水土保持林生長過程及碳密度的動態(tài)變化

張建軍，徐佳佳，李慧敏

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

目前，氣候變暖已成為全球關(guān)注的熱點，CO2等溫室氣體排放量的增加是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因［1］。森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升以及維護(hù)全球氣候等方面具有不可替代的作用［2-3］;因此，開展森林植被吸收和固定CO2能力的定量評價研究已成為熱點和前沿［4］。

刺槐(Robinia pseudoacacia L.)是蝶形花科刺槐屬的喬木，有較強(qiáng)的適應(yīng)性和抗逆性，是我國主要的水土保持造林樹種，更是黃土高原水土保持速生樹種的典型代表。在黃土高原地區(qū)營造有大面積的刺槐人工林［5］，這些刺槐人工林改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，對治理黃土高原水土流失發(fā)揮了積極作用;但人工刺槐林根系分布廣、耗水量較大［6］，造林地深層土壤干燥化現(xiàn)象普遍發(fā)生，形成了大面積低效刺槐林［7］，成為黃土高原人工植被建設(shè)的重大生態(tài)隱患［8］:因此，正確評價黃土高原刺槐人工林的生態(tài)服務(wù)功能是目前亟待解決的問題。

水土保持林作為水土流失地區(qū)特殊的人工生態(tài)系統(tǒng)，通過光合作用將CO2轉(zhuǎn)化成有機(jī)物后固定在植物體內(nèi)，這些有機(jī)物除去自身的呼吸消耗、枯落物分解后，以生物量的形式保存在植物體內(nèi);因此，水土保持林作為水土流失地區(qū)特有的植被類型，不僅起到了防治水土流失的作用，在碳匯方面的功能也應(yīng)該受到重視。國內(nèi)學(xué)者圍繞森林生態(tài)系統(tǒng)的碳密度、碳儲量做了大量的研究工作，并取得了顯著成就［9-11］;但有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度、碳儲量的研究多注重天然林，對人工林碳密度、碳儲量的研究相對較少［12］，而對黃土區(qū)水土保持林碳密度、碳儲量的研究更為少見。為此，筆者以黃土高原主要的水土保持林——刺槐林為研究對象，在探討其生長規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究其生物量和碳密度的動態(tài)變化，以期為水土保持植被生態(tài)服務(wù)功能評價提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省吉縣紅旗林場的馬蓮灘，地理坐標(biāo)E110°45'04″～110°47'38″，N36°00'15″～36°04'32″，屬于晉西黃土殘塬溝壑區(qū)，海拔965 ～1 345 m。年平均降水量575.9 mm，年平均水面蒸發(fā)量1 732.9 mm，年平均氣溫10 ℃。土壤為褐土，黃土母質(zhì)。森林覆蓋率為45%，主要造林樹種有刺槐和油松(Pinus tabulaeformis)，灌木樹種主要有沙棘(Hippophae rhamnoides)和虎榛子(Ostryopsis davidiana)等。

2 研究方法

在對研究區(qū)刺槐人工林調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇不同密度的標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行樣方調(diào)查，樣方面積為400 m2。調(diào)查樣方基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic condition of sample plot

在樣方內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，測量刺槐的樹高、胸徑。根據(jù)測定的樹高、胸徑數(shù)據(jù)計算出標(biāo)準(zhǔn)地的平均樹高和平均胸徑，以此為依據(jù)選擇3 株標(biāo)準(zhǔn)木。

將標(biāo)準(zhǔn)木鋸倒后摘下所有葉片稱量，作為該標(biāo)準(zhǔn)木的鮮葉生物量，在摘下的葉子中抽取500 g 作為樣品裝入保鮮袋，帶回實驗室進(jìn)行含水率的測定;將伐倒標(biāo)準(zhǔn)木所有的枝條鋸下后稱量，作為枝條生物量的鮮質(zhì)量，并取樣500 g 帶回實驗室進(jìn)行含水率的測定;將去除枝條的樹干稱量作為樹干生物量鮮質(zhì)量，并將樹干以1 m 為區(qū)分段截取樹干解析用的圓盤，帶回實驗室進(jìn)行樹干解析，同時對每個圓盤進(jìn)行稱量。

采用全根挖掘法測定標(biāo)準(zhǔn)木地下部分所有根系的鮮質(zhì)量，并取樣1 000 g 裝入保鮮袋，帶回實驗室用于測定根系含水率。

在室內(nèi)對圓盤進(jìn)行分析后，與樹葉樣品、枝條樣品、根系樣品一起放入80°的烘箱內(nèi)烘干至恒質(zhì)量后測定含水率。

利用樹干、枝條、根系、葉的含水率，分別計算出標(biāo)準(zhǔn)木的樹干、枝條、根系、葉的干質(zhì)量生物量后，將各部分相加得出標(biāo)準(zhǔn)木的總生物量。根據(jù)馬欽彥等［13］測定的闊葉樹樹干、枝條、根系、樹葉的含碳率計算出刺槐林的碳儲量。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹高生長分析

表2 為刺槐林樹高生長分析表。可以看出，樹齡4 a 的刺槐林樹高總生長量陽坡比陰坡高0.24 m，而5 a 以上的刺槐林樹高總生長量均為陰坡大于陽坡。這主要是由于樹齡小于4 a 時，刺槐林尚未郁閉，土壤中的水分尚能滿足刺槐高生長之需。當(dāng)刺槐的樹齡達(dá)到5 a 后，林木耗水不斷增加，陽坡林地的土壤水分與林木耗水的供需矛盾開始加劇，從而導(dǎo)致陽坡刺槐林的高生長較陰坡差。

表2 刺槐林樹高生長分析表Tab.2 Analysis of the tree height growth of Robinia pseudoacacia

圖1 為刺槐樹高的總生長量、連年生長量、平均生長量隨樹齡的變化圖。可見，樹齡18 a 的刺槐平均樹高可達(dá)8.7 m。從樹高總生長量變化曲線可見，以12 a 樹齡為界，刺槐高生長可分為2 個階段，第1 階段的樹齡小于12 a，樹高生長屬于快速增長階段，樹高的增高速率可達(dá)0.63 m/a，樹齡12 a 時，樹高可達(dá)6.9 m，當(dāng)樹齡超過12 a 后，樹高生長速率變慢，進(jìn)入緩慢增長的第2 階段，樹高增高的速率只有0.32 m/a，到樹齡18 a 時，樹高才到8.7 m，可見，樹高增高速率第2 階段明顯緩于第1 階段，第2 階段只有第1 階段的50.8%。

從連年生長量曲線和平均生長量曲線也可以看出，樹齡達(dá)到12 a 后，樹高的連年生長量曲線與平均生長量曲線相交，即在樹齡小于12 a 時，樹高的連年生長量明顯大于平均生長量，而當(dāng)樹齡大于12 a 后，樹高的連年生長量顯著小于平均生長量。可見，當(dāng)刺槐林齡達(dá)到12 a 后，刺槐高生長開始進(jìn)入成齡高度，此后高生長逐漸緩慢。

圖1 刺槐樹高生長過程Fig.1 Height growth process of Robinia pseudoacacia

利用理查德生長方程擬合的刺槐高生長模型為

式中:H 為樹高，m;a 為樹齡，a。

利用該模型可以計算出當(dāng)刺槐樹齡達(dá)到20、30和40 a 時，樹高分別可以達(dá)到12.4、14.3 和15.1 m。樹齡在21 ～30 a 期間，樹高的平均生長率只有0.16 m/a，樹齡在31 ～40 a 期間，樹高的平均生長率只有0.07 m/a。樹齡19 ～40 a 的刺槐平均生長率為0.13 m/a，而樹齡18 a 之前樹高增高速率為0.32 m/a。可見，樹齡18 a 以后，刺槐的高生長趨于緩慢。

3.2 胸徑生長分析

表3 為刺槐林胸徑生長分析表。可以看出:樹齡7 a 的刺槐胸徑總生長量陰坡為2.46 cm，陽坡為2.44 cm，二者相差無幾;但當(dāng)樹齡小于7 a 時，刺槐胸徑總生長量陽坡均比陰坡大。可能的原因是:當(dāng)刺槐樹齡較小時，土壤水分并不是胸徑生長的限制因素，或胸徑生長與土壤水分供應(yīng)的矛盾不突出;當(dāng)樹齡大于7 a 后，刺槐胸徑總生長量陰坡大于陽坡，這是由于陽坡太陽輻射強(qiáng)烈，土壤供水能力與刺槐耗水能力矛盾加劇所致。

表3 刺槐林胸徑生長分析表Tab.3 Analysis of DBH growth of Robinia pseudoacacia

圖2 為刺槐胸徑總生長量、連年生長量、平均生長量隨樹齡的變化圖。可以看出，樹齡18 a 的刺槐胸徑總生長量可達(dá)7.14 cm。從刺槐胸徑總生長量變化曲線可見，以12 a 的樹齡為界，刺槐胸徑總生長量也可分為2 個階段，第1 階段的樹齡小于12 a，胸徑生長屬于快速增長階段，胸徑的增長速率為0.53 cm/a，到樹齡為12 a 時，刺槐胸徑總生長量可以達(dá)到5.19 cm;第2 階段的樹齡為12 ～18 a，胸徑生長速率變緩，胸徑增長速率只有0.32 cm/a，屬于緩慢增長階段，到樹齡18 a 時，刺槐胸徑總生長量達(dá)到了7.14 cm。可見，刺槐胸徑總生長量增大的速率第2 階段明顯緩于第1 階段，第2 階段只有第1階段的60.38%。

從胸徑連年生長量曲線和平均生長量曲線也可以看出，樹齡達(dá)到12 a 后，胸徑連年生長量曲線與平均生長量曲線相交，即在樹齡小于12 a 時，刺槐胸徑連年生長量明顯大于平均生長量，而當(dāng)樹齡大于12 a 后，刺槐胸徑連年生長量顯著小于平均生長量。可見，樹齡達(dá)到12 a 時刺槐胸徑的生長基本達(dá)到成齡階段，此后胸徑生長趨于緩慢。

利用理查德生長方程擬合出的刺槐胸徑的生長模型為

式中D 為胸徑，cm。

圖2 刺槐胸徑生長過程Fig.2 DBH height growth process of Robinia pseudoacacia

利用該模型可以計算出當(dāng)樹齡達(dá)到20、30 和40 a 時，刺槐胸徑的總生長量分別可以達(dá)到7.8、10.2 和11.5 cm。當(dāng)刺槐樹齡在21 ～30 a 期間時，胸徑的平均生長率只有0.21 cm/a，樹齡在31 ～40 a期間時，胸徑的平均生長率只有0.12 cm/a。利用胸徑生長模型計算出刺槐林樹齡在19 ～40 a 期間平均生長率只有0.18 cm/a，而在樹齡18 a 之前，其胸徑增長速率為0.32 cm/a，可見，當(dāng)樹齡大于18 a后，刺槐的胸徑生長速率明顯變慢。

3.3 胸徑與生物量的關(guān)系

水土保持林調(diào)查中，胸徑的測定相對容易，且測量精度較高，而生物量通常需要將對象木伐倒進(jìn)行測量，屬于破壞性調(diào)查，為此建立胸徑與生物量的關(guān)系具有重要意義。對研究區(qū)42 株不同胸徑刺槐的生物量進(jìn)行測定，利用其中35 株的數(shù)據(jù)擬合出了刺槐單株生物量(干質(zhì)量)(y)與胸徑(x)的關(guān)系(圖3)。可以看出，刺槐單株生物量(干質(zhì)量)與胸徑成冪函數(shù)關(guān)系。利用剩余7 株的數(shù)據(jù)對刺槐單株生物量(干質(zhì)量)與胸徑的關(guān)系進(jìn)行驗證，結(jié)果見表4。

圖3 刺槐單株生物量與胸徑的關(guān)系Fig.3 Relationship between biomass and DBH of a single Robinia pseudoacacia

表4 刺槐單株生物量預(yù)測值與實測值的對比Tab.4 Biomass comparison between the predictive value and measured value of single Robinia pseudoacacia plant

刺槐單株總生物量、葉生物量、根生物量與胸徑的關(guān)系式如下:

式中:W總為刺槐單株總生物量，kg;W葉為刺槐單株葉生物量，kg;W根為刺槐單株根生物量，kg。

4 水土保持林分生物量與碳密度的動態(tài)變化關(guān)系

研究區(qū)刺槐水土保持林是山西吉縣紅旗林場于20 世紀(jì)70 年代營造的，平均密度為1 500 株/hm2，平均胸徑為7.8 cm。利用胸徑與單株生物量的關(guān)系可以計算出研究區(qū)刺槐水土保持林目前的單位面積生物量約為32.84 t/hm2。

碳密度是單位面積生物量與含碳率的乘積，據(jù)王效科等［14］的研究，含碳率在不同植物間變化不大，因此，為簡便起見，采用馬欽彥等［13］對華北主要森林類型建群種含碳率的研究結(jié)果，選取華北地區(qū)落葉闊葉樹種含碳率的平均值0.488 作為刺槐水土保持林的含碳率，計算出目前研究區(qū)刺槐水土保持林的碳密度為16.03 t/hm2。

利用前面得出的刺槐胸徑生長模型D=12.984(1－e－0.066a)1.652和胸徑與生物量的關(guān)系W總=0.165 4D2.3784，對研究區(qū)刺槐胸徑、生物量、碳密度的動態(tài)變化進(jìn)行計算和預(yù)測，結(jié)果見圖4 和表5。

從圖4 可見，研究區(qū)刺槐生物量的連年生長量在樹齡21 a 時達(dá)到最大，為3.11 t/hm2，樹齡21 a 后生物量的連年生長量開始下降，即從樹齡21 a 開始，刺槐林生物量的增長速率逐漸下降，到樹齡35 a時生物量的連年生長量與平均生長量相交，此時刺槐水土保持林已經(jīng)達(dá)到成熟林，總生物量可以達(dá)到72.79 t/hm2，碳密度為35.52 t/hm2(表5)。

表5 刺槐水土保持林胸徑、生物量、碳密度的動態(tài)變化Tab.5 Dynamic changes of DBH，biomass，carbon intensity of Robinia pseudoacacia forests for soil and water conservation

圖4 刺槐水土保持林生物量變化圖Fig.4 Biomass changes of Robinia pseudoacacia forests for soil and water conservation

5 結(jié)論與討論

1)研究區(qū)刺槐水土保持林的高生長可分為2個階段，樹齡12 a 以前為快速生長階段，樹高的生長速率可達(dá)0.63 m/a，樹齡12 ～18 a 為緩慢生長階段，樹高的生長速率只有0.32 m/a。利用樹高生長模型預(yù)測得出樹齡19 a 以后樹高的生長速率只有0.13 m/a。刺槐林齡達(dá)到12 a 后進(jìn)入成林高度，高生長逐漸緩慢。

2)以樹齡12 a 為界，刺槐水土保持林的胸徑生長分為2 個階段，樹齡12 a 以前胸徑平均生長率為0.53 cm/a，2 ～18 a 胸徑平均生長率為0.32 cm/a。利用胸徑生長模型預(yù)測得出樹齡19 a 以后胸徑的生長速率只有0.18 cm/a。刺槐樹林達(dá)到12 a 后胸徑生長逐漸變慢。

3)刺槐的總生物量、葉生物量、根生物量均與胸徑成冪函數(shù)關(guān)系。通過模擬計算得出，樹齡達(dá)到21 a 時，刺槐水土保持林生物量的連年生長量最大，達(dá)3.11 t/hm2，此后生物量的增長速率逐漸下降，到樹齡35 a 時，生物量的連年生長量與平均生長量相交，成為成熟林，總生物量達(dá)到72.79 t/hm2，碳密度為35.52 t/hm2。

調(diào)查地區(qū)刺槐水土保持林目前的碳密度僅為12.81 t/hm2，遠(yuǎn)低于劉國華等［15］提出的我國森林平均碳密度38.7 t/hm2，而當(dāng)刺槐水土保持林達(dá)到成熟林的35 a 后，其他密度可以達(dá)到35.52 t/hm2，與我國森林的平均碳密度已非常接近，這說明生長在水土流失地區(qū)的水土保持林，雖然生存條件苛刻，但這些水土保持林不僅能夠起到防治水土流失、保護(hù)土壤資源、改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的生態(tài)服務(wù)功能，同時具有較強(qiáng)的碳匯能力，為固碳減排起到了積極作用;因此，在評價水土保持林生態(tài)服務(wù)功能時，必須充分考慮水土保持林的固碳效益。

刺槐水土保持林達(dá)到樹齡35 a 后，生物量的連年增長量小于平均增長量，此后其固定CO2的能力逐年下降;因此，應(yīng)該對這種成熟林進(jìn)行更新改造，以防止水土保持林碳匯能力的衰退和降低。

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