楊樹人工林生長過程中碳儲量動態(tài)1)

崔鴻俠 唐萬鵬 胡興宜 潘 磊

(湖北省林業(yè)科學研究院，武漢，430075)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，它貯存了陸地生態(tài)系統(tǒng)有機碳地上部分的76%～98%和地下部分的40%［1－3］。作為全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中占有十分重要的地位。森林生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤固碳量減少已被認為是造成大氣CO2濃度升高的原因之一［4－6］。目前，國內外許多學者對森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量進行了調查研究［7－10］，徐新良等［11］的研究結果顯示，中國森林植被的碳匯功能主要來自于人工林的貢獻。關于人工林的碳儲量研究中，對杉木(Cunninghamia lanceolata)、毛竹(Phyllostachys pubescens)等樹種的報道較多［12－13］，而對楊樹碳儲量的研究相對較少［14］。

楊樹人工林是江漢平原最主要的森林類型，目前該地區(qū)楊樹人工林已達到30萬hm2，楊樹產業(yè)已成為江漢平原的經濟支柱之一。為保證楊樹人工林的可持續(xù)發(fā)展，有必要對楊樹人工林的碳蓄積規(guī)律及其土壤碳蓄積動態(tài)進行研究。本研究對江漢平原地區(qū)栽植4、6和8年生的楊樹人工林林分及土壤碳動態(tài)進行初步研究，為了解和發(fā)揮人工林的生態(tài)功能、正確評估人工林的碳儲存能力、探討森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積規(guī)律和森林碳庫的調控提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究地點選在屬于江漢平原的石首市。江漢平原地處長江中游，是由長江、漢水及湖泊泛濫淤積而形成的沖積平原，與洞庭湖平原合稱兩湖平原。江漢平原地勢低平，海拔一般低于100 m，大部分40 m以下，平原邊緣的蝕余丘陵海拔高度也多為200～3 00m。屬典型的亞熱帶季風氣候區(qū)，年日照時數2 000 h左右，年均氣溫15～17℃，≥10℃年積溫5 000～5400℃，無霜期240～270 d，年降水量1100～1 300 mm。區(qū)域內河網交織、湖泊眾多、堤垸縱橫，大小湖泊約300多個。水、熱、光、溫等資源豐富，且土壤質地好，水熱同季，是我國重要的優(yōu)質農產品、林產品、水產品等生產基地。

2 研究方法

樣地設置與土樣采集:于2008年6月在楊樹林區(qū)選擇立地條件相近、品種和栽植密度相同的不同年齡楊樹人工林。按照4、6和8年生各設置樣地3個，面積為20 m×20 m，共計9個樣地。對樣地內林木進行每木調查，并分別在每個樣地按S形布設5個采樣點，用直徑為5 cm的取土鉆在林地表層(0～20 cm)取出完整的土芯，將5個采樣點的土樣混合均勻，留取1 kg土樣自然風干，用于測定土壤有機碳質量分數、土壤養(yǎng)分質量分數及土壤團聚體結構。同時用100 cm3環(huán)刀測定土壤密度。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

林木生物量測定:楊樹人工林下灌草極少，相對于喬木層生物量可以忽略不計。對江漢平原楊樹人工林單木生物量的估算，采用課題組成員唐萬鵬等［15］已建立的生物量回歸方程進行，見表2。再根據栽植密度推算單位面積楊樹人工林林分的生物量。

表2 楊樹單木各組份生物量估測模型

林木碳儲量測定:林木碳儲量由生物量乘以碳質量分數轉換系數得出。一般碳質量分數的轉換系數取值為0.45～0.50，本文碳質量分數的轉換系數采用 0.50［16－17］。

土壤有機碳質量分數測定:土壤有機碳質量分數采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法進行測定。

土壤有機碳儲量測定:土壤有機碳儲量采用公式(1)計算，

式中:C為土壤有機碳質量分數(g·kg－1);D為密度(g·cm－3);E為土層厚度(cm);G為直徑＞2 mm的石礫所占的體積比例(%)，由于楊樹人工林地土壤石礫質量分數很少，本研究可以忽略不計。

數據處理:數據分析采用Excel和SAS統(tǒng)計分析軟件進行。

3 結果與分析

3.1 楊樹人工林林木碳儲量動態(tài)

林木生物量:楊樹人工林在生長過程中各器官和總生物量的變化如表3所示。從表中可知，隨著林齡的增加，栽植4、6和8年生的楊樹人工林總生物量成倍增加，8年生時總生物量達到111.35 t/hm2。不同林齡生物量在各器官分配中，均表現(xiàn)為樹干生物量最大，為 12.77 ～54.74 t/hm2，占喬木層總生物量的47.23% ～49.16%，其次是樹枝，生物量為6.56 ～ 27.42 t/hm2，占 24.26% ～24.63%。在 4年生時樹根生物量最小，而達到6年生以后，均表現(xiàn)為樹葉生物量最小。

表3 楊樹生物量分配

林木碳儲量:森林碳是以森林生物量為載體的，根據林木含碳量即可從林分生物量估算出整個林分的碳儲量，不同林齡的林木碳儲量結果如表4所示。不同林齡的楊樹人工林林木碳儲量變化規(guī)律與生物量變化具有一致性。從表4中可知，隨著林齡的增加，栽植4、6和8年生的楊樹人工林林木碳儲量成倍增加。楊樹人工林8年生時林木碳儲量達到55.67 t/hm2，這與杉木、柳杉等樹種相同林齡階段的碳儲量相當［18－19］，而明顯高于8年生的人工側柏林和刺槐林［20］。與 Fang等［16］對我國森林生態(tài)系統(tǒng)中林木碳儲量的估計值(平均45 t/hm2左右，其中人工林為30 t/hm2左右，天然林為50 t/hm2左右)相比，6年生楊樹人工林林木碳儲量接近全國人工林碳儲量平均值，8年生楊樹人工林林木碳儲量接近全國人工林碳儲量的2倍。而江漢平原楊樹人工林輪伐期一般在8～10 a，因此在砍伐前，江漢平原楊樹人工林在碳匯方面發(fā)揮著巨大作用。

3.2 楊樹人工林土壤碳儲量動態(tài)

土壤碳質量分數:森林中土壤有機碳的積累，就是林木碳積累的繼續(xù)，它將植被無法繼續(xù)保存的碳截留到了土壤中，擴展了植被固定大氣中CO2的能力。加上以腐殖質的形態(tài)存在的土壤有機碳，則能相當持久地被保存下來。

表4 不同林齡楊樹人工林有機碳儲量 t·hm－2

不同林齡楊樹人工林林下0～20 cm層土壤中有機碳的質量分數分別為9.61、16.53和23.79 g/kg，平均為16.64 g/kg。隨著林齡的增加，土壤有機碳質量分數在林木覆蓋下不斷積累。這是因為林木凋落物是土壤有機碳的主要來源，凋落物一旦轉化為腐殖質，就將長期而穩(wěn)定地保存在土壤中，除非它被侵蝕而損失。

土壤碳儲量:根據不同林齡楊樹人工林林下土壤的實測土壤密度、土壤有機碳質量分數和公式(1)，可計算出土壤的碳儲量。不同林齡楊樹人工林林下0～20 cm土層土壤中有機碳的儲量范圍在27.78 ～61.41 t/hm2，隨著林齡的增加，土壤有機碳儲量不斷積累，這同樣是因為凋落物不斷積累并轉化的緣故。

3.3 楊樹人工林總碳儲量動態(tài)

根據林木碳儲量和土壤碳儲量，可以得到楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。不同林齡楊樹人工林總碳儲量變化如表4所示。不同林齡楊樹人工林總有機碳儲量范圍在41.30～117.08 t/hm2，隨著林齡的增加，總碳儲量顯著增加，8年生人工林總碳儲量大約是4年生的3倍。由于江漢平原楊樹人工林輪伐期在8～10 a，因此該地區(qū)從造林開始，楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)有著很大的碳匯潛力。

從表4中還可以看出，4年生和6年生人工林土壤碳儲量遠大于林木碳儲量，而到8年生時，林木碳儲量與土壤碳儲量相當。說明在生長早期和中期，楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中土壤發(fā)揮著更大的碳匯作用，在生長后期，楊樹林木的碳儲量增加快于土壤的碳積累，林木和土壤在碳匯方面發(fā)揮著同樣的作用?？梢?，森林植被和森林土壤均是發(fā)揮森林碳匯功能中不可缺少的部分，整個森林的地上、地下都是龐大的碳庫，只有二者的結合才能在調節(jié)環(huán)境中的CO2濃度方面具有強大的力量。

3.4 土壤有機碳與團聚體結構的關系

對土壤有機碳儲量與土壤團聚體結構進行相關性分析，結果如表5所示。土壤有機碳儲量與d＞2 mm的團聚體質量分數呈正相關，且相關性達到極顯著水平，而與d＜2 mm的團聚體質量分數呈負相關，且與d＜0.25 mm的團聚體質量分數相關性達到顯著水平。國內外許多研究結果也認為土壤有機碳儲量與土壤大團聚體質量分數具有顯著相關性，這與本文研究結果一致［21－22］。土壤有機碳儲量隨著土壤大團聚體質量分數的增加而增加，主要是因為大團聚體的形成主要靠有機質的膠結作用。

表5 土壤有機碳儲量與土壤團聚體結構相關性

3.5 土壤有機碳與土壤養(yǎng)分的關系

對土壤有機碳儲量與土壤N、P、K等養(yǎng)分指標進行相關性分析，結果如表6所示。土壤有機碳儲量與土壤養(yǎng)分指標均有較好的正相關，其中與速效N相關性達到極顯著水平，與全N和C/N相關性達到顯著水平。這說明土壤有機碳儲量能較準確的反映土壤養(yǎng)分狀況，可以用土壤有機碳儲量作為江漢平原楊樹人工林土壤肥力的指示指標。

表6 土壤有機碳儲量與土壤養(yǎng)分指標相關性

4 結論

楊樹人工林林木生物量隨著林齡的增長而顯著增加，從4年生到8年生變化范圍為27.04～111.35 t/hm2。生物量在各器官分配中，均表現(xiàn)為樹干生物量最大，占喬木層總生物量的47.23% ～49.16%，其次是樹枝，占24.26% ～24.63%。林木碳儲量與生物量變化規(guī)律具有一致性，從4年生到8年生變化范圍為13.52 ～55.67 t/hm2。

不同林齡楊樹人工林林下0～20 cm土層土壤中有機碳的質量分數范圍在9.61～23.79 g/kg，平均為16.64 g/kg。0～20 cm土層土壤中有機碳的儲量范圍在27.78 ～61.41 t/hm2，隨著林齡的增加，土壤有機碳質量分數和儲量均不斷增加。

從4年生到8年生楊樹人工林總有機碳儲量范圍在41.30～117.08 t/hm2，8年生人工林總碳儲量大約是4年生的3倍。在4年生和6年生時，人工林土壤碳儲量遠大于林木碳儲量，而到8年生時，林木碳儲量與土壤碳儲量相當。

土壤有機碳儲量與大于2 mm的團聚體質量分數呈極顯著正相關，與小于0.25 mm的團聚體質量分數呈顯著負相關。土壤有機碳儲量與土壤養(yǎng)分中的速效N相關性達到極顯著水平，與全N和C/N質量分數比相關性達到顯著水平，可以用土壤有機碳儲量作為江漢平原楊樹人工林土壤肥力的反映指標。

［1］王效科，馮宗煒，歐陽志云.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲量和碳密度研究［J］.應用生態(tài)學報，2001，12(1):13－16.

［2］方精云.北半球中高緯度的森林碳庫可能遠小于目前的估算［J］.植物生態(tài)學報，2000，24(5):635－638.

［3］Msihi Y，Baldocchi D D，Jarvis P G.The carbon balance of tropica1，temperate and boreal forests［J］.Plant Cell and Enviroment，1999，22:715－740.

［4］Houghton R A，Hackler J L，Lawrence K T.The U.S.carbon budget:contributions from land-use change［J］.Science，1999，285:574－578.

［5］Ciais P，Peylin P，Bousquet P.Regional biospheric fluxes as inferred from atmospheric CO2measurements［J］.Journal of Applied Ecology，2000，10:1574－1589.

［6］王葉，延曉冬.全球氣候變化對中國森林生態(tài)系統(tǒng)的影響［J］.大氣科學，2006，30(5):1009－1018.

［7］Liu J X，Peng C H.Historic carbon budgets of Ontario’s forest ecosystems［J］.Forest Ecology and Management，2002，169:103－114.

［8］Dixon R K，Brown S，Houghton R A，et al.Carbon pool and flux of global forest ecosystems［J］.Science，1994，263:85.

［9］方精云，劉國華，徐嵩齡.我國森林植被的生物量和凈生產量［J］.生態(tài)學報，1996，16(5):497－508.

［10］王效科，馮宗煒.中國森林生態(tài)系統(tǒng)中植物固定大氣碳的潛力［J］.生態(tài)學雜志，2000，19(4):72－74.

［11］徐新良，曹明奎，李克讓.中國森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量時空動態(tài)變化研究［J］.地理科學進展，2007，26(6):1－10.

［12］田大倫，方晰，項文化.湖南會同杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳素密度［J］.生態(tài)學報，2004，24(11):2382－2386.

［13］肖復明，范少輝，汪思龍，等.湖南會同毛竹林土壤碳循環(huán)特征［J］.林業(yè)科學，2009，45(6):11－15.

［14］唐羅忠，生原喜久雄，黃寶龍，等.江蘇省里下河地區(qū)楊樹人工林的碳儲量及其動態(tài)［J］.南京林業(yè)大學學報，2004，28(2):1－6.

［15］唐萬鵬，王月容，鄭蘭英，等.南方型楊樹人工林生物量與生產力研究［J］.湖北林業(yè)科技，2004(增刊):43－47.

［16］Fang J Y，Chen A P，Peng C H，et al.Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949 and 1998［J］.Science，2001，292:2320－2322.

［17］李海濤，王姍娜，高魯鵬，等.贛中亞熱帶森林植被碳儲量［J］.生態(tài)學報，2007，27(2):693－704.

［18］侯振宏，張小全，徐德應，等.杉木人工林生物量和生產力研究［J］.中國農學通報，2009，25(5):97－103.

［19］段文霞，朱波，劉銳，等.人工柳杉林生物量及其土壤碳動態(tài)分析［J］.北京林業(yè)大學學報，2007，29(2):55－59.

［20］王蕾，張景群，王曉芳，等.黃土高原兩種人工林幼林生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力評價［J］.東北林業(yè)大學學報，2010，38(7):75－78.

［21］毛艷玲，楊玉盛，刑世和，等.土地利用方式對土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳的影響［J］.水土保持學報，2008，22(4):132－137.

［22］Eynard A，Schumacher T，Lindstrom M J，et al.Effects of agricultural management systems on soil organic carbon in aggregates of Ustolls and Usterts［J］.Soil Tillage Research，2005，81:253－263.