寧南黃土丘陵26年生主要人工灌木林碳密度及其分配特征

劉 濤

(中共商丘市委黨校經濟學教研部，河南商丘 476000)

從工業革命開始，化石燃料被大規模利用，再加上土地利用方式轉變，空氣中CO2積累量越來越多，溫室效應不斷加劇。人工造林可以提高森林覆蓋率，成為世界各國碳減排工程的重要措施之一[1]。我國人工林面積世界第一，Fang等[2]研究表明，人工林是我國森林碳儲量增加的主體。作為世界上灌叢分布面積最廣的國家之一，我國灌叢面積近2億hm2[3]。20世紀70年代以來，黃土丘陵區大面積實施天然林保護工程、三北防護林工程和退耕還林工程等大型生態恢復工程[4]，沙棘、檸條和山毛桃在寧南黃土丘陵區大面積種植[5-9]，是該地區主要退耕灌木種。因此，對該地區灌木林碳密度進行研究，將有助于準確評估該地區灌木林地的碳儲量。目前，對沙棘、檸條固碳能力的研究不多[10-13]，對山毛桃固碳能力的研究更少，目前僅見少量報道[8-9，11]，三者的固碳現狀、速率和潛力尚不明確。鑒于此，筆者對寧南黃土丘陵區26年生沙棘、檸條和山毛桃林地碳密度及其分配規律進行研究，以期為該地區人工灌木林碳效益估算提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1試驗地概況寧夏回族自治區固原市隆德縣屬于半濕潤向半干旱過渡地區，春季低溫少雨，夏季短暫且冰雹較多，秋季陰澇，冬季寒冷且持續時間長。年平均氣溫為全自治區最低，僅5.1 ℃，1月平均氣溫最低，為-25.7 ℃；7—8月平均溫度最高，為30.4 ℃。年平均日照時數2 128 h，無霜期124 d。年平均降水400～700 mm，主要集中在夏、秋2季，特別是7—9月。持續干旱年時，降水量下降，災害性天氣主要有霜凍、冰雹等。

該試驗中，所有樣點均設在隆德縣張程鄉，造林前為坡耕地，為典型的黃土丘陵地貌類型，造林前后土壤類型為黃綿土，造林后禁牧，無人類干擾。沙棘林樣點位于105°50′ E，35°35′ N，海拔1 868～1 932 m，坡度大多在13°～18°，林齡為26 a，灌木層平均蓋度55.11%，平均基徑1.30 cm，平均株高155.20 cm，林下草本主要以鐵桿蒿、冰草等為優勢種，草本蓋度4.23%；檸條林樣點位于105°50′ E，35°34′ N，海拔1 793～1 854 m，坡度大多在13°～18°，林齡為26a，灌木層平均蓋度43.67%，平均基徑2.76 cm，平均株高170.60 cm，林下草本以白羊草、硬質早熟禾等為優勢種，草本蓋度2.41%；山毛桃林樣點位于105°52′ E，35°37′ N，海拔1 893～2 013 m，坡度大多在16°～19°，林齡26 a，灌木層平均蓋度33.67%，平均基徑3.22 cm，平均株高162.4 cm，林下草本以長芒草、鐵桿蒿等為優勢種，草本蓋度2.52%。

1.2樣地設置樣地調查于2011年8月在寧夏固原市隆德縣張程鄉進行，分別選擇26年生沙棘、檸條和山毛桃代表性樣點1個，每個樣點在坡頂、坡中、坡底分別選取10 m×10 m樣地3塊，每個樣地沿對角線選3個2 m×2 m小樣方。

1.3生物量測定在灌木樣地每個2 m×2 m的小樣方中，采用全挖法獲取灌木葉、莖、根、草本地上部分和草本地下部分鮮重，然后按比例選取適量樣品秤量鮮重，并帶回實驗室。先測定葉、枝和根等組分的鮮重，然后分別采集各組分的樣品，在室內105 ℃殺青后置于80 ℃恒溫箱中烘至恒質量，計算含水量，將各組分的鮮質量換算成干質量。

1.4土壤樣品的采集、處理和測定樣地內用5 cm土鉆取土樣，取樣深度為0～100 cm，其中0～30 cm每隔10 cm取樣1次，30～50 cm取樣1次，50～100 cm取樣1次。每層隨機打3鉆土，同一層次土混合得到該層次土樣。采集的土壤在自然條件下風干并碾碎，過孔徑0.25 mm鐵篩，用于碳含量測定。在樣地內選擇具有代表性的地段挖掘1個100 cm深的土壤剖面，然后沿剖面用環刀采集各層土壤作為原狀土，帶回實驗室測定土壤體積質量。用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定植物樣品的碳含量；用K2Cr2O7容量法測定土壤樣品的碳含量[14]。

1.5碳密度測定法單位面積生物量與碳含量相乘得出灌木各器官的碳密度；灌木各器官碳密度相加得出灌木層碳密度；單位面積生物量與碳含量相乘得出草本層碳密度；每個土層容重與碳含量相乘得出該土層的碳密度；各層土壤碳密度相加得出林地土壤碳密度；灌木層、草本層和林地土壤層碳密度相加得出林地碳密度。

1.6統計分析數據用Excel 2013和SPSS 19.0軟件處理。數據均用“平均值±標準差”模式表示。

2 結果與分析

2.1植被碳密度及其分配

2.1.1灌木碳密度及其分配。由表1、2可知，在沙棘、檸條和山毛桃3種灌木中，莖的碳密度所占比例均最高，分別為76.42%、65.35%和 56.84%；其次是根，分別為16.38%、31.22%和39.46%；葉最小，分別僅占7.20%、3.43%和3.70%。因此，莖是灌木層碳密度的主體。

表1 灌木不同器官碳密度Table 1 Carbon density of different shrub organs t/hm2

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P< 0.05)

Note：Different lowercase letters in the same column indicated significant differences among different treatments(P<0.05)

表2 灌木不同器官碳密度分配

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P< 0.05)

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2.1.2植被(包括灌木和草本)碳密度及其分配。由表3可知，碳密度的分配在不同灌木林之間差異不顯著，但灌木層碳密度顯著高于草本層，草本層僅在植被層碳密度中僅占很小比例，沙棘、檸條和山毛桃草本層碳密度分別占植被層的5.53%、1.41%和1.14%。

表3 植被層碳密度及其分配

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P< 0.05)

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2.23種灌木林土壤層的碳密度由表4可知，3種灌木林土壤層的碳密度隨著土層深度的增加呈下降趨勢。0～10 cm土層碳密度均顯著高于50～100 cm土層碳密度，沙棘、檸條和山毛桃0～10 cm土層碳密度分別是50～100 cm土層碳密度的1.84、2.50和3.48倍。

2.33種灌木林地的碳密度及其分配由表3、5可知，土壤層是林地碳密度的主體，其次是灌木層，草本層所占比例最小。26年生沙棘、檸條和山毛桃林土壤層碳密度分別為47.34、55.27和99.61 t/hm2，分別占總碳密度的83.25%、74.10%和84.80%；植被層碳密度分別為8.95、18.93和17.83 t/hm2，分別占總碳密度的16.75%、25.90%和15.20%；土壤層與植被層碳密度之比為分別為4.97∶1、2.86∶1和5.58∶1。以上結果均說明，土壤層是一個極大的碳庫。

表4 土壤碳密度及其分配Table 4 Carbon density and their distribution traits t/hm2

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P< 0.05)

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表5 灌木地碳密度及其分配

注：同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P< 0.05)

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3 結論與討論

沙棘、檸條和山毛桃林地碳密度分別為56.30、74.20和117.44 t/hm2，其中土壤層是林地碳密度的主體，分別占83.25%、74.10%和84.80%；灌木層次之，分別占15.90%、25.38%和15.18%的比例；草本層最低，分別占0.87%、0.36%和0.17%。山毛桃林地碳密度較高，其中，土壤碳庫貢獻值很大，可能是由于退耕前土壤碳密度基底值較高。灌木層碳密度占比不高，主要由于與喬木林相比，灌木林生產力較低[15]，生物量較小，對應的碳密度也低。

沙棘植被層碳密度為8.95 t/hm2，低于全國平均水平10.88 t/hm2[16]，而檸條、山毛桃的植被層碳密度分別為18.93和17.83 t/hm2，高于全國平均水平，可能是因為檸條、山毛桃的生長速度較快。三者的碳密度均高于同地區7年生沙棘、檸條和山毛桃人工林植被層碳密度[9]，可能是因為生物量和碳密度隨著林齡的增加而增大。另外，林分碳密度受林齡[17]、栽植密度[18]等多種因素影響。該研究中，草本層碳密度在植被層碳密度中所占比例較小，可能是灌木層占據空間上層且生長速度快，生物量高，蓋度大，競爭優勢明顯，嚴重影響了林下草本生長，從而降低了草本層生物量和碳密度。

除了山毛桃土壤碳密度與全國平均碳密度(91.7 t/hm2)[19]較為接近外，沙棘、檸條的碳密度均低于全國平均值，主要原因是黃土丘陵區土壤基底碳含量普遍較低。該研究中，沙棘、檸條林地土壤碳密度與楊玉嬌等[20]對黃土丘陵區23年生油松林的研究結果接近，油松林土壤層碳密度為66.85 t/hm2，也與劉迎春等[4]對黃土丘陵區27年生油松林和17年生刺槐林的研究結果接近，27年生油松林和17年生刺槐林土壤層碳密度分別為64.06、53.09 t/hm2。另外，隨著土壤深度的增加，3種林地土壤有機碳含量呈下降趨勢，與國內大多數研究結果一致[20-23]，這可能是由于上層土壤生物歸還量較大。

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