狼山南麓4種人工灌木群落植被碳儲量及固碳釋氧功能研究

王事成，羅于洋，王樹森，張宏武，溫蘇雅勒圖，劉靜，張俊

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院/荒漠生態系統保護與修復國家林業局重點實驗室/內蒙古自治區風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010018；2.巴彥淖爾市林業和草原資源保護中心，內蒙古 巴彥淖爾 015000；3.烏拉特后旗林業和草原局，內蒙古 烏拉特后旗 015000)

為應對全球氣候變化，“千分之四倡議”提出在30~40 cm深的土壤中，碳儲量的年增長率為0.4%，這將大大降低與人類活動有關的大氣CO2濃度，并指出種植固碳植物是提高土壤碳儲量的有效方法之一[1]。我國后續提出了“碳中和”“碳達峰”等國家應對全球氣候變化的戰略目標，以保證我國林業碳匯在“碳中和”中發揮至關重要的作用[2，3]。增加人工植被種植來有效降低大氣CO2濃度并促進全球碳循環具有重要意義[4]。

植物的光合作用會將大氣CO2吸收并固定[5]。同時隨著植被生物量的增加，土壤的碳截存能力也會隨之提高[6]，如1970—2000年間我國大規模人工造林使得植被生物量顯著增加，森林碳儲量整體提高了40%[7]。我國西北干旱荒漠地區，為防風固沙、保持水土施行灌木植被大范圍的人工種植，這一舉措對原區域生態系統碳儲量產生深遠影響，對此眾多學者進行了大量研究。但對本試驗所用的4種人工灌叢是如何影響該區域生態系統碳儲量的研究尚顯缺乏，為此對這4種人工灌木群落植被碳儲量進行定量研究，分析該地區植被碳儲量的垂直分配格局，核算荒漠類型人工灌木群落碳固定能力，以期為該區域篩選優良固碳材料提供參考，為科學評價干旱區荒漠灌叢碳匯作用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

狼山屬于陰山山脈西段，橫貫烏拉特后旗南部100多km。研究區位于烏拉特后旗南部，地處東經107°12′8.58″~109°36′53.3″、北緯41°06′50.39″~41°49′32.39″，地形地貌復雜，屬中溫帶大陸性季風氣候。降水稀少，降水量一般為100~180 mm；氣候干燥，全旗年均氣溫3.9℃。主要有棕鈣土、淡棕漠土、石膏灰棕漠土等4種土壤類型。植物資源豐富，境內共有野生植物63科289屬430種。

樣地基本情況見表1。蒙古扁桃(Amygdalus mongolica)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、酸棗(Ziziphus jujuba)系人工栽植，群落主要以造林樹種為優勢種，林下還有其他天然更小灌木組成，主要有紫菀木(Asterothamnus alyssoides)、牛枝子(Lespedeza bi-color)等。草本層主要以三芒草(Aristida adscensionis)、豬毛蒿(Artemisia scoparia)、細軟黃芪(Scutellaria baicalensis)、砂藍刺頭(Echinops gmelinii)等組成。

表1 人工灌木群落樣地基本情況

1.2 樣地設置及調查

2020年7月對狼山南麓4種人工灌木群落進行調查，每種群落選取3處面積為20 m×20 m的典型地段設置樣地。每個樣地內設置3個5 m×5 m的灌木樣方、5個1 m×1 m的草本樣方，對樣方內每株灌木均進行調查(包括測量樹高、基徑、冠幅等)，詳細記錄樣地基本信息，包括經緯度、海拔、造林面積等因子。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生物量 采用刈割、烘干法測定。在每個樣方內根據灌木平均冠幅選取3株標準株刈割、草本植物地上部分全部刈割，枝葉分離稱鮮重(草本僅有地上部分)，帶回實驗室后置于烘箱80℃恒溫烘干至恒重，分別計算枝、葉及地上部生物量。根系生物量通過查詢文獻資料獲取蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗、荒漠地區灌木和草本根冠比(表2)來計算。

1.3.2 碳儲量 通過碳儲量與生物量的關系(生物量乘以含碳率)對人工灌木群落植被碳儲量進行估算，本研究采用國際上通用的植物碳轉換率:灌木0.50、草本0.45，將生物量統一以碳(C，kg?hm－2)的形式表示[13－16]。

1.4 固碳釋氧及價值估算[17]

依據最新標準?森林生態系統服務功能評估規范?[17](GB/T 38582—2020)中公布的市場價值法、替代工程法、費用代替法等[18－20]，計算狼山南麓人工灌木群落生態系統固碳釋氧服務功能的價值。其中，固碳價格以瑞典稅率150美元?t－1、美元對人民幣比價按6.5元計算，折合人民幣975元?t－1。釋氧價格使用中國衛生部網站上2007年春季的氧氣平均價格1 000元?t－1[21]。

1.4.1 固碳釋氧功能計算 采用下列公式進行計算:

式中，G植被固碳為評估林分年固碳量(t?a－1)；1.63為計算系數；R碳為CO2中的碳含量，為27.27%；A為林分面積，單位為hm2；B年為實測林分凈生產力，單位為t?hm－2?a－1。

式中，G氧為評估林分年釋氧量，單位為t?a－1；1.19為計算系數；A為林分面積，單位為hm2；B年為實測林分凈生產力，單位為t?hm－2?a－1。

1.4.2 固碳釋氧價值的計算 采用下列公式計算:

式中，U碳為評估林分年固碳價值，單位為元?a－1；G碳為評估林分生態系統潛在年固碳量，單位為t?a－1；C碳為固碳價格，單位為元?a－1。

式中，U氧為評估林分年釋放氧氣價值，單位為元?a－1；G氧為評估林分年釋氧量，單位為t?a－1；C氧為氧氣價格，單位為元?a－1。

1.5 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據處理，使用SPSS 20.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同人工灌木群落生物量分配格局

從表3可以看出，蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗4種人工灌木群落的生物量總量分別為1 320.17、1 060.31、880.06、3 007.81 kg?hm－2。其中4種造林樹種生物量分別占其群落的86.62%、82.80%、95.43%、94.34%，表明造林樹種是4種人工灌木群生物量的主體。

表3 不同人工灌木群落生物量 (kg?hm－2)

2.2 不同人工灌木群落碳儲量

2.2.1 不同人工灌木群落碳儲量分配格局 從表4可以看出，蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗人工灌木群落植被碳儲量總量分別為659.42、529.63、439.25、1 502.00 kg?hm－2。4種人工灌木群落造林樹種碳儲量占比沙冬青最高，為95.60%，霸王最低，為82.88%。不同人工灌木群落碳儲量比例均表現為造林樹種層>林下灌木層>草本層。

表4 不同人工灌木群落碳儲量 (kg?hm－2)

蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗4種人工灌木群落碳儲量分別占人工灌木群落總碳儲量的21.07%、16.92%、14.03%、47.98%，造林樹種占比分別為20.07%、15.41%、14.74%、49.79%。

2.2.2 不同人工灌木群落造林樹種各器官碳儲量 由表5可知，不同人工灌木群落各器官碳儲量均表現為根>枝>葉。其中酸棗根碳儲量最高，達574.27 kg?hm－2，沙冬青根碳儲量最低，為198.92 kg?hm－2，且蒙古扁桃、霸王、沙冬青根碳儲量與酸棗根碳儲量差異顯著。枝的碳儲量同根的碳儲量表現一致，酸棗最高，為522.17 kg?hm－2，沙冬青最低，為129.02 kg?hm－2，且蒙古扁桃、霸王、沙冬青枝碳儲量與酸棗枝碳儲量差異顯著。葉的碳儲量酸棗最高，為322.34 kg?hm－2，霸王最低，為45.22 kg?hm－2，且蒙古扁桃、沙冬青葉碳儲量之間差異不顯著，與霸王、酸棗差異顯著。

表5 不同人工灌木群落造林樹種各器官碳儲量 (kg?hm－2)

酸棗人工灌木群落造林樹種各器官碳儲量均值最高，為472.93 kg?hm－2，變異系數為28%，沙冬青人工灌木群落造林樹種各器官碳儲量均值最低，為139.98 kg?hm－2，變異系數為39%。不同人工灌木群落造林樹種各器官之間的變異系數變化較大，其中葉的變異系數最大，為89%，根的變異系數最小，為54%。

蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗枝碳儲量分別占人工灌木群落造林樹種枝總碳儲量的18.19%、17.18%、12.80%、51.82%，葉、根碳儲量分別占其相應總碳儲量的17.62%、8.11%、16.49%、57.78%和22.60%、17.18%、15.49%、44.73%。

2.2.3 不同人工灌木群落林下灌木不同器官碳儲量 由表6可以看出，不同人工灌木群落林下灌木不同器官碳儲量均表現出根>枝>葉。其中霸王群落林下灌木根碳儲量最高，為37.11 kg?hm－2，沙冬青最低，為5.27 kg?hm－2；枝的碳儲量與根的表現一致，霸王群落林下灌木最高，為34.22 kg?hm－2，沙冬青最低，為4.01 kg?hm－2。酸棗與沙冬青、蒙古扁桃和霸王群落林下灌木根、枝碳儲量之間均差異不顯著；而葉的碳儲量表現為蒙古扁桃最高，為17.72 kg?hm－2，沙冬青最低，為2.92 kg?hm－2，二者差異達顯著水平；其他群落林下灌木葉碳儲量之間差異不顯著。

表6 不同人工灌木群落林下灌木層各器官碳儲量 (kg?hm－2)

霸王人工灌木群落林下灌木各器官碳儲量均值最高，為28.64 kg?hm－2，變異系數為43%；沙冬青的均值最低，為4.07 kg?hm－2，變異系數為29%。不同群落林下灌木各器官之間的變異程度差異不大。

4種人工灌木群落林下灌木枝碳儲量分別占人工灌木群落造林樹種枝總碳儲量的30.93%、36.88%、4.32%、27.86%；葉、根碳儲量分別占其相應總碳儲量的37.76%、31.12%、6.22%、24.90%和33.23%、34.95%、4.96%、26.87%。

2.2.4 不同人工灌木群落林下草本碳儲量 由表7看出，人工灌木群落草本碳儲量均表現為根遠高于地上部，地上碳儲量較低。其中酸棗群落林下草本根碳儲量最高，為16.11 kg?hm－2，霸王最低，為4.45 kg?hm－2。蒙古扁桃、霸王、沙冬青與酸棗群落草本根碳儲量差異顯著。草本地上碳儲量表現為酸棗群落最高，為1.05 kg?hm－2，霸王最低，為0.29 kg?hm－2，蒙古扁桃、霸王、沙冬青與酸棗地上碳儲量差異顯著。

表7 不同人工灌木群落林下草本碳儲量 (kg?hm－2)

酸棗人工灌木群落林下草本碳儲量均值最高，為8.58 kg?hm－2，霸王最低，為2.37 kg?hm－2。不同群落草本各器官間變異系數表現相同，不同群落草本相同器官亦相同，原因是草本根碳儲量是根據王玉婕等[12]平均換算系數計算而來，從而使得草本變異系數表現一致。

4種人工灌木群落林下草本地上碳儲量分別占群落草本地上總碳儲量的16.82%、13.55%、20.56%、49.07%；根碳儲量分別占群落草本根總碳儲量的17.13%、13.54%、20.32%、49.01%。

2.3 不同人工灌木群落固碳釋氧量

由表8可以得出，4種人工灌木群落固定大氣中CO2的量和釋放出O2的量均表現為酸棗>蒙古扁桃>沙冬青>霸王。使用碳稅法和人工制氧法算出其固碳和釋氧價值分別是34 765.65元?hm－2和95 459.67元?hm－2，15 259.05元?hm－2和41 898.36元?hm－2，10 172.09元?hm－2和27 930.57元?hm－2，3 065.03元?hm－2和8 415.96元?hm－2，其中酸棗群落各指標值最大。4種人工灌木群落總固碳釋氧量為238.59 t?hm－2，總固碳釋氧價值236 966.37元?hm－2。

表8 不同人工灌木群落固碳釋氧量分配

2.4 不同人工灌木群落凈固碳釋氧量

由表9可以得出，4種人工灌木群落凈固定CO2量、凈釋放O2量和凈固碳釋氧價值量均為酸棗>蒙古扁桃>沙冬青>霸王。群落凈固碳釋氧量總量為47.72 t?hm－2，總價值為47 393.27元?hm－2?a－1。

表9 人工灌木群落凈固碳釋氧量

3 討論

3.1 人工灌木群落碳儲量估算的不確定性

本研究在計算4種人工灌木群落植被碳儲量時，通過碳儲量與生物量的關系(生物量乘以含碳率)對人工灌木群落植被碳儲量估算，但在不同區域、不同樹種、不同群落內植物不同器官的含碳率存在差異[22－24]，因此研究結果會存在一定的偏差。

3.2 人工灌木群落碳儲量分配格局

從4種人工灌木群落垂直結構來看，碳儲量分配均表現為造林樹種>林下灌木>草本。其中造林樹種占比為82.88%~95.60%，且霸王群落造林樹種占比最低，沙冬青占比最高；林下灌木碳儲量占比在2.78%~16.22%，相差較大；草本碳儲量占比0.89%~1.62%，最低為霸王群落，最高為沙冬青群落，符合灌木層>草本層的空間分配規律[25]。不同群落造林樹種、林下灌木層各器官碳儲量均表現出根>枝>葉，這與張凌愷[26]、徐期瑚[27]等的研究結果相似。

3.3 4種人工灌木群落各器官碳儲量變異幅度較

不同人工灌木群落造林樹種碳儲量變異系數在28%~62%之間，其中霸王變幅最大，酸棗最小。究其原因可能是酸棗不同器官的碳儲量分配較均勻，枝、根的碳儲量相當，且略高于葉；而霸王碳儲量分配則根高于枝且遠高于葉。相同器官之間的碳儲量變異系數變幅較大，在54%~72%之間，其中葉的變幅最大，根最小，這可能與4種人工灌木根系扎入土壤的深度有關。因為在一定程度上，土層越深有機質含量越低，間接地限制了植被在土壤中吸收有機碳，從而對植被生長產生一定限制，而葉則與植物本身生長特性息息相關。

4 結論

4.1 4 種人工灌木群落植被碳儲量分別為酸棗(1 502.00 kg?hm－2)>蒙古扁桃(659.42 kg?hm－2)>霸王(529.63 kg?hm－2)>沙 冬 青(439.25 kg?hm－2)。

4.2 4 種人工灌木群落生物量、碳儲量垂直分配表現為造林樹種>林下灌木>草本。不同人工灌木群落造林樹種、林下灌木各器官碳儲量均表現出根>枝>葉。不同人工灌木群落造林樹種碳儲量各器官分配酸棗最均勻，變異系數為28%。

4.3 4 種人工灌木群落固定CO2量、釋放出O2量、群落固碳釋氧量、群落固碳釋氧價值、凈固定CO2量、凈釋放出O2量、群落凈固碳釋氧量、群落凈固碳釋氧價值均為酸棗人工灌木群落最高。

綜上，與蒙古扁桃、霸王、沙冬青相比，酸棗人工灌木群落植被碳儲量最高，各器官碳儲量分配最均勻，固碳釋氧功能最大，表明酸棗是該區域較優良的固碳植物材料，適度發展酸棗對碳的固定有利。