2種更新方式4年生尾巨桉人工林碳儲量及其分布特征

銀彬吾，劉奇林，陸滟靈，何 斌，黃振格，謝敏洋

（1.廣西國有派陽山林場，寧明 532500；2.廣西大學林學院，南寧 530004）

森林是陸地生態系統中最大的碳庫，其有機碳儲量達到1萬億t，約占整個陸地生態系統的70%[1]，森林生態系統在調節全球碳平衡中發揮著重要作用[2-3]。人工林作為森林生態系統的重要組成部分，開展碳匯造林已成為當前推進碳匯林業發展的重要途徑，營造具有收獲木材和固碳雙重功能的人工林是其重要固碳手段之一[4]。目前，中國人工林面積達6 933萬hm2，居全球首位[5]。近年來，隨著國內外森林碳平衡研究的逐步深入，有關人工林碳匯功能的研究逐漸增多，主要包括馬尾松（Pinus masso?niana）[6]、杉 木（Cunninghamia lanceolata）[7]、楊 樹（Populus）[8]、桉 樹（Eucalyptus）[9]、落 葉 松（Larix gmelinii）[10]和西南樺（Betula alnoides）[11]等，為準確估算我國人工林生態系統碳匯計量提供了重要的基礎數據。

桉樹具有適應性強、生長迅速、輪伐期短和經濟效益高等特點，已成為我國南方短周期工業用材林的主要造林樹種[12]。目前，桉樹人工造林的更新方式有植苗更新和萌芽更新，關于桉樹人工林碳匯功能的研究已有較多報道，主要集中在植苗林方面[13-16]，關于萌芽林碳匯功能的研究鮮見報道。尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）因其具有適應性廣、萌芽能力強和生長快速等優點[17]，成為當前主要推廣種植的桉樹優良雜交品種（品系）之一。本研究以廣西寧明縣4年生（中齡林）尾巨桉植苗林和萌芽林為研究對象，通過對其碳含量、碳儲量及分布格局進行比較分析，揭示2種更新方式尾巨桉人工林碳匯功能特點與差異，為合理評價2種更新方式下尾巨桉人工林的生態效益提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣西寧明縣的廣西國有派陽山林場大王山分場（106°38'～107°36'E，21°51'～22°58'N），地處北回歸線以南，屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫22.1～22.9℃，年均降水量1 200～1 750 mm，降雨多集中在5—8月。屬低丘陵區，海拔120～150 m，土壤為砂巖、夾頁巖發育形成的赤紅壤，土層厚度70～120 cm，腐殖質層厚度10～18 cm。

植苗林和萌芽林造林及撫育管理措施參考文獻[18]。2017年3月調查時2種更新方式尾巨桉人工林林分特征見表1。

表1 不同更新方式尾巨桉人工林林分特征Tab.1 Stand features of Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes

1.2 研究方法

1.2.1 林分生長與生物量測定

于2017年3月在立地條件相似、生長良好的4年生尾巨桉植苗林和萌芽林中各設置3塊20 m×30 m標準樣地，進行每木檢尺和調查，詳細記錄林木的胸徑、樹高和冠幅等。根據林分生長統計結果，在樣地外圍選擇代表林分生長指標平均值的3株平均木，采用Monsic 分層切割法分別測定其地上部分樹葉、樹枝、樹皮和樹干鮮質量；采用全根挖掘法測定地下部分即樹根鮮質量；在各標準地內設置3個1 m×1 m樣方，采用樣方收獲法測定林下灌木層、草本層鮮質量，以及凋落物層現存量。采集林木各器官和灌木層、草本層、凋落物層樣品各300～400 g，在80℃恒溫下烘干，測定和計算各組分生物量[12]。

1.2.2 植物、土壤樣品的采集及其碳含量測定

將部分進行林分生物量測定后的尾巨桉植苗林和萌芽林不同器官、灌木層、草本層和凋落物層樣品，經重新烘干、粉碎后裝入自封袋內待測。在每塊標準地內按對角線設置代表性采樣點各3個，以每層深度20 cm 分層采集0～80 cm 土層混合樣品各1 kg，于室內經自然風干和粉碎過篩后裝瓶待測。

植物與土壤碳含量的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，分別測定植物各組分樣品碳含量與土壤有機碳含量[18]。

1.3 數據統計與分析

利用Excel 2003 進行相關數據處理，利用SPSS 17.0進行統計分析。采用單因素方差分析進行相關數據的差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 生態系統不同結構層次碳含量

尾巨桉植苗林和萌芽林喬木層各器官碳含量分別為461.8～485.3和456.5～479.5 g/kg，不同更新方式同一器官碳含量間差異均不顯著，且各器官碳含量均以樹葉最高，其次為樹干、樹枝和樹根，樹皮最低（表2）。2種更新方式尾巨桉人工林林下植被與凋落物層中的碳含量均以現存凋落物層最高，其次為灌木層，草本層最低。2種更新方式尾巨桉人工林群落各植物結構層次碳含量表現為隨植物個體高度的下降而降低，即為喬木層＞灌木層＞草本層。

尾巨桉植苗林0～20、20～40、40～60和60～80 cm 土層有機碳含量分別為10.87、7.78、5.74和4.57 g/kg，萌芽林相應為10.63、7.66、5.69和4.52 g/kg，均表現出隨土壤深度增加而下降的變化趨勢，隨著深度增加，相鄰土層間有機碳含量的差異逐漸減小（表3）。在同一土層，植苗林土壤有機碳含量均高于萌芽林，但未達到顯著差異。

表2 不同更新方式尾巨桉人工林喬木層和林下植被層碳含量Tab.2 Carbon contents of arbor layer and understory in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(g/kg)

表3 不同更新方式尾巨桉人工林土壤有機碳含量Tab.3 Organic carbon contents of soil in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(g/kg)

2.2 生態系統碳儲量及其分配

2.2.1 植被層碳儲量

尾巨桉植苗林和萌芽林喬木層碳儲量分別為48.83和58.81 t/hm2，不同器官碳儲量的分配均以樹干為主，分別占喬木層碳儲量的65.47%和63.98%，其次為樹根、樹枝和樹皮，分別占喬木層碳儲量的13.27%、8.38%、7.70%和18.94%、7.53%、5.82%；樹葉最少，分別占5.18%和3.73%（表4）。

受樹種生物學特性、林分結構和撫育鏟草等人為干擾的影響，尾巨桉植苗林和萌芽林林下植物較少，其相應的生物量和碳儲量也較少，其中灌木層碳儲量分別為0.68和0.35 t/hm2，草本層碳儲量分別為0.54和0.81 t/hm2。凋落物層在土壤有機碳形成和生物量積累過程中起著重要的作用，尾巨桉植苗林和萌芽林凋落物層碳儲量分別達到2.67和3.09 t/hm2，明顯高于灌木層和草本層。2種更新方式林分植被層相同結構層次間碳儲量的差異均達到顯著水平（P＜0.05）。

表4 不同更新方式尾巨桉人工林喬木層和林下植被層碳儲量Tab.4 Carbon storage of arbor layer and understory in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(t/hm2)

2.2.2 土壤層碳儲量

尾巨桉植苗林和萌芽林土壤（0～80 cm）有機碳儲量分別為77.63和78.85 t/hm2（表5）。受地表凋落物聚積與分解的影響，2種更新方式林分土壤有機碳儲量在剖面垂直分布上均隨土壤深度增加而下降，其中植苗林0～20 cm 土層碳儲量（27.18 t/hm2）占土壤層碳儲量的35.01%，分別為20～40、40～60和60～80 cm 土層的1.32、1.67和2.00 倍；萌芽林0～20 cm 土層碳儲量（25.51 t/hm2）占土壤層碳儲量的33.63%，分別為20～40、40～60和60～80 cm 土層的1.24、1.54和1.93 倍。不同林分間相同土層碳儲量間的差異均不顯著。

表5 不同更新方式尾巨桉人工林土壤有機碳儲量Tab.5 Organic carbon storage of soil in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(t/hm2)

2.2.3 生態系統碳儲量及其分配

尾巨桉植苗林和萌芽林生態系統碳儲量分別為130.35和138.81 t/hm2，不同結構層次碳儲量分配基本一致，植苗林為土壤層（59.56%）＞喬木層（37.46%）＞凋落物層（2.05%）＞灌木層（0.52%）＞草本層（0.41%），萌芽林為土壤層（54.64%）＞喬木層（42.30%）＞凋落物層（2.23%）＞草本層（0.58%）＞灌木層（0.25%）（表6）。

表6 不同更新方式尾巨桉人工林生態系統碳儲量的分配Tab.6 Distribution of carbon storage in ecosystems of Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(t/hm2)

2.3 喬木層地上部分年凈固碳量

根據喬木層地上部分各器官年凈生產力與其相應碳含量計算出喬木層年凈固碳量。尾巨桉萌芽林喬木層地上部分年凈固碳量為11.91 t·hm-2·a-1，折合年凈吸收CO2量43.67 t·hm-2·a-1，均比植苗林地上部分年凈固碳量（10.58 t·hm-2·a-1)和年凈吸收CO2量（38.79 t·hm-2·a-1）高出12.57%（表7）。尾巨桉植苗林和萌芽林地上部分不同器官年凈固碳量均以樹干最大，分別為7.99和9.39 t·hm-2·a-1，分別占地上部分年凈固碳量的75.52%和78.84%；其次為樹枝和樹皮，分別占9.64%、7.22%和8.89%、9.32%；最小為樹葉，分別占5.95%和4.62%。

表7 不同更新方式尾巨桉人工林喬木層地上部分年凈固碳量Tab.7 Annual net carbon fixation in aboveground organs of arbor layer in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(t·hm-2·a-1)

3 結論與討論

4年生尾巨桉植苗林和萌芽林生態系統碳儲量分別為130.35和138.81 t/hm2，其中喬木層碳儲量分別為48.83和58.71 t/hm2，分別占生態系統碳儲量的37.46%和42.30%；灌草層碳儲量分別為1.22和1.26 t/hm2，分別占0.93%和0.83%；凋落物層碳儲量分別為2.67和3.09 t/hm2，分別占2.05%和2.23%；土壤層碳儲量分別為77.63和75.85 t/hm2，分別占59.56%和54.64%。

森林土壤作為碳極重要的儲存庫，在平衡大氣CO2過程中發揮著重要作用。我國森林土壤平均碳儲量為193.55 t/hm2，約為植被碳儲量（57.07 t/hm2）的3.4 倍[19]。本研究中，4年生尾巨桉植苗林和萌芽林土壤碳儲量均明顯低于我國森林土壤碳儲量平均水平，其原因主要為本研究所處亞熱帶地區的良好水熱條件雖有利于植被生物量的快速積累，但土壤呼吸速率較大，凋落物分解釋放快，土壤有機碳積累較少[20]。萌芽林作為原植苗林采伐后萌芽更新林即第二代桉樹林，其土壤碳含量和儲量雖然比第一代的植苗林略有下降，但下降幅度小，與明安剛等[21]廣西東門林場的桉樹二代植苗林土壤有機碳明顯低于一代植苗林的研究結果不同，表明與第一代桉樹林采伐后重新營造植苗林相比，采用萌芽更新營造二代桉樹林，減少了造林過程的煉山、挖坎整地等人為干擾所引起的地表水土流失，有利于土壤對碳的吸存，有利于維持整個生態系統的碳匯功能。

據報道，與本研究區域相近的廣西15、21和32年生馬尾松人工林喬木層地上部分年凈固碳量分別為4.11、4.93和7.49 t·hm-2·a-1[22]；福建南平市20年生杉木人工林喬木層地上部分年凈固定碳量為4.78 t·hm-2·a-1[23]；廣西東南部3年生和5年生尾巨桉植苗林喬木層地上部分年凈固碳量分別為9.79和8.21 t·hm-2·a-1[14]。本研究中，4年生尾巨桉植苗林和萌芽林喬木層地上部分年碳凈固定量分別為10.58和11.91 t·hm-2·a-1，折合年凈吸收CO2量分別為38.79和43.67 t·hm-2·a-1。由此可見，尾巨桉植苗林和萌芽林均具有較高的生物生產力和碳吸存能力。4年生尾巨桉萌芽林處于速生階段，仍具有較高的生物量積累能力和碳匯潛力，適當延長輪伐期，培育經濟價值更高的桉樹大徑材，不但可以提高木材產量和經濟效益，對林地地力的恢復和維持、提高桉樹人工林的碳匯功能和生態效益也具有重要的作用。