不同生長(zhǎng)發(fā)育階段木麻黃林生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量

[摘要] 以不同發(fā)育階段的木麻黃人工林為研究對(duì)象，對(duì)喬木層不同器官和凋落物層、土壤層樣品含碳率和碳貯量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：不同發(fā)育階段木麻黃不同器官碳密度表現(xiàn)為：中齡林最大、成熟林次之、幼齡林最小，凋落物層含碳率表現(xiàn)出與喬木層平均含碳率相似的規(guī)律：土壤含碳率隨土壤深度的增加而降低，且成熟林>中齡林>幼齡林。木麻黃人工林年凈固碳量差異主要體現(xiàn)在喬木層，凋落物年固碳量亦存在顯著差別，但比重小于喬木層。

[關(guān)鍵詞] 木麻黃 人工生態(tài)系統(tǒng) 含碳率 碳貯量

近年來，隨著天然林資源不斷減少，人工林面積有所增加，人工林在森林生態(tài)系統(tǒng)中占有越來越重要的地位[1]。中國(guó)現(xiàn)有人工林保存面積已達(dá)到5300多萬公頃，已成熟林的人工林面積約3425萬公頃，居世界之首。但目前有關(guān)人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究不多[2，3]，而對(duì)沿海防護(hù)林中的一個(gè)重要樹種—木麻黃的研究更是少見。進(jìn)行沿海防護(hù)林人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究具有越來越重要的意義[4]。

如何準(zhǔn)確地定量研究森林生態(tài)系統(tǒng)在全球 CO₂ 收支平衡中的作用是全球碳循環(huán)研究的難點(diǎn)和難點(diǎn)之一[5，6]。碳循環(huán)的研究首先是碳貯量和碳通量，隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)全球氣候變化的重視，CO₂作為最重要的一種溫室氣體，其源與匯成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)[7]。森林碳貯量及其與大氣 CO₂ 的交換通量的估計(jì)，普遍采用的方法是通過直接或間接測(cè)定森林植被的生產(chǎn)量與生物量現(xiàn)存量再乘以生物量中碳元素的含量推算而得。因此，森林群落的生物量及其組成樹種的含碳率是研究森林碳貯量與碳通量的兩個(gè)關(guān)鍵因子，對(duì)他們的準(zhǔn)確測(cè)定或估計(jì)是估算區(qū)域和全國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及通量的基礎(chǔ)；到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)森林群落生物量及生產(chǎn)力的研究已隨著碳循環(huán)研究的升溫逐漸增多[8]。相較之下，對(duì)于森林群落含碳率及碳貯量的研究還處于起步階段。在不同植物及同一植物的不同器官中的碳元素含量是有差別的，土壤不同剖面層次的的碳儲(chǔ)量也存在差異[9]。

為了能精確估算沿海木麻黃防護(hù)林人工生態(tài)系統(tǒng)碳貯量，有必要對(duì)該系統(tǒng)各主要林齡階段的含碳率及碳貯量分別進(jìn)行測(cè)定和分析。本文對(duì)不同齡林木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分含碳率進(jìn)行了分析，最后對(duì)其碳貯量及年凈固碳量進(jìn)行了計(jì)算，為進(jìn)一步研究該生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳循環(huán)及碳匯的作用的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在福建省沿海中部惠安縣崇武鎮(zhèn)赤湖防護(hù)林場(chǎng)(118°55′E，24°55′N)，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年平均氣溫19.8℃；年均降水量1 029mm，年均蒸發(fā)量2000 mm；夏季(7-9月)多臺(tái)風(fēng)和暴雨天氣，秋季東北風(fēng)強(qiáng)盛，8級(jí)以上的大風(fēng)天達(dá)105 d，年平均風(fēng)速7.0m#8226;s^-1，干濕季明顯。土壤為均一性風(fēng)積沙土，沙土層厚度80-100 cm。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在惠安赤湖林場(chǎng)選擇立地條件相似的不同發(fā)育階段（幼齡林、中齡林和成熟林）的木麻黃人工林，每種林分中分別建立3個(gè)20m×20m標(biāo)準(zhǔn)地，共建立9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1含碳率測(cè)定

2.2.1.1 植株樣品含碳率測(cè)定

對(duì)惠安不同發(fā)育階段木麻黃人工林的各個(gè)樣地進(jìn)行每木調(diào)查，根據(jù)葉功富等得出的木麻黃生物量模型lnW=a+bln (D²H)，系數(shù)a和b見表1，進(jìn)行生物量的計(jì)算；年凈生產(chǎn)力采用一年間的生物量實(shí)測(cè)值相減而計(jì)算得出。同時(shí)根據(jù)林分平均胸徑和樹高，選取平均木1-2株，要求所選平均木胸徑、樹高和林分平均值誤差不超過5％；伐到后，分層次分干、葉（分當(dāng)年生葉和老葉）、枝（分當(dāng)年生枝和老枝）、根（分為<0.2cm，0.2~0.5cm，>0.5cm和根頭）采集標(biāo)準(zhǔn)木喬木層的分析樣品，并用挖掘法測(cè)定根系生物量；采集的喬木層不同器官和凋落物層樣品隨機(jī)抽取30％樣品帶回室內(nèi)，烘干測(cè)定后換算成為干重質(zhì)重；再經(jīng)粉碎、過篩后，用全自動(dòng)碳氮分析儀測(cè)定含碳率。喬木層平均含碳率是各器官含碳率的加權(quán)平均值，然后計(jì)算喬木層的生物量。

2.2.1.2 土壤樣品含碳率測(cè)定

在設(shè)置的樣地內(nèi)按“S”形隨機(jī)設(shè)定取樣點(diǎn)5個(gè)，在每個(gè)取樣點(diǎn)按0～10cm、10～25cm、25～40cm、40～70cm、70～100cm分層取樣，土樣在室內(nèi)風(fēng)干后過0.149mm篩，采用重鉻酸鉀熱法測(cè)定土壤含碳率；同時(shí)用環(huán)刀取原狀土，帶回室內(nèi)測(cè)定不同層次土壤的容重。

2.2.2 碳貯量及年凈固碳量計(jì)算

2.2.2.1 植被層碳貯量及年凈固碳量計(jì)算

喬木層碳當(dāng)年凈固定量是指喬木層的生物量碳當(dāng)年積累量和碳當(dāng)年歸還量之和。根據(jù)喬木層各器官（干、枝、葉、皮、果、根）凋落物層的生物量乘各組分轉(zhuǎn)換系數(shù)，求得碳貯量。不同組分的轉(zhuǎn)換系數(shù)是根據(jù)在進(jìn)行生物量測(cè)定時(shí)所取得的樣品而實(shí)測(cè)得到有機(jī)碳數(shù)值。喬木層的碳貯量為喬木層各器官碳貯量之和，喬木層年凈固碳量是各器官年凈生產(chǎn)力與對(duì)應(yīng)含碳率乘積的累和，凋落物年凈固碳量是年凋落量與其含碳率的乘積。

2.2.2.2 土壤層碳貯量計(jì)算

由于本次調(diào)查人工林分布的土層厚度在100cm左右，因此本文對(duì)土壤碳貯量的估算限定在土層100cm的深度范圍內(nèi)，不包括地表枯落物。具體采用下面的公式：

其中，Sd表示土壤表層i深度內(nèi)單位面積土壤碳貯量(t/hm²)，Di表示第i土層的容重(t/m³)，Ci表示第i土層的含碳率（％），Hi表示第i土層的厚度（m）。

3 結(jié)果與分析

3.1 含碳率分析

3.1.1木麻黃林喬木層各器官含碳率

不同發(fā)育階段木麻黃不同器官碳密度波動(dòng)在0.4542～0.5178g#8226;g^－1之間(如表2)，與我國(guó)速生階段杉木不同器官波動(dòng)在0.4558～0.5003g#8226;g^-1之間[10]、18a生國(guó)外松不同器官波動(dòng)在0.5180～0.5590g#8226;g^-1[11]、熱帶雨林0.4562～0.5790g#8226;g^-1[12]具有相似性。木麻黃幼齡林、中齡林、成熟林喬木層平均含碳率分別是47.07％，50.09％和49.53％，表現(xiàn)為中齡林最大，成熟林次之，幼齡林最小，中齡林的平均含碳率分別是成熟林和幼齡林的1.01倍和1.06倍。中齡林與幼齡林間差異達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。但同一器官在不同發(fā)育階段問差異程度有所不同，其中幼齡林的葉、干、枝、根含碳率與中齡林的差異達(dá)到了顯著水平，幼齡林的皮和葉含碳率與成熟林的差異亦達(dá)到了顯著水平。而同一發(fā)育階段，不同器官的含碳率亦存在差異，表現(xiàn)為C根>C葉>C果>C枝>C干>C皮，幼齡林、中齡林、成熟林各器官變異系數(shù)分別為2.42％，2.04％和2.78％。杉木不同器官碳密度研究中，樹葉碳密度大于樹干，樹干又大于樹根，蘇南櫟林、國(guó)外松的碳密度也是樹葉大于樹枝、樹干和樹根[11]，說明木麻黃不同器官碳密度含量狀況與這些林分不同。

3.1.2 木麻黃林凋落物層含碳率

由表3可見，不同發(fā)育階段凋落物層含碳率存在差別，表現(xiàn)出了與喬木層平均含碳率相似的規(guī)律，中齡林最大，成熟林次之，幼齡林最小。其中中齡林和幼齡林差異達(dá)到了顯著水平。中齡林凋落物層含碳率分別是幼齡林和成熟林的1.05倍和1.01倍。從表1、表2可知，木麻黃林各組分含碳率為喬木層大于凋落物層。這主要與生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境有關(guān)，人工林喬木層葉片處于林冠上部，有較長(zhǎng)的日照時(shí)間和充足的光能，從而可以截獲較多太陽能，有利于植物的光合作用，積累較多的有機(jī)物。

3.1.3 木麻黃林土壤層含碳率

木麻黃幼齡林、中齡林、成熟林林地0～100cm土層平均含碳率表現(xiàn)出隨林齡增大而增大的趨勢(shì)，且幼齡林和成熟林間差異達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。而不同發(fā)育階段土壤含碳率的差異主要體現(xiàn)在0～10cm和10～25cm土層上，且隨著土層深度增加差異逐漸減小，到100cm時(shí)差異基本消除，由表4及圖1所示。

土壤含碳率在垂直分布上表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而降低，不同土層含碳率差異均達(dá)到了顯著水平，相鄰?fù)翆娱g尤以0～10cm土層的含碳率與10～25cm的差異最為顯著。木麻黃幼齡林10～25cm、25～40cm、40～70cm、和70～100cm這4個(gè)土層的土壤含碳率分別是0～10cm土層的22.47％、13.38％、5.66％和5.15％。中齡林10～25cm、25～40cm、40～70cm、和70～100cm這4個(gè)土層的土壤含碳率分別是0～10cm土層的45.75％、23.11％、14.61％和18.94％。成熟林10～25cm、25～40cm、40～70cm、和70～100cm這4個(gè)土層的土壤含碳率分別是0～10cm土層的69.58％、59.89％、43.66％和33.42％?？梢娪g林較中齡林和成熟林隨土層加深含碳率減小的速度要快。

不同發(fā)育階段木麻黃的土壤含碳率的差異表現(xiàn)為：成熟林>中齡林>幼齡林，而這種差異在各個(gè)土壤層上均有體現(xiàn)，隨土壤層深度增加，差異變化較顯著。木麻黃成熟林0～10cm土層含碳率是0.733％，分別是幼齡林和中齡林的1.26倍和1.18倍。10～25cm土層含碳率是0.51％，分別是幼齡林和中齡林的3.89倍和1.79倍，25～40cm土層含碳率是0.439％，分別是幼齡林和中齡林的5.63倍和3.05倍，40～70cm土層含碳率是0.32％，分別是幼齡林和中齡林的9.70倍和3.52倍，70～100cm土層含碳率是0.245％，分別是幼齡林和中齡林的8.17倍和2.07倍。

可見，幼齡林隨土壤深度的增加土壤層含碳率顯著的減小，而成熟林土壤層的含碳率隨土壤層深度的增加變化較幼齡林和中齡林平緩。

3.2 碳貯量及年凈固碳量計(jì)算

3.2.1不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及分配

3.2.1.1 木麻黃林喬木層碳貯量

由表5可知，木麻黃林喬木層各器官的碳貯量和總碳貯量均表現(xiàn)出隨林齡增加而增加的趨勢(shì)，幼齡林、中齡林和成熟林的碳貯量分別為62.75、139.70、165.30t#8226;hm^-2；幼齡林，中齡林，成熟林間的差異均達(dá)到了顯著水平。在不同發(fā)育階段，碳在各組分中的分配，基本上與各組分的生物量成正比例關(guān)系，但在不同發(fā)育階段所占比例有所差異。在幼齡林和中齡林中各器官所占比例的序列為：干>根>葉>枝>皮>果，而成熟林則表現(xiàn)出皮占的比例大于枝。其中，干占相當(dāng)大的比例，幼齡林中齡林成熟林所占比例分別為48.57％、60.15％和61.75％。所以不同發(fā)育階段間的喬木層碳貯量的差異主要是由干的碳貯量差異引起的。木麻黃成熟林的碳貯量是165.30t#8226;hm^-2，分別比幼齡林和中齡林大102.55t#8226;hm^-2和25.61t#8226;hm^-2，其中成熟林的干碳貯量分別比幼齡林和中齡林的大71.61t#8226;hm^-2和18.05t#8226;hm^-2，占總差異的69.82％和70.64％。木麻黃幼齡林、中齡林、成熟林林分生物量和碳貯量地上地下之比分別為5.16、7.90、8.99和4.96、7.56、8.51，表現(xiàn)出隨著林齡的增大而增大。

3.2.1.2 木麻黃林現(xiàn)存凋落物碳貯量

由表7可知，木麻黃人工林凋落物碳貯量表現(xiàn)為隨林齡增大而增加的趨勢(shì)。這說明幼齡林處于速生階段，林分密度較大，林分凋落物較少。中齡林和成熟林林木競(jìng)爭(zhēng)劇烈，自然整枝強(qiáng)烈，凋落物積累較多。幼齡林和中齡林和成熟林間差異顯著。成熟林的凋落物碳貯量分別是幼齡林和中齡林的2.36倍和1.17倍。

3.2.1.3 木麻黃林土壤層碳貯量

根據(jù)木麻黃人工林土層含碳率（見表4）和容重，計(jì)算出木麻黃各土層土壤碳貯量（見表6）。土壤碳貯量和土壤含碳率一樣隨土層深度的增加而減少，土壤碳貯量主要集中于土壤表層。木麻黃幼齡林、中齡林、成熟林0～100cm土壤碳貯量為13.61、23.37、56.17t#8226;hm^-2，其0～10cm土壤碳貯量分別占總碳貯量的54.00％、33.16％和16.63％。10～25cm土層碳貯量分別占總貯量的16.8％、23.11％和19.83％，25～40cm土層碳貯量分別占總貯量的10.90％、10.87％和17.34％。0～40cm土層碳貯量分別占總貯量的81.7％、67.14％和53.8％?？梢姴煌l(fā)育階段間碳貯量的差異主要體現(xiàn)在0～40cm土層上，這是因?yàn)橥寥捞假A量主要取決于其土壤含碳率，不同發(fā)育階段木麻黃人工林的土壤含碳率差異主要表現(xiàn)在0～40cm土層上，而大于40cm土層的含碳率差別很小。

3.2.2 木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量及其分配

由表7可知，木麻黃幼齡林、中齡林和成熟林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量分別是76.80、164.11和222.69t#8226;hm^-2，表現(xiàn)出隨林齡增大而增大的趨勢(shì)，且兩兩間差異均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。但不同組分碳貯量在不同發(fā)育階段間的差異程度卻有所不同。喬木層、凋落物層和土壤層碳貯量均表現(xiàn)出了隨林齡增加而增加的趨勢(shì)，且喬木層和土壤層碳貯量在幼齡林、中齡林和成熟林兩兩間差異均達(dá)到了顯著水平。其中，木麻黃幼、中、成熟林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量差異主要體現(xiàn)在喬木層碳貯量的差異。木麻黃成熟林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量分別比幼齡林和中齡林的大145.89t#8226;hm^-2和58.58t#8226;hm^-2，其中成熟林喬木層碳貯量分別比后兩者大102.55t#8226;hm^-2和25.60t#8226;hm^-2，占總差異的70.29％和43.70％。成熟林土壤層碳貯量分別比后兩者大42.56t#8226;hm^-2和32.8t#8226;hm^-2，占總差異的29.17％和55.99％。因此，在大尺度估算木麻黃人工林碳貯量時(shí)應(yīng)劃分不同發(fā)育階段分別估算喬木層和土壤層碳貯量，這樣才能得出準(zhǔn)確客觀的結(jié)果。

木麻黃林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量中，喬木層的比重分別是 81.71％、85.13％和74.23％，土壤層的比重分別是17.72％、14.24％和25.22％。森林土壤中(包括土壤、樹根和死地被物層)碳貯量幼齡林、中齡林、成熟林分別占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的32.02％、24.81％、33.58％，即地上部分與地下部分碳貯量之比分別為2.12:1，3.03:1，1.98:1。據(jù)Baumgarter(1978)的估計(jì)，全球森林地上部分碳貯量與地下部分碳貯量之比約為 1∶2。可見木麻黃林生態(tài)系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這一比值?？梢?，對(duì)同一發(fā)育階段木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量而言，喬木層是生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的主體，但土壤層碳貯量在生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量中的比重在不同發(fā)育階段都比較小，且以中齡林占的比重最小，其次是幼齡林和成熟林。而喬木層碳貯量在總碳貯量中的比重則表現(xiàn)為中齡林最大，幼齡林和成熟林次之，但顯著大于土壤層的碳貯量。可見，在木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層是引起不同發(fā)育階段間碳貯量差異的主要原因，凋落物層作為土壤—植物系統(tǒng)碳循環(huán)的聯(lián)結(jié)庫，對(duì)土壤碳貯量具有較大影響，進(jìn)而對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要作用。

3.2.3木麻黃人工林年凈固碳量

森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力研究的主要內(nèi)容之一是要確定系統(tǒng)同化CO₂的能力。根據(jù)各組分年凈生產(chǎn)力與相應(yīng)組分的含碳率計(jì)算出有機(jī)碳年凈固碳量。由表8可知，木麻黃幼齡林、中齡林、成熟林的年凈固碳量分別為10.974 t#8226;hm^-2#8226;a^-1（折合成CO₂量為40.237 t#8226;hm^-2#8226;a^-1），14.889 t#8226;hm^-2#8226;a^-1（折合成CO₂量為54.592 t#8226;hm^-2#8226;a^-1）、8.457 t#8226;hm^-2#8226;a^-1（折合成CO₂量為31.009 t#8226;hm^-2#8226;a^-1）。其中木麻黃中齡林年凈固碳量最大，分別比幼齡林和成熟林的大3.915 t#8226;hm^-2#8226;a^-1 和6.432 t#8226;hm^-2#8226;a^-1，且與兩者差異均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。其中中齡林喬木層年凈固碳量分別比幼齡林、成熟林大2.802t#8226;hm^-2#8226;a^-1和7.434t#8226;hm^-2#8226;a^-1，分別是幼齡林和成熟林的1.36倍和1.76倍。中齡林的固碳量大于廣西中部丘陵區(qū)14a馬尾松林有機(jī)碳年凈固定量9.08 t#8226;hm^-2#8226;a^-1 ，熱帶山地雨林每年每公頃每年能吸收3.818 t C[12]。蘇南地區(qū)27年生杉木林生態(tài)系統(tǒng)每公頃每年能吸收2.36 t C。

可見木麻黃人工林同化CO₂的能力很大，盡管相對(duì)幼齡林和中齡林而言，成熟林同化CO₂的能力稍有減弱；成熟林、幼齡林、中齡林喬木層固定量分別占總固定量的89.27％、84.62％和61.07％?？梢?，不同發(fā)育階段間年凈固碳量差異主要是由喬木層年凈固碳量差異引起的，中齡林喬木層固碳量最大，其次是幼齡林和成熟林，而凋落物固定量為：成熟林>中齡林>幼齡林。成熟林凋落物年固碳量分別是幼齡林、中齡林的1.44倍和2.78倍，存在顯著差異；喬木層年凈固碳量在林分總年凈固碳量中的比重以中齡林最大(89.27％)，幼齡林次之(84.62％)，成熟林最小(61.07％)，凋落物層則表現(xiàn)出了相反的趨勢(shì)。不同發(fā)育階段喬木層各器官中以干的年凈固碳量最大，其他各器官表現(xiàn)出不同規(guī)律；果則表現(xiàn)出成熟林大于幼齡林的趨勢(shì)?？梢姴煌l(fā)育階段不同器官的固碳能力有所不同，干是喬木層年凈固碳量的主體，而凋落物層則以葉和枝的年固定量最大，是凋落物層年凈固碳量的主體。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，喬木層各器官（葉、枝、干、皮、果實(shí)和根）、凋落物層、和土壤層（0～100cm）含碳率在不同發(fā)育階段和不同林分類型間存在顯著差異。喬木層不同器官含碳率亦存在差異，且各器官含碳率大小因發(fā)育階段不同而有所不同；土壤層含碳率在垂直方向上表現(xiàn)為隨土層深度的增加而降低，不同土層含碳率差異達(dá)顯著水平(p<0.05)，且相鄰?fù)翆硬煌l(fā)育階段以0～10cm和10～25cm的差異最為顯著，同一土層的含碳率表現(xiàn)出隨林齡的增大而增大的趨勢(shì)，而且隨著土層加深差異逐漸減少，到100cm時(shí)差異基本消除。

不同發(fā)育階段木麻黃人工林間年凈固碳量差異主要體現(xiàn)在喬木層年凈固碳量的差異，不同發(fā)育階段的年的凋落物年固碳量亦存在顯著差別，但由于凋落物年固碳量基數(shù)較小，故在不同發(fā)育階段人工林年凈固碳量差異中占的比重小于喬木層。

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