不同林齡序列杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化特征

王紅英　樊星　華玉武　孫亞利　王建利

摘要：森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能有助于減緩全球氣候變化，人工造林是提高森林固碳能力的重要途徑。以杉木人工林為研究對象，通過樣地調(diào)查和樣品分析，研究幼齡林（7年）、中齡林（16年）、近熟林（25年）、成過熟林（34年）生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量變化特征。結(jié)果表明：杉木人工林平均含碳率為468%；幼齡林、中齡林、近熟林、成過熟林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量分別為10399、18238、19721、18116 thm2；隨著林齡的增大，喬木層地上部分碳儲量逐漸增加，而灌木層、草本層、地表凋落物層的變化規(guī)律不明顯；土壤層碳儲量占總碳庫的比例較大，且其碳儲量相對穩(wěn)定，平均值為 9576 thm2；0～20 cm土層碳儲量成為土壤碳儲量的主體，占土壤總碳儲量的4164%。該研究可為杉木人工造林和固碳增匯提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：杉木人工林；含碳率；植被碳儲量；土壤碳儲量；碳儲特征

中圖分類號： S71855+6文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0278-03

收稿日期：2016-05-30

基金項目：公益性行業(yè)（林業(yè)）科研專項（編號：201104006）。

作者簡介：王紅英（1970—），女，北京人，碩士，副教授，從事生態(tài)資源管理和教育工作。E-mail：xuhuanyuanlin@163com。

19世紀(jì)末以來，地球溫度已經(jīng)升高了08 ℃，森林生態(tài)系統(tǒng)由于其固碳釋氧功能，在應(yīng)對全球氣候變化中具有獨特的作用，近年來在國際上成為重要的研究領(lǐng)域1]。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計，森林地上部分儲存的碳約 2 340億t，地下部分約620億t，枯死木約410億t，凋落物約230億t，森林土壤約3 980億t，森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其儲存的有機碳含量占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的23以上2]，土壤碳貯量約占世界陸地土壤總碳庫的73%3]。估算森林碳儲量是研究碳循環(huán)的基礎(chǔ)工作，通過量化森林碳儲量可以評價不同森林類型對陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯貢獻率，為森林管理和植樹造林提供相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，隨著我國重大林業(yè)生態(tài)工程的實施，我國的人工林面積已達世界第一，人工林的固碳增匯策略直接影響我國相關(guān)碳匯政策的制定。杉木（Cunninghamia lanceolata）是我國亞熱帶特有的優(yōu)良速生鄉(xiāng)土用材樹種，也是江西省主要的用材樹種。有關(guān)杉木人工林碳儲量的研究較多，主要包括以下幾方面：造林密度對杉木人工林碳儲量的影響4]、不同發(fā)育階段杉木人工林生物量和碳儲量變化5]、多代連栽對杉木人工林生物量和碳儲量的影響6]、杉闊混交林經(jīng)營對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響等。但關(guān)于不同林齡序列對杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化特征的影響報道較少，而且我國杉木人工林分布范圍較廣，缺乏不同區(qū)域之間的對比研究。本研究以江西省典型分布區(qū)域的杉木人工林為對象，分析不同林齡序列杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化特征，旨在為杉木人工造林和固碳增匯提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省吉安市（115°18′11″～115°39′58″ E，27°6′16″～27°25′06″ N），該區(qū)域地處中亞熱帶，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛，日照充足，年均氣溫18 ℃，年均降水量1 6273 mm，無霜期279 d，土壤以紅壤為主，地貌以丘陵為主，主要植被類型有濕地松（Pinus elliottii）人工林、杉木人工林、天然針闊混交林及灌木林，喬木樹種有杉木、木荷（Schima superba）、檫木（Sassafras tzumu）、馬尾松（Pinus massoniana）、樟樹（Cinnamomum camphora）、泡桐（Paulownia）、苦櫧（Castanopsis sclerophylla）、擬赤楊（Alniphyllum fortunei）、黃瑞木（Adinandra millettii）等；灌木有鹽膚木（Rhus chinensis）、山烏桕（Sapium discolor）、山蒼子（Litsea cubeba）、檵木（Loropetalum chinensis）等；草本有毛莓（Rubus tephrodes）、芒萁（Dicranopteris dichotoma）、菝葜（Smilax china）、麥冬（Ophiopogon japonicus）、鐵線蕨（Adiantum capillus）、鳳尾蕨（Spider brake）、朱砂根（Ardisia crenata）、竹葉草（Phyllostachys heterocycla）等。

2研究方法

2015年7—8月，在研究區(qū)選擇立地條件相近的地段，設(shè)置不同齡級的杉木人工林樣地共12個（每個齡級重復(fù)3次，每個樣地面積為800 m2），分幼齡林、中齡林、近熟林、成過熟林等4個齡級。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)對喬木檢尺測胸徑和樹高，采集杉木的枝、葉、根、莖樣品。在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)立3個 2 m×2 m 小樣方，采集灌木葉、枝、根分類并分別稱鮮質(zhì)量。設(shè)立3個1 m×1 m小樣方收集草本和凋落物，草本按地上部分和地下部分分類稱鮮質(zhì)量；地表凋落物按照半分解和未分解分類分別稱鮮質(zhì)量。通過文獻整合分析，建立該地區(qū)不同齡級杉木人工林的生物量異速生長方程7]，并計算不同齡級杉木人工林喬木層的生物量。將灌木層、草本層和地表凋落物層樣品帶回實驗室，置于烘箱中（80 ℃）烘干至恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量，再分別換算成單位面積灌木層、草本層和地表凋落物生物量。

3結(jié)果與分析

31不同林齡杉木人工林碳儲總量特征

由表1可知，杉木人工林總碳庫由喬木碳庫、灌木碳庫、草本碳庫、凋落物碳庫、土壤碳庫5個部分構(gòu)成。隨著林齡的增大，枝、莖、碳儲量增加，但成過熟林和近熟林各部分碳儲量相差不大。灌木層、草本層和土壤層碳儲量變化無規(guī)律，土壤層碳儲量所占比例較大，幼齡林達到 8345%，比例最小的成過熟林也達到4649%。喬木層碳儲量逐步增加，由幼齡林的1501 thm2增加到成過熟林的 9448 thm2。凋落物層幼齡林由于有人為的刈割撫育，碳儲量僅為111 thm2，其他齡級隨著林齡的增大，凋落物層碳儲量也相應(yīng)增加。endprint

32不同林齡杉木人工林碳儲量組分特征

321地上碳儲量構(gòu)成及各部分比較

由表2可知，隨著杉木人工林林齡的增加，林分平均樹高、胸徑、生物量和地表凋落物的存量均呈現(xiàn)增加趨勢，樹干、樹枝、樹葉的碳儲量都隨著林齡的增加而增大，灌草層卻沒有明顯的變化規(guī)律。由于自然稀疏的作用，林分密度會隨著林齡的增大而逐步減小，再到保持相對穩(wěn)定，這也可以解釋成過熟林和近熟林相比較，雖然杉木單株的碳儲量增大了，總碳儲量卻有所下降的現(xiàn)象。

322不同林齡杉木人工林地上、地下碳儲量分配特征

由圖1可知，杉木人工林地上部分碳儲量隨著林齡的增大而逐步增加，主要原因是地上部分的碳儲量逐步增大，幼齡林地上部分碳儲量為1404 thm2，僅占其總碳儲量的135%，成過熟林碳儲量達到9138 thm2，占總碳儲量的5044%；地下部分碳儲量以中齡林最多，達11809 thm2，占總碳儲量的6480%，中齡林地下部分碳儲量比幼齡林多的主要原因是地下根系儲量增加，中齡林之后，地下碳儲總量逐步減少，主要原因是土壤含碳量隨著林齡的增大而減少。

33杉木各部位含碳率比較

杉木不同部位含碳量差異變化不大，其變化規(guī)律基本一致，即樹葉含碳率最高，為480%；其余依次是樹干、樹枝、樹根，含碳率分別為469%、464%、457%。杉木各部位總平均含碳率為468%。生物量碳庫蘊含了大量有機碳，國際上通常以05作為生物量和碳之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，但轉(zhuǎn)換系數(shù)在不同樹種之間存在差異。目前，國內(nèi)計算森林生物量碳系數(shù)為45%～55%，常用平均值為5097%，闊葉林的含碳率一般比針葉林的含碳率低，本研究測定的碳系數(shù)與平均值偏小。

34杉木人工林土壤碳儲量變化特征

由表3可知，杉木人工林0～10 cm土層含碳率變動范圍為182%～214%，10～20 cm土層含碳率變動范圍為 080%～146%，20～30 cm土層含碳率變動范圍為 071%～159%，30～50 cm土層含碳率變動范圍為 040%～065%，50～100 cm土層含碳率變動范圍為 034%～065%；各齡林土壤含碳率隨土層深度的增加而減少。各林齡人工林中，隨著土壤深度的增加，土壤碳儲量減小，通過計算可知幼齡林、中齡林、近熟林和成過熟林地 0～20 cm 土層碳儲量分別占0～100 cm土層的4148%、4065%、4545%、3897%。

4結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，杉木人工林喬木平均碳儲量為 6836 thm2，與周玉榮等估算的我國暖性針葉林植被平均碳儲量（4997 thm2）比較，明顯高于平均值8]，這可能與研究區(qū)的水熱條件有關(guān)。從地上總生物量組成來看，林齡不同其地上總生物量的特征差異明顯。莖、枝、地表凋落物碳儲量隨林齡增加有增加趨勢，而葉和根變化規(guī)律不明顯。此外，杉木從中齡林到成熟林喬木層碳儲量增長緩慢，這與王獻溥等等研究結(jié)果9-11]類似，他們認為杉木中齡林前生長較快，中齡林后很快進入衰退階段。王兵等估算了中國1977—2003年4個時期杉木林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量，喬木層碳儲量占 938%～1063%，林下植被占 060%～070%，土壤占8799%～8902%，枯落物占 068%～078%12]。與之比較，本研究區(qū)杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量喬木層較高，林下植被、枯落物碳儲較接近，土壤則較低，這可能和立地條件和人為干擾有關(guān)。此外，也有研究表明，人工林與天然林的差異在于生物質(zhì)碳庫和土壤有機碳庫，當(dāng)兩者土壤有機碳庫的差異不明顯時，人工林的年平均生物量相對較小。當(dāng)成熟林和天然林被具有相同生長特征及面積的人工林取代時，將損失高達 23的林木碳儲量，因此從森林固碳和維護生物多樣性的角度來講，保護成熟林和天然林比種植人工林更有生態(tài)效益。

杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲量為16619 thm2，低于我國森林生態(tài)系統(tǒng)的平均碳儲量（25883 thm2）13]，原因有2個方面：一是由于幼齡林喬木生物量低，二是本研究得到的土壤碳儲量（9576 thm2）遠低于周玉榮等報道的我國森林生態(tài)系統(tǒng)的土壤碳儲量（19355 thm2），這是由于中亞、南亞熱帶氣候區(qū)土壤呼吸速率較大，降水量較大，枯落物分解后以CO2形式釋放到大氣中的量較多，土壤碳積累少，這也是中亞熱帶氣候區(qū)土壤積累的特點。同時，造林前的“煉山”等生產(chǎn)措施也導(dǎo)致了土壤碳的流失。杉木人工林灌木層碳儲量占總碳儲量的041%，草本層碳儲量占總碳儲量的02%，地表凋落物占其總碳儲量的065%，林下植被和枯落物碳儲量在各林分生態(tài)系統(tǒng)中的貢獻率低，因為人工林造林前的煉山、機耕、整地等措施造成林下植被減少。林下植被和枯落物碳儲量不容忽視，要加強相應(yīng)的經(jīng)營管理，盡量減少人為因素對二者的干擾。杉木人工林土壤碳儲量在0～100 cm深度范圍內(nèi)均隨著土層深度增加而降低，0～20 cm碳儲量占土壤碳儲量的4164%，在杉木人工林土壤碳儲量中占據(jù)了主體。土壤有機碳主要來源于植物、動物、微生物殘體及其排泄物和分泌物13]，避免機耕、整地、煉山以及保留采伐剩余物等生產(chǎn)措施將有助于提高土壤有機碳含量。通過植樹造林和人工林經(jīng)營等措施增強陸地碳匯功能是減緩全球氣候變化的有效機制。方精云等指出，中國森林碳儲量增加主要貢獻來自于人工林，加強人工林的撫育和管理，提高森林質(zhì)量及其固碳能力，將會發(fā)揮森林巨大的碳匯潛力14]。

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