江西4個縣毛竹生態系統碳儲量及分布格局研究

胡耀文++周光南++李林海++趙自穩+++郭曉敏+++劉苑秋+++張文元

摘要：毛竹（Phyllostachys edulis）在我國南方分布廣泛，生長快速，具有廣泛的用途。對江西省崇義、靖安、資溪、井岡山4個地區毛竹樣地的立竹生長、林下植被、土壤以及環境狀況進行了調查，研究樣地碳儲量的分配格局。結果表明，毛竹樣地的土壤層是固碳主體，其次是毛竹立竹，林下植被。毛竹立竹稈的碳儲量是立竹的固碳主體。崇義、靖安、資溪、井岡山4個研究區域單位面積平均碳儲量分別為189.096、215.336、198.838、239.723 t/hm2。

關鍵詞：毛竹（Phyllostachys edulis）； 碳儲量；分布 ；生態系統

中圖分類號： S795.01；S181.6文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0234-04

收稿日期：2015-11-30

基金項目：中國科學院戰略性先導科技專題（編號：XDA05050205）；江西省自然科學基金（編號：20132BAB204026）；江西省教育廳科技項目（編號：GJJ13270）；江西省教育廳落地推廣項目（編號：2KJLD1304）。

作者簡介：胡耀文（1991—），男，江西撫州人，碩士研究生，主要從事森林培育研究。E-mail：hyw910729@163.com。

通信作者：張文元，博士，講師，主要從事森林培育理論和技術、竹林培育方面的研究。E-mail：zwy15@126.com。森林碳匯主要是指森林從空氣中吸收并儲存二氧化碳的多少，或者說是森林吸收并儲存二氧化碳的能力。對森林碳儲量研究是全球碳循環研究焦點之一[1-2]，森林植被吸收大氣中的二氧化碳并存儲在植被或土壤中，從而減少二氧化碳在大氣中的濃度。植物通過光合作用把吸收的二氧化碳轉變為糖、氧氣和有機物，是地球最基本的物質和能量的來源。地球的森林面積雖然只占陸地總面積的1/3，但是森林在降低大氣中二氧化碳濃度、減緩全球氣候變暖中，發揮著重要的作用。森林植被部分碳庫占全球植被碳庫的76%[3]，森林土壤碳庫儲存了全球土壤碳儲量的40%左右[4-5]，森林是陸地生態系統中最大的碳庫[6]。毛竹（Phyllostachys edulis） 系禾本科剛竹屬多年生散生竹[7]。毛竹稈籜厚革質，密被糖毛及深褐色斑點、斑塊，籜環被有1圈脫落性毛，籜耳和繸毛發達，鋒舌發達，籜片呈三角形或披針形，外翻[8]。中國長江以南，生長著世界85%的毛竹，其分布面積為386.83萬hm2，占竹林總面積的71.89%[9]。長期以來，人們一直都只關注毛竹的經濟實用價值[10]，但是近年來隨著生態理念日漸進入人心，毛竹為生態環境帶來的效益功能也越來越受到學者和專家們的關注。

1材料與方法

1.1研究區概況

本次研究試驗樣地設在崇義、靖安、資溪、井岡山4個地區。崇義試驗樣地地處中低緯度地區，屬中亞熱帶季風濕潤區，氣候差異顯著，歷年平均氣溫17.8 ℃，年降雨量 1 615.2 mm。靖安試驗樣地屬于北亞熱帶濕潤氣候 歷年平均氣溫17.0 ℃，少數高山區年平均氣溫在15.0 ℃左右，要比平原低3 ℃以上，主要土壤類型有紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤等。資溪地區試驗樣地屬亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，年平均氣溫16.9 ℃，年平均降雨量1 929.9 mm。井岡山樣地屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫14.2 ℃，年平均降雨量 1 856.3 mm。

崇義試驗樣地的土壤類型主要是紅壤，植被類型為毛竹林，群落以毛竹、檵木、芒萁、柃木、淡竹葉、檵木為優勢樹種，郁閉度為80%，群落高度在12～13 m之間。靖安的試驗樣地土壤類型也為紅壤，林齡為6、7年，植被類型為毛竹純林，植被群落優勢樹種為毛竹、檵木、百合科、油茶、絡石、薔薇科、蕨類、禾本科。林分郁閉度在90%～100%之間。資溪地區試驗樣地土壤類型為紅壤和黃壤，群落層優勢樹種為毛竹、杜荊山、淡竹葉、蕨，林分郁閉度60%～80%之間。井岡山地區試驗樣地土壤主要類型為紅壤、棕壤、山地黃棕壤，植被類型為毛竹林，植被群落優勢樹種為毛竹、鈴木、烏藥、狗脊蕨、新木姜、莎草，林分郁閉度60%～80%，群落高度14～15 m。

1.2樣地設置

按要求樣地水平投影大小為800 m2。以樣地的西南角為起點，順時針方向用羅盤儀測角（確保樣地4個角成直角）和坡度，皮尺量距離。按樣地垂直投影面積計算森林生物量、碳儲量和土壤碳儲量對樣地進行樣地面積校正。樣地設置好以后，應標記其所處的地點，記錄樣地的GPS 定位坐標、坡向、坡度、坡位、海拔、方位及在林分中的相對位置，并將樣地設置的大小、形狀在樣地調查表上按比例繪制略圖；保存GPS 設備中的樣地和途徑路線定位數據，以便復查、核查。對能夠反映樣地在地理和植被典型特征的視覺景象進行拍照，現場記錄相片編號，對照片按樣地編號進行重新命名保存。

1.3取樣方法

每個樣地根據毛竹林每木檢尺結果得出其年齡結構、平均胸徑、竹高指標，據此計算出每度竹的平均立竹作為標準竹， 分別砍伐Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ度竹的標準竹各1根。地上部分別測定竹稈、竹枝和竹葉，地上部分生物量測定以1m為區分段，表1樣地概況及立竹生長狀況地下部分調查，根據所取的標準竹，分別以毛竹基部竹稈為中心，在其周圍挖取1 m×2 m的小樣方，從土壤開始，每 20 cm 向下挖取所有的土壤和根系，直到無竹根為止。用清水沖洗干凈，進行毛竹根結構觀察。

灌木（胸徑<5 cm，高度>50 cm，若對于高度小于50 cm 的小灌木，歸為草本層）的調查，在樣地的主對角線上隨機設置（結合樣地實際情況挑選有代表性的樣方）3個2 m×2 m的樣方；草本和凋落物在另外一條主對角線上選擇3個 1 m×1 m 的樣方。記錄主要種類及其蓋度后，將樣方內所有植物全部收獲后，灌木分葉、枝干、根稱質量；草本分地上、地下部分；凋落物凋落葉片、枝條、草本和木炭等，加上難以辨別的有機物分解碎片，直徑<5 cm 的枯死木也包括在枯落物層中，一并進行測定，同時區分未分解的凋落物和已經開始分解的凋落物組分（根據肉眼判斷：新鮮剛凋落的枯枝落葉為未分解，已經凋落一定時間，并且葉、枝等開始腐爛統一定義為半分解）。以上分別稱鮮質量后，取300 g代表性樣本帶回試驗。

土壤的測定是在調查樣地內選擇1個未受人為干擾、植被結構和土壤具代表性的地段，挖掘1個土壤剖面，深至 100 cm，不夠100 cm 至基巖為止。對土壤剖面進行拍照并將照片編號，現場記錄。拍照時將米尺（或卷尺）立于向陽剖面，調好位置和焦距，保證包含剖面1 m 內所有土層。數碼照片的像素不低于800萬像素。在剖面按照自然發生層取O層（有機質層）、A層（淋溶層）、B層（淀積層）樣品。沿剖面按0～10、10～20、20～30、30～50、50～100 cm 分層，用環刀采集各層土壤，每層打2～3個環刀，帶回試驗室測定土壤容重。每層再隨機鉆取3 鉆土，混合成一個混合樣。同一樣地3 個灌木樣方的同層次土樣組成該層次混合樣品。需注意的是，取樣時盡量保持每個小土體的完整性，盡早進行風干處理。

1.4樣品測定方法

將采集回來的毛竹各器官、林下植被及土壤樣品，稱質量后置于65 ℃恒溫箱中，烘干后再稱質量，并計算植被層生物量，土壤容重等。立竹各器官、林下植被含碳率使用重鉻酸鉀氧化容量法測定，土壤有機碳使用濃硫酸消煮重鉻酸鉀氧化容量法測定[11]。

2結果與分析

2.1立竹各器官碳儲量現狀

從表2可以看出，井岡山地區立竹總平均碳儲量最大，為17.67 t/hm2。立竹各器官中，碳儲量最大的器官是竹稈，但是井岡山樣地與其他3個樣地不同，立竹各器官碳儲量中枝的平均碳儲量值最大，略高于竹稈的碳儲量，其他3個試驗樣地稈的平均碳儲量明顯大于其他器官的平均碳儲量，崇義地區立竹稈的平均碳儲量是4個地區中最大的，為 10.295 t/hm2。劉玉霞對不同海拔高度對壽寧縣毛竹生長影響的研究發現，海拔高度在800 m 以下，毛竹林的竹稈平均胸徑較大，產量較高[13] 。井岡山地區樣地平均海拔在 1 074.00 m，大于800 m，其他3個樣地平均海拔低于800 m，井岡山樣地中立竹的平均株高和胸徑也均低于其他3個樣地，此現象與劉玉霞的研究結果相同。高海拔是造成井岡山地區樣地毛竹稈的碳儲量和生物量水平異于其他樣地的原因之一。

方差分析顯示崇義地區毛竹立竹各器官的碳儲量差異顯著，靖安和資溪毛竹稈與枝、葉、根的碳儲量之間的差異顯著，而枝、葉、根內部之間的碳儲量差異不顯著，井岡山地區毛竹各器官碳儲量之間都不存在顯著性差異。

從圖1立竹各器官碳儲量百分比的分布可以看出，崇義、靖安、資溪3個樣地立竹稈的含碳量均占總碳儲量的60%以上，其中資溪地區樣地最大，占72.45%。立竹各器官中，所占碳儲量百分比最小的器官是竹葉，其中崇義地區立竹葉器官碳儲量百分比只占總碳儲量的4.84%，是4個樣地之中最小的。

2.2林下植被狀況

4個樣地林下植被碳儲量和百分比見表3和圖2，在4個試驗樣地中，資溪地區和崇義地區的林下主要以草本為主，林下草本碳儲量分別占林下總碳儲量的64.12%和54.12%，崇義地區樣地草本碳儲量在4個樣地中是最大的，為 0.860 t/hm2。井岡山地區和靖安試驗樣地林下植被以灌木為主，其中井岡山地區的林下灌木碳儲量為3.021 t/hm2，占樣地林下碳儲量的83.11%，是4個試驗樣地中灌木生物量和百分比最大的，林下植被碳儲量總量3.635 t/hm2，在所有樣地中也是最大的，造成這種現象的原因與井岡山樣地的較高海拔環境有關，人為干擾較少，破壞較少，林下灌木自然生長，灌木的量就相對其他3個地區的樣地來說生長旺盛。

表3毛竹林下植被碳儲量

樣地碳儲量（t/hm2）灌木草本總計崇義0.729±0.20A0.860±0.01A1.589靖安0.385±0.10A0.283±0.05A0.668資溪0.221±0.05A0.395±0.07A0.616井岡山3.021±1.12A0.614±0.17A3.635

2.3土壤碳儲量

土壤碳庫是陸地生態系統碳庫中最大的貯庫，而且是其中非常活躍的部分[14]。即使在森林類型相同的生態系統中，其碳儲量也會隨土壤類型不同而不同[15]。不同土壤類型的營養狀況和營養元素的流動不同都可能影響到碳在土壤中積累的相對量和絕對量[16]。表4為4個試驗樣地各土壤層碳

儲量分配格局，崇義地區樣地碳儲量最高的是0～10 cm土壤層，碳儲量達38.559 t/hm2，最低的土壤層為30～50 cm，為27.966 t/hm2，方差顯示崇義地區樣地各土層之間的碳儲量不存在顯著差異。4個樣地中同樣不存在顯著性差異的樣地是井岡山地區樣地，井岡山地區樣地土壤碳儲量最高的是 50～100 cm 土壤層，達44.894 t/hm2，最低的土壤層是20～30 cm，為29.479 t/hm2。靖安和資溪土壤含碳量最高的土層為500～100 cm層，最低的在20～30 cm層。方差顯示50～100 cm層的土壤碳儲量與其他4個土層的碳儲量存在顯著差異性。

從圖3可以看出，土壤的碳儲量隨土壤深度變化而呈現出一定的規律性，4個試驗樣地土壤層深度在0～10、10～20 cm 層土壤碳儲量均呈現下降的趨勢，土壤深度50～100 cm 層的土壤碳儲量均呈現上升趨勢。造成這種現象的原因之一是由于土壤的淋溶作用，土壤受到雨水的沖刷使上層的有機質和礦物質下滲，積聚在下方土層，所以使得土壤隨著土壤層深度加深碳儲量出現一個先下降后上升的趨勢。

2.4毛竹林碳儲量分配格局

4個試驗樣地的碳儲量分配格局見表5，土壤層所占比例最大，表明土壤是毛竹生態林中碳儲量最大的碳庫，這是因為森林土壤碳庫庫存量大，而且土壤碳周轉速率比較緩慢，所以能維持較長時間的碳儲存[17]。毛竹林土壤碳儲量世界平均值為189.00 t/hm2[18]，本研究中靖安、資溪、井岡山3個地區試驗樣地土壤碳儲量均高于世界平均值。我國森林土壤平均碳貯量為193.55 t/hm2[19]，本次研究中的靖安地區樣地為 202798 t/hm2，井岡山地區樣地為218.417 t/hm2，均高于國家森林平均碳儲量。表5樣地碳儲量與分配格局

部位崇義靖安資溪井岡山碳儲量（t/hm2）占比（%）碳儲量（t/hm2）占比（%）碳儲量（t/hm2）占比（%）碳儲量（t/hm2）占比（%）喬木15.1808.0311.8705.5110.5515.3117.6717.37林下1.5890.840.6680.310.6160.313.6351.52土壤172.32791.13202.79894.18187.67194.38218.41791.11總計189.096215.336198.838239.723

3結論

綜合4個地區的試驗樣地可知，毛竹林生態系統各層次碳儲量大小排序為土壤層>喬木層>林下植被。在喬木層中，毛竹稈所含碳儲量是最大的，葉所含的碳儲量最小。而在井岡山地區樣地，毛竹立竹枝的碳儲量是最大的，這與樣地的海拔有關，大于800 m的海拔使毛竹稈的生長受到影響。林下植被碳儲量的分布則與當地的植被生長狀況有關，靖安和井岡山2地林下灌木碳儲量大于林下草本碳儲量，而崇義和資溪2地林下灌木碳儲量小于草本碳儲量。

4個樣地土壤層碳儲量之中有3個高于世界土壤碳儲量平均值，4個樣地碳儲量百分比均占樣地總儲量的90%以上，其中井岡山地區土壤碳儲量最高，為218.417 t/hm2，井岡山樣地平均海拔最高，為1 074.00 m，通過樣地海拔對比和樣地碳儲量的對比可以看出，樣地土壤有機碳和碳儲量隨著海拔的上升也表現為上升的趨勢。資溪樣地土壤碳儲量所占百分比為94.38%，是4個樣地中最大的，而資溪樣地的林下植被碳儲量含量及占比在所有樣地中都是最小的。

土壤各層的碳儲量分布也不是均勻的，在本試驗設置的5個土壤層中，50～100 cm層的土壤碳儲量最大，碳儲量最小的為20～30 cm土壤層。隨著土壤層的加深，土壤碳儲量也呈現出先降低后增加的趨勢。凋落物的分解是土壤表層重要的碳源，隨著土壤土層的增加，土壤碳儲量呈現減少的趨勢。樣地中的毛竹受到人為干擾少，毛竹枯萎死亡后其根系在土壤中被微生物分解不完全，所以造成土壤碳儲量在50～100 cm 的土層呈現出反常的增加趨勢。

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