速生鄉(xiāng)土用材林樹種，也是高效的生態(tài)公益林樹種。而在桂西北合理經(jīng)營和發(fā)展光皮樺人工林，增強(qiáng)其人工林的碳匯功能，維護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高人工林的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益都具有極其重要的作用和意義。

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Carbon Storage and Distribution of Betula luminifera Plantation in Northwest Guangxi

TENG Qiu-mei,LIU Jun,LIAO Qian-yuan,HE Bin,LI Yuan-hang,SHU Fan

(Forestry College of Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，P.R.China)

Forest ecosystem carbon storage is an important part of the carbon pool of terrestrial forest ecosystem,and plays an important role in the global carbon cycle and carbon balance.In this paper，the content,storage and distribution of carbon in 12-year-oldBetulaluminiferaplantation were investigated through biomass harvesting in Linduo Forestry Farm of TianE County,Guangxi Province.The results showed：1)Carbon content in different organs ofB.luminiferatrees ranged from 411.3 g/kg to 477.6 g/kg,which was in order as stem>bark>root>branch>leaf.The carbon content in shrub,herb,litter floor were 455.4 g/kg,427.2 g/kg and 427.1 g/kg，respectively.Carbon content in the soil(0～80 cm)was 15.8 g/kg,of which the carbon content of the top soil(0～20 cm) significantly higher than the other layers;2) The total carbon storage inB.luminiferaplantation ecosystems amounted to 201.45 t/hm2.The tree-storey stored 51.86 t/hm2with 25.74% of the whole，the under-storey stored 1.53 t/hm2with 0.76%，the litter floor 1.81 t/hm2with 0.90%，and soil stored 146.26 t/hm2with 72.60%; 3) The annual net productivity ofB.luminiferatrees was 11.22 t/(hm2·a),and annual net carbon fixation was up to 5.06t/(hm2·a),amounted 18.56 CO2t/(hm2·a).

Betulaluminiferaplantation；carbon content；carbon storage

2015-09-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31160152) 和廣西“十一五”林業(yè)科技項(xiàng)目(桂林科字2009[08])。

滕秋梅(1991-)，女，碩士研究生，主要從事森林生態(tài)研究。E-mail：1037014105@qq.com

簡(jiǎn)介：何斌(1962-)，男，研究員，主要從事森林生態(tài)學(xué)和森林培育學(xué)研究。E-mail：hebin8812@163.com

S 718.55

A

1672-8246(2016)04-0119-05

doi:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.04.020