南丹縣毛竹人工林生態系統生物量、碳儲量及其分配格局

2023-04-29 00:00:00莫少壯羅星樂李嘉方劉凡勝何斌

農業研究與應用 2023年1期

摘要：為了探究南丹縣毛竹人工林生物量及碳匯功能，為其生態效益的合理評價和可持續經營提供依據。采用標準地調查和實驗室化學分析方法，研究了廣西南丹縣毛竹林生態系統生物量、碳儲量及其分布格局。結果表明：（1）毛竹林生態系統生物量為74.85 t/hm2，其中喬木層、灌木層、草本層和凋落物層生物量分別占91.96 %、0.67 %、1.76 %和5.61 %；（2）毛竹林生態系統碳儲量為193.82 t/hm2，其中喬木層為33.05 t/hm2，占17.05 %；灌木層為0.22 t/ hm2，占0.11 %；草木層為0.51 t/hm2，占0.26 %；凋落物層為1.71 t/hm2，占0.88 %；林地土壤層為158.33 t/hm2，占81.69 %；（3）毛竹林喬木層年凈生產力為11.48 t/（hm2?a），有機碳年凈固定量為5.51 t/（hm2?a），年凈吸收CO2量為20.20 t/（hm2?a）。因此，毛竹人工林具有較強的固碳功能，可作為南丹縣發展碳匯林的良好樹種。

關鍵詞：毛竹人工林；生物量；碳儲量；南丹縣

中圖分類號：S714.8 文獻標志碼：A

Abstract： To explore the carbon sequestration of Phyllostachys pubescens plantation in Nandan County， Guangxi， and to provide evidence for appropriate evaluation of their ecological benefits and sustainable operation. Through field plot survey and laboratory chemical analysis method， biomass， carbon storage and distribution characteristics of the P. pubescens plantation ecosystems were stu-died. The result showed that：（1） Biomass of P. pubescens plantation ecosystem was 74.85 t/hm2，and the tree layer， shrub layer， herb layer and little layer accounted for 91.96 %， 0.67 %， 1.76 % and 5.61 %. （2） Total carbon storage in P. pubescens plantation ecosystems reached 193.82 t/hm2， of which tree layer stored 33.05 t/hm2， accounting for 17.05 %; shrub layer stored 0.22 t/hm2， accounting for 0.11 %; herb layer stored 0.51 t/hm2， accounting for 0.26 %; litter layer stored 1.71 t/hm2， accounting for 0.88 %; soil layer stored 158.33 t/hm2， accounting for 81.69 %. （3） Annual net productivity of P. pubescens plantation was 11.48 t/（hm2?a）， and annual carbon sequestration was" " " " " " "5.51 t/（hm2?a）， and the annual net CO2 absorption was 20.20 t/（hm2?a）. The P. pubescens plantation has strong carbon sequestration function and can be used as a good tree species for developing carbon sink forests in Nandan County.

Key words： Phyllostachys pubescens plantation; biomass; carbon storage; Nandan County

基金項目：廣西重點研發計劃項目（桂科AB17292008）；廣西創新驅動發展專項資金項目課題（桂科AA17204087-11）；國家自然科學基金資助項目（31760201，31560206）。

第一作者：莫少壯（1968—），男，工程師，主要從事人工林培育技術研究，E-mail：1906360205@qq.com。

*通信作者：何斌（1962—），男，研究員，主要從事森林土壤、森林生態和森林培育研究，E-mail：hebin8812@163.com。

由于人類大量使用化石燃料以及毀林開荒等，CO2等大氣中溫室氣體濃度增加，對環境的負面影響越來越突出，這已成為當前和今后全世界面臨和亟需解決的重大環境問題之一[1-2]。森林具有強大的碳匯功能和增匯潛力，人工林作為全球森林資源的重要組成部分，發展優質、高效、穩定、兼具經濟效益和碳匯生態效益的多功能人工林，已成為推進中國碳匯林業發展和實施碳減排計劃，實現“碳達峰”和“碳中和”目標的重要途徑[3-4]。近些年來，我國學者先后對杉木[1，5]（Cunninghamia lanceolata）、馬尾松[6]（Pinus massoniana）、楊樹（Populus L.）[7]、華北落葉松（Larix pricipis-rupprechtii）[8]等主要人工林的生物量、碳貯量及其分布格局進行了較系統的研究，表明不同人工林生物量和固碳功能因其組成樹種的不同而存在差異，為正確評價不同森林對大氣CO2的固定能力提供了大量的基礎數據。

毛竹（Phyllostachys pubescens）具有適應性強，生長更新迅速、自然成熟期短等優點，一般5～6 a即可砍伐用材。目前中國毛竹林面積約450 萬hm2，約占全國竹林面積的3/4[9]，已成為中國南方重要的森林資源。研究表明，毛竹林的固碳能力極強，其年碳固定量可達到杉木等速生樹種的1.33～2.46倍[10-11]，同時也因分布區域和經營措施的不同，毛竹人工林的生物量及其固碳功能也存在差異[12-15]。南丹縣是近些年來廣西引種毛竹面積較大的區域之一，有關該區域毛竹人工林相關技術研究已有一些報道[16-17]，但涉及到生物量及固碳功能方面的研究罕見報道。為此，本文通過對廣西南丹縣毛竹人工林生物量、碳貯量及其分布格局的研究，以揭示其碳吸存能力，并為今后營造碳匯人工林時固碳樹種的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

研究區位于廣西南丹縣（107°1′～107°55′ E，24°42′～25°37′ N），屬中亞熱帶山地氣候類型，年均溫度16.9 ℃，年降水量1498.2 mm[2]。本研究毛竹人工林的樣地設在南丹縣山口林場山口分場，海拔830～870 ｍ，東坡，坡度18°～20°，土壤為發育于砂頁巖的山地黃紅壤，平均土層厚度80 cm以上，土壤（0～40 cm）pH值為4.52，土壤有機碳、全氮含量分別為31.25、2.14 g/kg，土壤水解氮、速效磷、速效鉀含量分別為210.8、2.07、105.8 mg/kg。

2004年用桂林種源母竹造林，造林密度約330 株，自2010年后進行伐竹作業，隔年伐去3度以上毛竹。2018年12月初調查時，林分平均郁閉度為0.78，現有密度平均為2475株/hm2，平均胸徑13.1 cm，平均竹高10.6 m，林下植物覆蓋度約25 %，主要有山烏桕（Sapium discolor）、油茶（Camellia oleifera）、杜莖山（Maesa japonica）、淡竹葉（Lophatherum gracile）和黃茅（Heteropogon contortus）等，凋落物層厚度約2.5 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置和生物量測定

由于毛竹4―10月生長活躍，11月后生長逐漸停止，因此本研究為了更準確地測量毛竹的生長量和生物量，于2018年12月初在研究區毛竹人工林中選擇立地條件基本一致生長良好的地塊，隨機設置3塊樣地，面積均為400 m2（20 m×20 m）。調查測定樣地內所有立竹的胸徑、樹高，計算林木平均樹高和胸徑，分別在每塊樣地選擇2株平均竹，共6株，伐倒后地上部分以1 m為區分段，按竹竿、竹枝和竹葉分別稱其鮮質量，地下部分采用挖掘法挖出竹蔸和所有根系，然后用水漂洗干凈后稱其鮮質量。同時在每塊樣地內按對角線設置3個2 m×2 m小樣方，采用“樣方收獲法”收集小樣方中灌木、草本和凋落物并分別稱其鮮質量[18]。采集喬木層各器官、灌木層、草本層和凋落物層樣品400～800 g，在實驗室內置于烘箱中烘干至恒質量，計算含水率，估算各組分生物量。

1.2.2 樣品采集和碳含量測定

選取經過烘干的植物各組分部分樣品，用不銹鋼內膽的高速粉碎機粉碎并過篩（0.25 mm）后裝袋保存。在測定植物層生物量的同時，采用對角線設置方法在每塊樣地按上、中、下共設置土壤剖面各3個，采集0～20 cm、21～40 cm、41～60 cm和61～80 cm土層土壤樣品約1 kg，將相同樣地同一土層土壤混合均勻按四分法取樣約1 kg，經混合后的土壤樣品數共12個，土壤樣品裝袋后帶回實驗室，經自然風干及研磨過篩（0.149 mm）裝袋保存。土壤和植物樣品均采用重鉻酸鉀外加熱法[19]測定植物和土壤樣品中碳含量。

1.2.3 生態系統碳貯量和喬木層年凈固碳量的計算

毛竹人工林生物量為其群落喬木層、灌木層、草本層和凋落物層生物量之和。由于毛竹林為異齡林，一直處于生長的動態平衡中，經營過程中采取擇伐作業，通常隔年伐去3度以上毛竹。每次采伐毛竹的生物量約為其現存生物量的1/6。因此，本研究參照周國模等[12]采用現存喬木層生物量的1/6進行其年生長量（年凈生產力）和年凈固碳量的計算。毛竹人工林生態系統碳儲量為其群落喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層之和，喬木層年凈固定碳量為各器官年平均生物量乘以各器官碳含量。

1.2.4 數據統計與處理

利用Excel 2013軟件處理所有調查和測定數據，統計分析采用SPSS 22.0軟件進行，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）對生態系統不同植物組分間和不同土層間的碳含量、碳儲量等進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 毛竹人工林各層次生物量及其分配

從表1可見，毛竹人工林生物量總量為74.85 t/hm2，其中喬木層生物量為68.83 t/hm2，占林分生物量91.96 %；灌木層、草本層生物量分別為0.50 t/hm2和1.32 t/hm2，依次占0.67 %和1.76 %；與灌木層和草本層相比，凋落物層較豐富，其生物量為4.20 t/hm2，占5.61 %。

2.2 毛竹人工林各組分碳含量

從表2可見，毛竹各器官碳含量介于462.40～488.02 g/kg之間，全樹平均碳含量為480.20 g/kg。不同器官碳含量大小為竹竿（488.02 g/kg）＞竹枝（472.84 g/kg）＞竹蔸（471.50 g/kg）＞竹根（467.54 g/kg）＞竹葉（462.40 g/kg），各器官碳含量間的差異均不顯著（P＞0.05）。林下植被中不同層次碳含量表現為灌木層（442.70 g/kg）＞凋落物層（407.30 g/kg）＞草本層（387.53 g/kg），均遠高于各土壤層碳含量（6.50～39.72 g/kg）。受地表凋落物腐殖化作用所形成有機物質聚集效應的影響，毛竹人工林土壤碳含量隨土壤深度增加而顯著下降（P＜0.05），其中0～20 cm土層碳含量" " " " （39.72 g/kg）分別是21～40、41～60和61～80 cm土層的1.74、3.49和6.11倍。

2.3 毛竹人工林生態系統碳儲量及其分配

從表2可知，毛竹人工林植被層碳儲量為35.49 t/hm2，其不同層次碳儲量間差異顯著" " " " " " " " （P＜0.05）。其中喬木層碳儲量為33.05 t/hm2，占植被層碳儲量的93.12 %；不同器官碳儲量由大到小排列順序為：竹竿（19.53 t/hm2）、竹蔸" " " " " （4.07 t/ hm2）、竹枝（3.77 t/hm2）、竹根" " " " " " " " " " " （3.58 t/hm2）、竹葉（2.10 t/hm2），在喬木層碳儲量的占比分別為59.09 %、12.31 %、11.41 %、10.83 %、6.35 %。灌木層、草本層和凋落物層碳儲量分別為0.22、0.51、1.71 t/hm2，在植被層碳儲量的占比依次為0.62 %、1.44 %、4.82 %。

毛竹人工林土壤層（0～80 cm）碳儲量為158.33 t/hm2，各土層碳儲量在剖面垂直分布上表現出與其碳含量相同的變化趨勢，即隨土層加深而顯著減少（P＜0.05）。在各土層碳儲量的分配比例中，0～20 cm土層占比（42.66 %）遠高于21～40 cm、41～60 cm和61～80 cm土層碳儲量占比（27.97 %、18.40 %和10.96 %）。

森林生態系統總碳儲量包括喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳儲量。毛竹人工林生態系統總碳儲量為193.82 t/hm2，其中喬木層（33.05 t/hm2）占17.05 %，灌木層、草本層和凋落物層（0.22、0.51、1.71 t/hm2）分別占0.11 %、0.26 %和0.88 %；土壤層（158.33 t/hm2）占81.69 %。

2.4 毛竹人工林喬木層年凈固定碳量

由表3可見，毛竹人工林喬木層年凈生產力為11.48 t/（hm2?a），年凈固碳量為5.52 t/（hm2?a），相當于年CO2量20.23 t/（hm2?a）。喬木層不同組分年凈固定碳量以竹竿最大，為3.26 t/（hm2?a），占喬木層年凈固定碳量的59.06 %；其次是竹蔸、竹枝和竹根，分別為0.68、0.63、0.60 t/（hm2?a），分別占12.32 %、11.41 %、10.87 %；竹葉最少，為0.35 t/（hm2?a），僅占6.34 %。

3 結論與討論

本研究中，南丹縣毛竹人工林生物量為74.85 t/hm2，其中喬木層生物量為68.83 t/hm2，介于福建省永安市不同施肥處理毛竹人工林喬木層生物量（57.83～91.18 t/hm2）之間[14]，略低于四川省長寧縣毛竹人工林喬木層（87.38 t/hm2）[15]，但高于浙江省臨安市毛竹人工林（60.65 t/hm2）[12]。說明研究區毛竹人工林具有較高的生物量積累能力。毛竹人工林不同結構層次生物量分配比例中，喬木層占比達到91.96 %，為林分生物量的主體，這與上述其他區域毛竹人工林的研究結果相一致[11-12，15]。受毛竹生物學特性及其林分郁閉度較大等影響，研究區毛竹人工林下植被組成中的灌木層和草本層發育較差，生物量分別占林分生物量的0.67 %和1.76 %；但凋落物層相對較豐富，其生物量（4.20 t/hm2）占比為5.61 %。

南丹縣毛竹人工林生態系統總碳儲量為193.82 t/hm2，其中喬木層碳儲量（33.05 t/hm2）占17.05 %，灌木層、草本層和凋落物層碳儲量（2.44 t/hm2）僅占1.25 %。據報道，中國森林喬木層平均碳儲量為57.07 t/hm2，其中熱帶和亞熱帶針葉林碳儲量為63.17 t/hm2[20]，桂西北12年生西南樺人工林[21]和26年生馬尾松人工林[22]喬木層碳儲量分別為57.13 t/hm2和 92.67 t/hm2，而浙江省臨安市[12]和江西省分宜縣[23]毛竹林喬木層碳儲量分別為30.58 t/hm2和31.06 t/hm2，說明本研究毛竹林喬木層碳儲量雖然比一些人工用材林低，但在毛竹林中處于較高水平，原因可能與毛竹林的結構、經營方式和立地條件的差異有關。土壤有機碳是森林生態系統碳儲量的重要組成部分，也是衡量土壤質量的重要指標，在一定程度上反映土壤肥力水平的高低，土壤有機碳含量和儲量受森林類型、氣候和土壤因素等多種環境因子的影響[19，24]。本研究中，南丹縣毛竹人工林土壤碳儲量為" " " " " " " " " 158.33 t/hm2，明顯高于我國人工林土壤平均碳儲量（107.10 t/hm2）[18]，也高于四川省長寧縣[15]和浙江省臨安市[12]毛竹林土壤碳儲量（113.54和73.12 t/hm2），其與土壤全氮和水解氮含量均達到我國土壤養分分級標準[25]中的極豐富（一級）水平，說明研究區土壤肥力水平較高。

毛竹人工林喬木層年凈生產力為11.48 t/（hm2?a），年凈固碳量為5.52 t/（hm2?a），相當于年吸收CO2量為20.23 t/（hm2?a），分別高于相同區域12年生西南樺人工林［4.77 t/（hm2?a）］［21］、26年生馬尾松人工林［5.41 t/（hm2?a）］［22］，也高于浙江省臨安市毛竹林［5.10 t/（hm2?a）］［12］和湖南省桃江縣毛竹林［4.70 t/（hm2?a）］［26］，表明本研究區毛竹人工林具有較強的固碳功能。因此，在南丹縣合理發展毛竹人工林，將成為一種兼具木材收益和碳匯效益的多目標人工林經營模式。

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