寧曉波,劉隆德,李明剛,顧永順,王太清,夏 婧
(1. 貴州省林業(yè)廳, 貴州 貴陽(yáng) 550001; 2. 貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,貴州 貴陽(yáng) 550003)
喀斯特城市主要森林生物量及碳吸存功能
寧曉波1,劉隆德2,李明剛2,顧永順2,王太清2,夏 婧2
(1. 貴州省林業(yè)廳, 貴州 貴陽(yáng) 550001; 2. 貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,貴州 貴陽(yáng) 550003)
利用樣方法和實(shí)測(cè)法,研究了喀斯特貴陽(yáng)市區(qū)主要森林類型的生物量和碳儲(chǔ)量及空間分布特征,估算了貴陽(yáng)市主要森林類型的總碳儲(chǔ)量。結(jié)果表明:貴陽(yáng)市7種主要森林類型喬木層生物量為5.44~105.36 t·hm-2,灌木層為1.29~12.46 t·hm-2,草本層為0.56~9.49 t·hm-2,死地被物層為0.95~9.67 t·hm-2;且喬木層碳儲(chǔ)量為3.02 ~ 59.84 t·hm-2,灌木層為 0.72 ~ 6.37 t·hm-2,草本層為 0.19 ~ 4.32 t·hm-2,死地被物層為 0.50 ~ 3.90 t·hm-2,土壤層為74.91~122.69 t·hm-2,各層碳儲(chǔ)量大小排序?yàn)橥寥缹樱局脖粚樱舅赖乇晃飳樱?種主要森林面積為205 479.32 hm2,總碳儲(chǔ)量為2 683.74萬(wàn)t。貴陽(yáng)市城市森林在維持和改善城市環(huán)境中作出了巨大貢獻(xiàn),碳吸存功能明顯。
喀斯特城市;城市森林;森林類型;森林生物量;森林碳儲(chǔ)量;碳吸存功能;貴陽(yáng)市
人類活動(dòng)導(dǎo)致大氣中CO2濃度不斷升高和增溫效應(yīng)是目前人類面臨的最嚴(yán)峻的全球環(huán)境問題[1]。國(guó)際社會(huì)對(duì)全球氣候變化非常重視,CO2作為最主要的一種溫室氣體,其源與匯已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。森林生態(tài)系統(tǒng)是地球上最大的陸地碳庫(kù),在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升以及維護(hù)全球氣候等方面具有不可替代的作用[3-4]。
城市是人口的主要集中居住的地區(qū),是人類活動(dòng)的重要場(chǎng)所,隨著城市功能和規(guī)模的快速推進(jìn),生態(tài)環(huán)境問題日益突出,被稱為“城市之肺”的城市森林,是城市復(fù)合系統(tǒng)的重要組成部分,在改善和維持城市生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著核心作用[5]。城市森林的碳儲(chǔ)量是評(píng)價(jià)城市森林功能的重要指標(biāo)之一。因此開展城市森林碳匯功能的研究,對(duì)改善城市生態(tài)環(huán)境、支撐城市可持續(xù)發(fā)展有著重要意義[6]。有關(guān)城市森林碳匯功能的研究已取得不少成果[7-10]。但相關(guān)喀斯特城市森林的碳匯功能研究尚少見報(bào)道。本研究在喀斯特地貌上的森林城市——貴陽(yáng)市,選擇了6種主要的森林類型和自然恢復(fù)的灌木林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用樣方法和實(shí)測(cè)法,研究了各種森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量、碳含量、碳儲(chǔ)量及其分配特征,估算了貴陽(yáng)市主要森林類型的總碳儲(chǔ)量,評(píng)價(jià)了城市森林的碳吸存功能。研究結(jié)果可為準(zhǔn)確估算貴陽(yáng)市及貴州省城市森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)還為喀斯特地區(qū)的城市森林建設(shè)規(guī)劃和布局及生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。
貴州省貴陽(yáng)市位于我國(guó)西南云貴高原的東部,地處 106°12′~ 107°17′E、26°11′~ 26°55′N 之間。海拔880~1 659 m。年平均氣溫15.3℃,年平均降水量1 129.5 mm,相對(duì)濕度78%,屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候。土壤以酸性黃壤為主,與石灰?guī)r、白云巖、砂巖、頁(yè)巖等交錯(cuò)分布。地帶性植被為中亞熱帶濕潤(rùn)性常綠闊葉林,城區(qū)原生植被已經(jīng)完全被破壞?,F(xiàn)狀植被主要有馬尾松Pinus Massoniana、 杉 木 Cunninghamia lanceolata、樟樹Cinnamomum camphora、火棘Pyracantha fortuneana、金櫻子Rosa laevigata等次生植被。試驗(yàn)林分特征見表1。
表1 試驗(yàn)林分特征Table 1 Stand characteristics in the study sites
分別在各試驗(yàn)林內(nèi)隨機(jī)設(shè)置4個(gè)土壤采樣點(diǎn)。在每個(gè)采樣點(diǎn)按0~15、15~30、30~45、45~60 cm層次,分別采集土樣500 g,共采土樣112個(gè)。去除石礫與雜物,風(fēng)干后過20目和100目篩備用。
在研究區(qū)不同林分內(nèi),設(shè)置900 m2樣地各2塊并進(jìn)行每木調(diào)查,求算林分測(cè)樹因子。在各樣地對(duì)角線中心部位,設(shè)置2 m×2 m的樣方4個(gè),分別記載灌木層各種灌木、幼樹及藤本植物種名、蓋度、平均高度、株數(shù)、地徑;同時(shí)記載草本層種名、蓋度、平均高度、株數(shù)/叢數(shù)。然后將樣方內(nèi)的灌木、草本植物全部挖出,將死地被物分3層(未分解L層、半分解F層、全分解H層)全選出。對(duì)同種同類植物及死地被物各層分別稱其鮮質(zhì)量,然后分別抽取各類小樣本1.0 kg,置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),于80℃烘至恒質(zhì)量,求出各類樣品的干物質(zhì)質(zhì)量。
喬木樹種生物量的測(cè)定:依據(jù)各試驗(yàn)林分的測(cè)樹因子,在各林分內(nèi)按林木生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)、中等、較差狀態(tài),各選取標(biāo)準(zhǔn)木1株,每個(gè)樹種共選3株。將標(biāo)準(zhǔn)木從樹干基部伐倒,按2 m區(qū)分段,用分層切割法測(cè)定林木各組織器官鮮質(zhì)量。采用全挖法分土層挖取林木根系并測(cè)定鮮質(zhì)量。然后分別采取小樣本1.0 kg,置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),于80℃烘至恒質(zhì)量,求出林木各器官干物質(zhì)量。
土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定;土壤和植物有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定。樣品測(cè)定重復(fù)4次。
用Excel2003和SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)采用單因子方差分析。誤差為標(biāo)準(zhǔn)誤(SE)。
從表2可以看出,9種樹木的各器官生物量中,均以樹干生物量最大:其中楊樹、刺槐及杉木樹干生物量占全株生物量的50%以上,樟樹、亮葉樺、梓木及麻櫟樹干生物量占全株生物量40%以上,意楊樹干生物量占全株33%,尤以馬尾松樹干生物量突出,可占全株生物量的77.76%??梢?,喬木樹種生物量組成均以樹干生物量為主。
從表2還可以看出,生長(zhǎng)在喀斯特城市的森林中,各樹種各器官生物量大小不同,就是同一樹種不同器官,其生物量大小亦不相同。這是與林木的生物學(xué)特性和年齡緊密相關(guān)的。
從表3可以看出,森林類型不同,林下灌木層、草本層和死地被物層的生物量各不相同。如25年生楊樹林灌木層生物量最高,達(dá)7 264.14 kg·hm-2,而16年生樟樹林灌木層生物量卻為1 288.56 kg·hm-2,兩者竟相差5.6倍;林下草本層生物量以梓木+刺槐林生物量最高,為9 494.98 kg·hm-2,而以楊樹林最低,僅556.49 kg·hm-2,則梓木+刺槐林草本層生物量比楊樹林高達(dá)17倍;死地被物層生物量最大為馬尾松林,達(dá)9 672.28 kg·hm-2,最小為樟樹林,僅946.17 kg·hm-2,比馬尾松林的死地被物層生物量少8 726.11 kg·hm-2。上述表明,林分類型不同,林分組成樹種的生活型不同,即有常綠與落葉的喬木樹種之分,加之林分的年齡與疏密度各異,造成了其林下灌木層、草本層和死地被物層生物量均不相同。
表2 不同森林類型喬木樹種單株生物量?Table 2 Individual tree biomass of different forest types kg
灌木林是喀斯特地區(qū)廣泛存在的一種重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型。研究灌木林生物量,是研究灌木林物質(zhì)循環(huán)及第一性生產(chǎn)力的基礎(chǔ)。從表3可看出,生長(zhǎng)在貴陽(yáng)市的灌木林,其灌木植物生物量為12 461.00 kg·hm-2,草本植物生物量為3 745.14 kg·hm-2,灌木植物生物量為草本植物生物量的3.3倍,表明灌木林生物量中是以灌木植物為主體;死地被物層生物量為6 957.11 kg·hm-2,有利于林地土壤肥力的維持。
表3 林下植被層和死地被物層生物量Table 3 Biomass of underground layer and litter layer(kg·hm-2)
貴陽(yáng)市主要森林類型中喬木樹種的碳含量列于表4。從表4可以看出,9個(gè)樹種間平均碳含量均不相同,以樟樹含碳量最多,為585.75g·kg-1,馬尾松最低,為483.46 g·kg-1;且不同樹種同一器官間的碳含量亦不相同,如樹干中以意楊(611.50 g·kg-1)最高,杉木(506.40 g·kg-1)最低,樹枝則以杉木(617.20 g·kg-1)最高,馬尾松(475.64 g·kg-1)最低;即便是同一樹種,而器官不同其碳含量也不相同,如刺槐的樹干含碳量最高,為569.78 g·kg-1,而樹枝含碳量最低,為482.52 g·kg-1。這是與其生物學(xué)及遺傳學(xué)特性相關(guān)的。
表4 主要樹種碳含量Table 4 Carbon concentrations in the main tree species(g·kg-1)
從表5可知,各森林類型喬木層生物量是不相同的,以楊樹林(105.36 t·hm-2)最高,其次為麻櫟林+杉木林(86.72 t·hm-2),最低為亮葉樺+意楊林(5.44 t·hm-2)。表明林分生物量大小是由林分的建群樹種、年齡及密度而決定的。
表5 不同森林類型喬木層生物量和碳儲(chǔ)量Table 5 Biomasses and carbon storages of different organs in the tree layer (t·hm-2)
從表5還可以看出,各林分生物量的地上部分為地下部分的2.31~6.66倍,表明各林分地上和地下部分異速生長(zhǎng)正常。
再?gòu)谋?看出,不同森林類型喬木層碳儲(chǔ)量以楊樹林最高(59.84 t·hm-2),其次為麻櫟+杉木林 (47.64 t·hm-2)和梓木 + 刺槐林 (46.36 t·hm-2),而以亮葉樺+意楊林(3.02 t·hm-2)最低。各林分碳儲(chǔ)量在不同器官的分配上均以樹干最高,為1.24~34.12 t·hm-2,占各林分碳總儲(chǔ)量的40%以上,這與樹干生物量在林分總生物量分配上存在一致的規(guī)律,即樹干生物量也占林分總生物量的40%以上??梢?,林分中碳儲(chǔ)量的高低主要決定于生物量的大小。
還從表5可知,在各林分碳儲(chǔ)量中,地上部分碳儲(chǔ)量為1.93~48.89 t·hm-2,占林分碳儲(chǔ)量的79.30%~89.09%;地下部分碳儲(chǔ)量為0.33~10.95 t·hm-2,占10.91%~20.70%。表明林分中碳儲(chǔ)量主要分配在林分的地上部分。
不同森林類型林下灌木層碳含量不同,從表6中可以看出,雖然樟樹林灌木層碳含量稍高,為538.80 g·kg-1,但各森林類型灌木層間差異不明顯;草本層則以楊樹林草本層碳含量稍低,為335.44 g·kg-1,各森林類型草本層間差異仍不明顯,這與各森林類型灌木層碳含量規(guī)律是一致的。
表6 林下植被層和死地被物層碳含量和貯量Table 6 Carbon concentration and storage in underground and litter layer
各森林類型灌木層碳儲(chǔ)量以楊樹林最高,為7 932.41 kg·hm-2,而以樟樹林最低,為716.76 kg·hm-2,兩者竟相差11倍;草本層碳儲(chǔ)量卻以梓木+刺槐林最高,為4 319.30 kg·hm-2,楊樹林最低,為192.15 kg·hm-2,兩者相差竟達(dá)22倍。可見,林下植被層碳儲(chǔ)量的高低是與林下植被層生物量的大小是緊密相關(guān)的。
不同森林類型死地被物層碳含量以楊樹林最高,為562.17 g·kg-1,碳儲(chǔ)量則以馬尾松林最高,為3901.92 kg·hm-2,這仍與生物量大小而緊密相連。
從表6中還可以看出,灌木林中,灌木植物的碳含量(512.31 g·kg-1)稍高于草本植物(465.59 g·kg-1)和死地被物層(370.43 g·kg-1)。碳儲(chǔ)量則以灌木植物最高,為6 365.79 kg·hm-2,其次為死地被物層的2 556.33 kg·hm-2,而以草本植物碳儲(chǔ)量最低,為1 734.20 kg·hm-2,表明在同一林分中,各組成成分或?qū)哟翁純?chǔ)量的高低仍是以生物量為基礎(chǔ)。
由表7可以看出,貴陽(yáng)市森林土壤有機(jī)碳含量是隨土層深度的增加而逐漸下降。0~15 cm土層顯著高于15~45 cm以上土層含量(p<0.05)。且各林地各土層含碳量均存在一致的規(guī)律,即表土層碳含量顯著高于下土層(p<0.05)。各林地土壤中碳含量主要分布在0~30 cm處,即有50%的碳分布于該處。
表7 不同林地土壤碳含量?Table 7 Carbon concentration in soil layers of different forest (g·kg-1)
從表8可以看出,貴陽(yáng)市主要森林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量均以0~15 cm表層最多,且隨土層加深而呈減少趨勢(shì)。除楊樹林外,其余6類林地土壤中碳儲(chǔ)量有60%以上分布在0~30 cm土表層。但人類的各種活動(dòng)也主要作用于土壤表層,尤其是對(duì)城市森林土壤干擾的加倍,表明人類的各種活動(dòng)方式將對(duì)森林土壤有機(jī)碳庫(kù)帶來(lái)一定的影響,從而影響了森林土壤的碳“源/匯”功能,因此減少對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)土壤的干擾,對(duì)于減緩大氣CO2濃度上升有著重要意義[11]。
表8 不同林地土壤碳儲(chǔ)量Table 8 Carbon storage in soil layers of different forest(t·hm-2)
表9為貴陽(yáng)市主要森林類型碳儲(chǔ)量的空間分布狀況,可以看出7種森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量為88.34~188.49 t·hm-2,其中植被層的碳儲(chǔ)量為7.72~63.96 t·hm-2,占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的6.38%~39.30%;在植被層中,喬木層碳儲(chǔ)量為3.02~59.84 t·hm-2(灌木林除外),占植被層碳儲(chǔ)量的39.12%~95.64%,表明森林生態(tài)系統(tǒng)中植被層的碳儲(chǔ)量以喬木層的碳儲(chǔ)量最高。
死地被物層的碳儲(chǔ)量為0.50~3.90 t·hm-2,占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的0.40%~2.90%。
土壤層(0~60 cm)的碳儲(chǔ)量為74.91~122.69 t·hm-2,占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的59.15%~92.75%??梢姡寥缹拥奶純?chǔ)量是相當(dāng)可觀的,它是森林生態(tài)系統(tǒng)中的主要碳庫(kù)。
綜上所述,貴陽(yáng)市7種森林生態(tài)系統(tǒng)中碳儲(chǔ)量主要由植被層、死地被物層和土壤層的碳儲(chǔ)量組成,且各層碳儲(chǔ)量按大小排序?yàn)椋和寥缹樱局脖粚樱舅赖乇晃飳印?/p>
表9 主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布Table 9 Spatial distribution of carbon storage in main forest ecosystems (t·hm-2)
依據(jù)貴州省森林資源二類清查數(shù)據(jù),估算了貴陽(yáng)市主要森林類型的碳總儲(chǔ)量,并列于表10。從表10可以看出,貴陽(yáng)城市主要森林面積為205 479.32 hm2,總碳儲(chǔ)量為2683.74萬(wàn)t,其中樟樹林總碳儲(chǔ)量為10.31萬(wàn)t,占0.38%;楊樹林為20.5萬(wàn)t,占0.77%;馬尾松林為1 365.92萬(wàn)t,占50.90%;麻櫟+杉木林為76.57萬(wàn)t,占2.85%;梓木+刺槐林為371.59萬(wàn)t,占13.85%;亮葉樺+意楊林為82.45萬(wàn)t,占3.07%;灌木林為756.37萬(wàn)t,占28.18%。表明在喀斯特地區(qū)典型的城市森林地段,其固碳作用是明顯的,碳吸存功能在維持和改善貴陽(yáng)市的生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮了極大的作用。
表10 貴陽(yáng)市主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳總儲(chǔ)量Table 10 Total carbon storage in forest ecosystems in Guiyang city
貴陽(yáng)市6種森林類型中,9種喬木樹種的單株生物量均以樹干生物量最大,可占樹木全株生物量的33%~77.76%。不同樹種各器官生物量不同,就是同一樹種而器官不同,其生物量也不相同。這是由樹木種類、年齡等生物學(xué)特性所決定的。
不同森林類型喬木層生物量不相等,以25年生的楊樹林(105.36 t·hm-2)最高,10年生的亮葉樺+意楊林(5.44 t·hm-2)最低;林下灌木層生物量為1 288.56~7 264.14 kg·hm-2,草本層生物量為556.49~9 494.98 kg·hm-2,死地被物層生物量為946.17~9 672.28 kg·hm-2。由于森林類型不同、建群樹種不同、林分年齡和密度不同等原因,使貴陽(yáng)市不同森林類型喬木層、林下植被層和死地被物層生物量均不相同。
在貴陽(yáng)市環(huán)境中自然生長(zhǎng)的灌木林,是一種特殊的森林類型,對(duì)于喀斯特環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生適應(yīng)性,其灌木植物生物量為12 461.00 kg·hm-2,草本植物生物量為3 745.14 kg·hm-2,死地被物生物量為6 957.11 kg·hm-2。灌木林資源是人類賴以生存不可缺少的自然資源,有關(guān)部門應(yīng)予以保護(hù)。
不同森林類型喬木層碳儲(chǔ)量分別為:8.94 t·hm-2(樟樹林)、59.84 t·hm-2(楊樹林)、36.73 t·hm-2(馬尾松林)、47.64 t·hm-2(麻櫟+杉木林)、46.36 t·hm-2(梓木 + 刺槐林)、3.02 t·hm-2(亮葉樺 + 意楊林)。上述6種森林類型喬木層碳儲(chǔ)量的算術(shù)平均值為33.76 t·hm-2,與李??萚12]估算的貴州喬木林碳密度34.75 t·hm-2和李默然等[13]估算的貴州黔東南5種森林類型喬木層碳儲(chǔ)量的算術(shù)平均值(35.72 t·hm-2)比較接近。
灌木層碳儲(chǔ)量在0.72~6.37 t·hm-2之間,草本層碳儲(chǔ)量為0.19~4.32 t·hm-2。雖然灌草層碳儲(chǔ)量較少,但在森林群落中仍屬植被層碳儲(chǔ)量之列;死地被物層碳儲(chǔ)量為0.50~3.90 t·hm-2,數(shù)量較少,卻是構(gòu)成土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的主要來(lái)源,而且是森林生態(tài)系統(tǒng)主要的碳庫(kù)之一。
土壤碳儲(chǔ)量為74.91~122.69 t·hm-2,且主要分布在0~30 cm的土表層,并隨土層的加深而呈減少趨勢(shì)。各類森林土壤碳儲(chǔ)量均明顯低于我國(guó)森林土壤平均碳密度(193.55 t·hm-2)[12]。
貴陽(yáng)市7種主要森林類型碳儲(chǔ)量的分配格局為:植被層6.38%~39.30%,死地被物層0.40%~2.90%,土壤層59.15%~92.75%。各層碳儲(chǔ)量大小排序?yàn)椋和寥缹樱局脖粚樱舅赖乇晃飳印?/p>
貴陽(yáng)市7種主要森林面積為205 479.32 hm2,總碳儲(chǔ)量為2 683.74萬(wàn)t,表明喀斯特貴陽(yáng)市城市森林在維持和改善城市環(huán)境中發(fā)揮了極大的作用,碳吸存功能是明顯的。
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Biomass and carbon sequestration function of karst main urban forest
NING Xiao-bo1, LIU Long-de2, LI Ming-gang2, GU Yong-shun2, WANG Tai-qing2, XIA Jing2
(1.Forestry Department of Guizhou Province, Guiyang 550001, Guizhou, China ; 2.Forest Inventory and Planning Institute of Guizhou Province, Guiyang 550003, Guizhou, China)
∶ The investigations of biomass, carbon storage and spatial distribution characteristics of main forests in Guiyang (a karst city)were conducted by using quadrate sampling and field measurement methods, and the total carbon storage of the main forests in Guiyang city was estimated based on the survey data. The results show that the arbor biomass of 7 main forests ranged from 5.44 t·hm-2to 105.36 t·hm-2, shrub layer ranged from 1.29 t·hm-2to 12.46 t·hm-2, herb layer ranged from 0.56 t·hm-2to 9.49 t·hm-2and litter layer ranged from 0.95 t·hm-2to 9.67 t·hm-2; Carbon storage of arbor was 3.02 t·hm-2to 59.84 t·hm-2, shrub from 0.72 t·hm-2to 6.37 t·hm-2, herb from 0.19 t·hm-2to 4.32 t·hm-2, litter from 0.50 t·hm-2to 3.90 t·hm-2and soil from 74.91 t·hm-2to 122.69 t·hm-2, respectively; The order of carbon storage was soil > vegetable layer > litter layer; The area of the 7 main forests was 205 479.32 hm2, and its total carbon storage was 26.84 million tons. Carbon sequestration functions of the 7 main forests were significant and they made a great contribution to sustain and improve municipal environment in Guiyang city.
∶ karst city; urban forest; forest type; forest biomass; forest carbon storage; carbon sequestration function; Guiyang city
S718.55+6
A
1673-923X(2013)11-0109-06
2013-08-10
國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200904031)
寧曉波(1960- ),男,貴州畢節(jié)人,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士,主要從事林業(yè)管理及科研工作
[本文編校:謝榮秀]