寧夏賀蘭山灰榆林的有機(jī)碳儲(chǔ)量研究

李娜++馬生虎++王繼飛++何建龍++許浩++季波

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.069

摘要：灰榆（Ulmus glaucescens）是分布于寧夏賀蘭山東坡海拔1 500～2 100 m垂直范圍內(nèi)一個(gè)獨(dú)特的植被類(lèi)型，也是該區(qū)域唯一一種在野生狀態(tài)下生長(zhǎng)的闊葉喬木，對(duì)維持區(qū)域生態(tài)平衡發(fā)揮著重要的作用。以寧夏賀蘭山大面積分布的灰榆林（包括灰榆疏林）為對(duì)象，從喬木層、灌木層、地被層、土壤層4個(gè)層次，采用標(biāo)準(zhǔn)木生物量法對(duì)灰榆林碳儲(chǔ)量及其分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，寧夏賀蘭山灰榆林總有機(jī)碳儲(chǔ)量為24.863萬(wàn)t，其中，大水溝管理區(qū)、馬蓮口管理區(qū)、紅果子管理區(qū)、蘇峪口管理區(qū)碳儲(chǔ)量分別為17.141萬(wàn)、3.237萬(wàn)、2.132萬(wàn)、2.353萬(wàn)t，總體表現(xiàn)為大水溝管理站>馬蓮口管理站>蘇峪口管理站>紅果子管理站；土壤層是灰榆林主要的有機(jī)碳庫(kù)，占總儲(chǔ)量的80.87%，碳儲(chǔ)量空間分布特征總體表現(xiàn)為土壤層>喬木層>地被層>灌木層。

關(guān)鍵詞：灰榆；含碳率；固碳能力；寧夏賀蘭山；碳儲(chǔ)量；分布特征

中圖分類(lèi)號(hào)： S718.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0251-03

收稿日期：2015-07-31

基金項(xiàng)目：寧夏自然科學(xué)基金（編號(hào)：NZ13120）；寧夏農(nóng)林科學(xué)院科技創(chuàng)新先導(dǎo)資金（編號(hào)：NKYJ-15-18）。

作者簡(jiǎn)介：李娜（1981—），女，寧夏石嘴山人，助理研究員，從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail：nxlina2000@163.com。

通信作者：季波，碩士，助理研究員，從事生態(tài)學(xué)研究。E-mail：nxjibo311@163.com。大氣CO2濃度增加引起的全球氣候變暖已成為當(dāng)今世界關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題[1-2]，而森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)大氣CO2濃度及全球氣候變化方面具有非常重要的作用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，森林生態(tài)系統(tǒng)生物量約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的90%，其碳儲(chǔ)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的46%[3]，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的研究已逐漸成為當(dāng)代生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域[4-5]。我國(guó)對(duì)森林植被碳儲(chǔ)量的研究起步相對(duì)較晚，主要局限于我國(guó)中南部個(gè)別地區(qū)[6]，且大多是進(jìn)行國(guó)家或區(qū)域大尺度的研究，多采用0.45或0.50作為森林植被類(lèi)型的平均含碳量轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行森林植被碳儲(chǔ)量的估算，這使得很多研究結(jié)果存在很大的不確定性[6-7]。

寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)地處我國(guó)溫帶草原與荒漠的過(guò)渡地帶，是寧夏三大自然林區(qū)之一，也是騰格里沙漠、毛烏素沙漠以及烏蘭布和沙漠的分界線(xiàn)，構(gòu)成了寧夏銀川平原的天然屏障。寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)獨(dú)特的地理位置，使賀蘭山發(fā)育有茂密的天然森林植被、豐富的動(dòng)植物資源等，成為我國(guó)干旱與半干旱地區(qū)具有代表性的山地自然生態(tài)系統(tǒng)[8-9]，資料統(tǒng)計(jì)顯示，目前寧夏賀蘭山森林覆蓋度達(dá)到14.3%。灰榆（Ulmus glaucescens）是廣泛分布于寧夏賀蘭山海拔1 500～2 100 m 垂直范圍內(nèi)一個(gè)獨(dú)特的植被類(lèi)型，也是野生狀態(tài)下生長(zhǎng)于該區(qū)域的唯一一種闊葉喬木，對(duì)寧夏賀蘭山水土保持、降低土壤侵蝕、提供綠色物質(zhì)和生物棲息地等起非常重要的生態(tài)作用，對(duì)維持賀蘭山生態(tài)穩(wěn)定有著重要的意義。本試驗(yàn)以寧夏賀蘭山為研究區(qū)域，選取最有代表性的一種森林植被灰榆林為研究對(duì)象，探討寧夏小區(qū)域、小尺度灰榆林的固碳能力，不僅為干旱區(qū)特有的植被類(lèi)型碳儲(chǔ)能力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且為寧夏賀蘭山森林生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)參考。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

寧夏賀蘭山自然保護(hù)區(qū)位于寧夏銀川平原和阿拉善高原之間，是我國(guó)溫帶草原區(qū)與荒漠區(qū)的過(guò)渡地帶，地理位置為105°49′～106°41′E、38°19′～39°22′N(xiāo)，年降水量為200～400 mm，最高降水量達(dá)627.5 mm，6—8月降水相對(duì)最為集中，年均蒸發(fā)量約為2 000 mm[10-11]，呈溫帶草原、荒漠和山地森林鑲嵌分布的氣候特征，是我國(guó)保存較為完整的西北干旱區(qū)天然森林生態(tài)系統(tǒng)之一。寧夏賀蘭山海拔1 500～2 100 m 區(qū)域是灰榆林的主要分布地帶，土壤以灰鈣土、粗骨土為主，間雜有大量石礫，降水量為200～300 mm，林下植被主要是由灌木亞菊和短花針茅構(gòu)成的荒漠草原。

1.2樣品采集

1.2.1植被樣品的采集采用生物量樣地清查法：2013—2014年，在每年7—9月林木生物量最大時(shí)，配合疏林工程并獲得采伐批準(zhǔn)，在灰榆研究區(qū)設(shè)置30 m×30 m標(biāo)準(zhǔn)樣地；采用每木檢尺方法，對(duì)每株喬木實(shí)測(cè)胸徑和樹(shù)高，依此選取標(biāo)準(zhǔn)木；采用截伐收獲標(biāo)準(zhǔn)木各器官生物量，抽取樣品實(shí)測(cè)鮮質(zhì)量，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，計(jì)算干濕比，確定單株干質(zhì)量；烘干樣品粉碎過(guò)篩，用于測(cè)定有機(jī)碳含量。林下灌木采用收獲法：在30 m×30 m標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置10 m×10 m小樣地，再在每個(gè)小樣地的對(duì)角線(xiàn)上設(shè)置2 m×2 m樣方，采用挖掘法收獲樣方內(nèi)所有優(yōu)勢(shì)種灌木的地上和地下生物量，測(cè)定其鮮質(zhì)量；抽取樣品帶回實(shí)驗(yàn)室烘干，以測(cè)定干質(zhì)量及有機(jī)碳含量。

1.2.2土壤和根系樣品的采集每個(gè)樣地按照上、中、下3個(gè)坡位，每個(gè)位置設(shè)定1 m×1 m樣方進(jìn)行隨機(jī)取樣，重復(fù)3次。由于灰榆林林下土壤礫石含量較多，無(wú)法采用環(huán)刀取樣，故采用挖掘方法采集土樣。采樣時(shí)，挖取樣方內(nèi)深度直達(dá)巖石層的所有土壤，過(guò)5 mm篩并稱(chēng)質(zhì)量，同時(shí)，挑出林木、草本等根系并分別稱(chēng)質(zhì)量。抽取部分樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，以測(cè)定含水率和有機(jī)碳含量。

1.3有機(jī)碳含量測(cè)定

將抽取的植物及枯枝落葉等樣品置于干燥箱中75 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)得樣品干質(zhì)量，計(jì)算干濕比，確定單株干質(zhì)量，干燥樣品粉碎處理，過(guò)60目篩；土壤樣品置于干燥箱中 105 ℃ 烘至恒質(zhì)量，測(cè)得樣品干質(zhì)量，研磨過(guò)100目篩。過(guò)篩樣品均采用重鉻酸鉀外加熱法[12]測(cè)定有機(jī)碳含量。

1.4林分平均含碳率的計(jì)算

由于樹(shù)種不同，各器官及各組分的含碳率必然不同，各組分生物量及林分生物量占總生物量的比重也會(huì)不同。因此，單一以某個(gè)樹(shù)種器官或組分的平均含碳率作為該樹(shù)種的平均含碳率，或者是該樹(shù)種林分的平均含碳率，均不能真實(shí)反映和代表其含碳率的實(shí)際水平。為更加準(zhǔn)確、真實(shí)地反映林分平均含碳率的實(shí)際水平，林分的平均含碳率[13-14]計(jì)算公式為：

Wi=∑ZijWij∑Zij；

W=1n∑ni=1wi。

式中：i為標(biāo)準(zhǔn)樣地編號(hào)，為1，2，…，n；j表示組分，分別為干、枝、葉、根；W為某種林分的平均含碳率值；Wi為第i塊標(biāo)準(zhǔn)樣地該種林分的生物量加權(quán)平均含碳率；Zij為第i塊標(biāo)準(zhǔn)地第j組分的生物量；Wij為第i塊標(biāo)準(zhǔn)地第j組分的含碳率值。

1.5碳儲(chǔ)量的估算

1.5.1林木碳儲(chǔ)量林木單位面積碳儲(chǔ)量估算主要依據(jù)林分調(diào)查的徑階分布、林木密度和單株含碳率的線(xiàn)性關(guān)系進(jìn)行估算，計(jì)算公式為：

S=∑ni=1π（d2）2；

N=S/π（d′2）2；

Ct=N×V/A。

式中：S為調(diào)查樣地內(nèi)的林木總胸徑面積；d為胸徑，d′為標(biāo)準(zhǔn)株胸徑，灰榆以地徑計(jì)；n為調(diào)查總數(shù)；N為等價(jià)標(biāo)準(zhǔn)株數(shù)，即樣地胸徑總面積與標(biāo)準(zhǔn)株胸徑面積的比值；Ct為林木碳儲(chǔ)量；V為標(biāo)準(zhǔn)株含碳量；A為調(diào)查面積。

1.5.2林分碳儲(chǔ)量植被碳儲(chǔ)量可根據(jù)生物量、植物含碳量、植被類(lèi)型或林分類(lèi)型面積3個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式為：

VC=∑ni=1（Bi×Ri×Si）。

式中：Bi為生物量；Ri為含碳率；Si為某一類(lèi)型植被的面積。

1.5.3土壤碳儲(chǔ)量土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量可根據(jù)土壤有機(jī)碳含量、土壤密度、土壤深度、面積4個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，公式為：

SOC=∑ni=1（Ci×di×hi）；

SC=∑ni=1（SOCi×Si）。

式中：SOC為某類(lèi)型土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；i表示土壤層次；Ci表示土壤有機(jī)碳含量；di表示土壤密度；hi表示土壤深度；Si表示該類(lèi)型土壤面積。

2結(jié)果與分析

2.1灰榆林林木的碳儲(chǔ)量構(gòu)成特征

由表1可知，灰榆各器官的平均含碳率以樹(shù)干木材最高，為0.462，樹(shù)皮最低，為0.364，各器官含碳率總體表現(xiàn)為樹(shù)干木材>樹(shù)根>樹(shù)枝>樹(shù)葉>樹(shù)皮；根據(jù)各器官生物量權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，灰榆地上部分平均含碳率為0.439，因此，通常采用0.45或0.5作為含碳率的統(tǒng)一指標(biāo)來(lái)計(jì)算某一植被類(lèi)型的碳儲(chǔ)量會(huì)存在誤差；灰榆喬木層的碳儲(chǔ)量為8.917 t/hm2，其中地上部分碳儲(chǔ)量為6.115 t/hm2，占總碳儲(chǔ)量的68.58%，地下根系碳儲(chǔ)量為2.802 t/hm2，占總碳儲(chǔ)量的31.42%；喬木層各組分碳儲(chǔ)量總體表現(xiàn)為木材>根系>樹(shù)枝>樹(shù)皮>樹(shù)葉，其中，樹(shù)干木材、樹(shù)枝和樹(shù)根在總碳儲(chǔ)量中占主體優(yōu)勢(shì)，占總碳儲(chǔ)量的89.13%（圖1），這與林分各組分生物量的分布規(guī)律相一致。

2.2灰榆林林下灌木及地被層固碳能力

2.2.1林下灌木含碳率差異由表2可見(jiàn)，4種主要灌木的地上部分平均含碳率為0.469 4；酸棗地上部分的平均含碳率相對(duì)最高，為0.510 5，其次為刺玫，其地上部分的平均含碳率為0.506 5，與酸棗之間差異不顯著；錦雞生地上部分的平均含碳率顯著低于其他3種主要灌木。

2.2.2林下灌木及地被層固碳量由表3可見(jiàn)，灰榆林林下灌木層、地被層的碳儲(chǔ)量分別為0.117、2.918 t/hm2，灌木層地上部分的碳儲(chǔ)量在總碳儲(chǔ)量中占主體地位；灌木層地上、地下部分的碳儲(chǔ)量分別占灌木層總碳儲(chǔ)量的71.36%、28.64%；地被層地上、地下部分的碳儲(chǔ)量在總碳儲(chǔ)量中所占比重與灌木層相反，其地下部分的碳儲(chǔ)量所占比重相對(duì)較大，占總碳儲(chǔ)量的83.17%。

2.2.3林下土壤層固碳能力經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，灰榆林林下土壤礫石含量較多，質(zhì)地較粗，沒(méi)有明顯的層次區(qū)別，土層平均厚度為40.25 cm；灰榆林分布較為稀疏，對(duì)風(fēng)成沉積物的滯留作用相對(duì)較弱，加之土壤侵蝕作用，對(duì)土壤的累積非常不利。經(jīng)測(cè)試分析，林下土壤有機(jī)碳含量為21.61 g/kg，碳儲(chǔ)量為50.53 t/hm2，與同屬荒漠區(qū)的沙地有機(jī)碳含量4.31 g/kg[15]相比，灰榆林土壤有機(jī)碳含量明顯高于沙地，也高于黃土0～90 cm土層的有機(jī)碳含量（3.8～28 g/kg）[16]。

2.3寧夏賀蘭山灰榆林的碳儲(chǔ)量及其構(gòu)成特征

2.3.1灰榆疏林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量及構(gòu)成特征由表4可見(jiàn)，寧夏賀蘭山灰榆疏林總碳儲(chǔ)量為62.48 t/hm2；灰榆疏林喬木層、灌木層、地被層、土壤層的碳儲(chǔ)量分別為8.92、0.12、2.92、50.53 t/hm2，空間分布上總體表現(xiàn)為土壤層>喬木層>地被層>灌木層；土壤層在總碳儲(chǔ)量中所占比重相對(duì)最大，占總碳儲(chǔ)量的80.87%，其次為喬木層，所占比重為1428%，這說(shuō)明土壤層與喬木層在森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中起主導(dǎo)作用，林地土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的有機(jī)碳庫(kù)；灌木層和地被層占碳總儲(chǔ)量的比重相對(duì)較低，分別為0.19%、467%，這主要與其生物量占比相對(duì)較低有關(guān)。

2.3.2寧夏賀蘭山灰榆林碳儲(chǔ)量的構(gòu)成特征由表5可見(jiàn)，寧夏賀蘭山灰榆林總碳儲(chǔ)量為24.863萬(wàn)t；大水溝管理站的總碳儲(chǔ)量相對(duì)最高，為17.141萬(wàn)t，其次是馬蓮口管理站，其碳儲(chǔ)量為3.237萬(wàn)，紅果子管理站和蘇峪口管理站相對(duì)較低，分別為2.132萬(wàn)、2.353萬(wàn)t，總體表現(xiàn)為大水溝管理站>馬蓮口管理站>蘇峪口管理站>紅果子管理站，這種差異性可能主要與灰榆分布面積有關(guān)；在4個(gè)管理站中，土壤層碳儲(chǔ)量占有主體地位，其次是喬木層，地被層和灌木層所占比重均相對(duì)較小。

3結(jié)論與討論

在以往的很多研究中，許多學(xué)者均采用0.45或0.5作為森林植被的平均含碳率來(lái)估算碳儲(chǔ)量，如2000年劉國(guó)華等對(duì)中國(guó)森林碳動(dòng)態(tài)的研究、馬欽彥等1996年對(duì)中國(guó)油松林儲(chǔ)碳量基本估計(jì)的研究及2000年周玉榮等對(duì)中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的研究等[17-19]。本研究結(jié)果表明，灰榆地上部分的平均含碳率為0.439。不同林種具有不同的含碳率值，如統(tǒng)一采用 0.45 或0.5作為平均含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行碳儲(chǔ)量估算，會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生一定偏差，如僅以0.45作為所有林木的平均含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行碳儲(chǔ)量估算，可能會(huì)帶來(lái)3%～10%的負(fù)系統(tǒng)誤差。因此，在估算區(qū)域碳儲(chǔ)量時(shí)，為確保結(jié)果更加準(zhǔn)確，應(yīng)依據(jù)不同區(qū)域不同森林類(lèi)型的不同樹(shù)種而采用不同的含碳率數(shù)值[20-21]。

本研究經(jīng)測(cè)算認(rèn)為，灰榆林林下土壤有機(jī)碳含量為 21.61 g/kg，與同屬荒漠區(qū)的沙土[15]比較，灰榆林土壤有機(jī)碳含量明顯高于沙土；灰榆林林下土壤碳儲(chǔ)量為50.53 t/hm2，與我國(guó)各森林類(lèi)型的土壤碳儲(chǔ)量全國(guó)平均水平107.8 t/hm2（其中，天然林平均土壤碳儲(chǔ)量109.1 t/hm2，人工林平均土壤碳儲(chǔ)量107.1 t/hm2）相比[21-22]，灰榆林林下土壤碳儲(chǔ)量為全國(guó)天然林土壤有機(jī)碳平均水平的46.32%。可見(jiàn)，寧夏賀蘭山灰榆林雖地處干旱風(fēng)沙區(qū)，但其林下土壤有機(jī)碳庫(kù)是不可忽視的碳庫(kù)來(lái)源。

寧夏賀蘭山灰榆林的總碳儲(chǔ)量在空間分布上總體表現(xiàn)為土壤層>喬木層>地被層>灌木層，土壤層碳儲(chǔ)量是構(gòu)成總碳儲(chǔ)量的主體，這與王金葉等研究結(jié)果[23-24]一致。因此，在保護(hù)區(qū)日常經(jīng)營(yíng)管理中，要促進(jìn)碳的貯存和持續(xù)增加，特別要防止不適當(dāng)?shù)慕?jīng)營(yíng)活動(dòng)造成森林土壤碳的排放，削弱其碳源作用[21，23]。

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