楊農(nóng)復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)碳儲量及其分布特征研究

江　浩，季永華，王　磊，張亞楠(江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇　南京　211153)

楊農(nóng)復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)碳儲量及其分布特征研究

江浩，季永華*，王磊，張亞楠(江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院，江蘇南京211153)

摘要:以楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合林2種生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，對林木、農(nóng)作物(林下植被)、土壤、凋落物各組分的碳儲量進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明，楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合林的碳儲量分別為(101.59±8.1)，(116.65±10.3) t/hm2。在2個生態(tài)系統(tǒng)中林木及土壤碳儲量均占總量的90%以上。楊農(nóng)復(fù)合林凋落物和林下植被碳儲量所占比例約為6%，是楊樹純林的2倍。林木碳儲量、農(nóng)作物(林下植被)碳儲量均為楊農(nóng)復(fù)合林較高;楊農(nóng)復(fù)合林土壤碳儲量僅在中間層(10～25，25～50 cm)顯著高于楊樹純林;凋落物碳儲量2者之間差異不顯著。相對純林，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)具有較高的吸收和固碳能力。

關(guān)鍵詞:楊樹;楊農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng);土壤;碳儲量;分布特征

Carbon storage and distribution in poplar and poplar-crop intercropping forests

JIANG Hao，JI Yong-hua*，WANG Lei，ZHANG Ya-nan

(Jiangsu Academy of Forestry，Nanjing，211153，China)

Abstract:Carbon storage and distribution in poplar and poplar-crop intercropping forests were studied in Dafeng Farm，north of Jiangsu Province.We concluded that the carbon storages of poplar and poplar-crop agro-forestry ecosystem were (101.59±8.1) and(116.65±10.3) t/hm2respectively.And the soil and wood carbon storage were more than 90% of the total in both ecosystems.The carbon storage of undergrowth vegetations and litter-fall was about 6% in poplar-crop agroforestry ecosystem，twice of that in poplar forest.There was significant difference in soil carbon storage between poplar and poplar-crop agro-forestry ecosystem within the soil layers 10～25 and 50～100 cm.Carbon storages in the harvested parts (woods and undergrowth vegetations) of poplar forest were significantly lower than that in poplar-crop agro-forestry ecosystem.The carbon return in litter-fall showed no differences between two ecosystems.The results showed the agro-forestry ecosystem had relatively a high potential in carbon absorption and sequestration.

Key words:Poplar;Agro-forestry ecosystem;Soil;Carbon storage;Distribution

陸地植被具有強(qiáng)大的固碳功能，是目前應(yīng)對全球氣候變化最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑。森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量約占全球植被碳庫的86%以上，林下土壤碳儲量占全球碳庫的73%左右［1］。

林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是通過空間布局或時間安排，將多年生木本植物精心地用于農(nóng)作物和(或)家畜所用的土地類型經(jīng)營單元內(nèi)，使其形成各組分間在生態(tài)上和經(jīng)濟(jì)上具有相互作用的土地利用系統(tǒng)和技術(shù)系統(tǒng)的集合［2］。林農(nóng)復(fù)合經(jīng)營可使土地及其空間的光、熱、水得到更加充分的利用。近年來，關(guān)于農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)在固碳以及減緩溫室效應(yīng)中的作用已經(jīng)越來越多地引起人們的重視［3－6］。有研究指出，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營比單一作物經(jīng)營的固碳能力更強(qiáng)。據(jù)估計，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)中地上部分的碳儲

量平均在40～150 t/hm2之間［7］。楊樹(Populus sp)作為一類分布廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)、生長迅速的樹種，具有耐水、耐寒、成活率高、速生、用途廣、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，在農(nóng)田林網(wǎng)、農(nóng)林間作等農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營中起著重要的作用。江蘇省蘇北地區(qū)楊樹得到了大面積的推廣，楊農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)也成為了蘇北平原區(qū)廣泛存在的經(jīng)營模式。

目前，國內(nèi)研究主要集中在不同林農(nóng)復(fù)合經(jīng)營模式的水土保持功能、養(yǎng)分循環(huán)、光照和水分競爭、立地生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)效益等方面［8－9］，而對其固碳方面的研究相對較少。這就使得對其碳儲量及分布特征的研究顯得十分重要。本研究選擇江蘇北部已有大面積栽植的楊樹純林和典型楊農(nóng)復(fù)合林為研究對象，以生態(tài)系統(tǒng)為整體對其碳儲量及動態(tài)進(jìn)行研究，并相互對比，為我國碳儲量的估算及全球碳循環(huán)研究提供參考。

1　材料與方法

1.1研究地概況

研究區(qū)域位于江蘇省鹽城市境內(nèi)的大豐林場內(nèi)。大豐林場地處大豐市東南部，建于1959年，有林地2 467 hm2，屬于亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶，季風(fēng)顯著，雨熱同期，常年平均氣溫14.5℃，無霜期299 d，常年降水量751.0 mm，日照2 325.4 h。土壤為脫鹽草甸土，土壤質(zhì)地為沙質(zhì)土壤，土壤pH偏堿性。

本研究選擇立地條件和林分密度基本一致的5年生楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合林(套種棉花)為研究對象，樣地坐標(biāo)為N32°59'52″;E120°48'29″。每種林型選擇3個重復(fù)樣地，每個樣地大小為25 m×25 m。試驗材料均為35楊(Populus deltoides CL ‘35/66’)，株行距7 m×5 m。

1.2測定內(nèi)容及方法

1.2.1楊樹生物量及碳儲量測定于2013年9月采用每木調(diào)查法，測量胸徑、樹高后計算楊樹各器官生物量［10～11］:

式中，D為胸徑，H為樹高。WS為干生物量，WB為枝生物量，WL為葉生物量，WR為根生物量，WT為全樹生物量。

根據(jù)生物量計算單株楊樹固碳量:

1.2.2農(nóng)作物生物量及碳儲量測定以樣地單位面積生物量估算農(nóng)作物生物量，設(shè)置1 m×1 m小樣方，每個樣地選取5個點(diǎn)，全收割采樣后帶回實驗室處理，烘干至恒重，推算農(nóng)作物生物量，并于實驗室采用重鉻酸鉀氧化法測算含碳量。楊樹純林同期同樣選取樣方，采集地表林下植株，同農(nóng)作物進(jìn)行相同處理測算。

1.2.3土壤碳儲量的測定于2013年9月采用常規(guī)土鉆法取樣測算。每個樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個點(diǎn)取樣，分別為0～10，10～25，25～50，50～100 cm分層取樣，帶回實驗室按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB7830－87進(jìn)行風(fēng)干、研磨、過篩和混合分樣，重鉻酸鉀氧化法測算土壤碳含量。同時在采樣地點(diǎn)附近挖取剖面，按照上述分層用環(huán)刀法測算土壤容重及密度。

土壤層碳儲量按照下式計算:

其中i為土壤層次，Si為第i層次土壤碳儲量，Ci為第i層的土壤碳含量，di為第i層的土壤密度，Di為第i層的土壤厚度。

1.2.4凋落物生物量及含碳量的測定于2013年3月開始采用常規(guī)采集法取樣測算。在每個樣地中設(shè)置5個1 m×1 m的凋落物收集網(wǎng)，每月收集1次凋落物，稱量并帶回實驗室處理，烘干至恒重，推算凋落物生物量，重鉻酸鉀氧化法測算含碳量。

1.2.5數(shù)據(jù)處理采用SPSS13.0統(tǒng)計分析軟件對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析及回歸分析。

2　結(jié)果與分析

2.1楊樹生物量及碳儲量

林木碳儲量與林木生物量密切相關(guān)。根據(jù)測算，楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合林的林木生物量分別為(113.3±14.2)，(127.0±13.3) t/hm2，折算為碳儲量分別為(52.7±6.6)，(59.1±6.2) t/hm2(見表1)。楊農(nóng)復(fù)合林林木生物量和碳儲量高于楊樹純林，但并未表現(xiàn)出顯著差異(P＞0.05)。2種模式各器官生物量大小順序均為干＞枝＞根＞葉，樹干部分生物量占楊樹總生物量的比例最大，約占總生物量的一半多。碳儲量在楊樹不同器官中的分配比例與生物量成正比，亦為樹干所占比例最高。

表1　不同模式楊樹不同器官生物量及碳儲量估算　t/hm2

2.2農(nóng)作物生物量及碳儲量

在秋季對楊農(nóng)復(fù)合模式林下進(jìn)行農(nóng)作物收割，測算得出其生物量為(3.56±0.41) t/hm2，碳儲量為(1.85±0.05) t/hm2。楊樹純林林下植被較少，經(jīng)測算生物量僅為(0.63±0.09) t/hm2，碳儲量為(0.35±0.05) t/hm2。楊農(nóng)復(fù)合模式下林下植被碳儲量為楊樹純林的6～7倍。

2.3土壤碳含量及碳儲量

土壤碳庫在整個生態(tài)系統(tǒng)碳庫中占有非常重要的地位，主要來源于動植物殘體和枯枝落葉等經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化和化學(xué)淋溶的長期過程。楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)整個土壤層碳含量及儲量均表現(xiàn)出表層土較高，且隨土壤深度的增加而降低的趨勢(見表2)。楊樹純林土壤碳儲量由表層0～10 cm 的(18.72±0.22) t/hm2降低至50～100 cm層的(5.97±0.06) t/hm2;楊農(nóng)復(fù)合林的土壤碳儲量則由0～10 cm層的(21.11±0.32) t/hm2降低至50～100 cm層的(6.18±0.06) t/hm2。2種模式同一層次間碳含量和碳儲量差異隨層次變化而變化(見表2)。在表層(0～10 cm)及深層(50～100 cm)的土壤層間，楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合林的土壤碳含量和碳儲量并未表現(xiàn)出顯著差異(P＞0.05) ;而在中間層(10～25 cm和25～50 cm)，楊樹純林土壤碳含量和碳儲量則顯著低于楊農(nóng)復(fù)合林(P＜0.05)。

表2　不同模式土壤碳含量和碳儲量

2.4凋落物碳儲量

楊樹凋落物四季均有，主要有落葉、小枝及其他物質(zhì)，其中以落葉為主。以全年來看，生長期初期(4～6月)凋落較少，處于生長旺季的7月開始，凋落物明顯增多，并且凋落物掉落主要集中在9～11月的楊樹落葉期。凋落物的碳儲量與其生物量密切相關(guān)。經(jīng)測定，楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合林調(diào)查樣地內(nèi)凋落物碳含量分別為(48.0±0.12) %和(48.2± 0.15) %，并未表現(xiàn)出顯著差異;凋落物碳儲量分別為(1.75±0.11)，(1.81±0.11) t/(a·hm2)，差異不顯著。

2.5楊樹純林及楊農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳儲量

本研究的楊樹純林及楊農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要包括土壤(0～100 cm)、林木、林間農(nóng)作物(林下植被)、凋落物4個部分。楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合林的碳儲量分別為(101.59±8.1)，(116.65± 10.3) t/hm2。楊樹純林中楊樹和土壤的碳儲量占其總儲量的95%以上，凋落物和林下植被僅占3%左右。楊農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中楊樹碳儲量約占其總量的50%，土壤碳儲量占其總量的44%左右，其中凋落物和農(nóng)作物約占其總量的6%，該比例是楊樹純林的2倍。

3　討論與結(jié)論

當(dāng)前楊農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的大量研究集中在復(fù)合經(jīng)營模式的三維空間配置、潛在生產(chǎn)力、資源利用效率、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)效益等方面，主要探討楊農(nóng)復(fù)合經(jīng)營的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其設(shè)計原理［8，13－14］。本文以楊樹純林和楊農(nóng)復(fù)合林2種生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，初步探討了生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部各組分的碳儲量及分布比例。

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對地上部分植被碳儲量的影響隨時間的推移而變化。農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)在一定程度

上影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量及碳儲量，但就整個復(fù)合經(jīng)營系統(tǒng)而言，生物生產(chǎn)力將大大提高［15］。在本研究中，楊農(nóng)復(fù)合經(jīng)營生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)作物(林下植被)和凋落物碳儲量顯著增高，是楊樹純林的2倍。有研究指出，農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)顯著差異于純林生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)具有更高的光截獲率［16］、更低的蒸騰需水量及耗水量［17］。與楊樹純林生態(tài)系統(tǒng)相比，農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)能量和物質(zhì)輸入增加，消耗減少，碳循環(huán)周期也由原來的1 a變?yōu)槎嗄辏冀孬@能力明顯增強(qiáng)［18］，碳儲量顯著增高。

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的重要組成部分。本研究中土壤碳儲量表現(xiàn)出表層較高，隨土壤深度的增加而降低的趨勢，與他人研究成果一致［19］。鑒于楊農(nóng)復(fù)合林和楊樹純林相比，中間土壤層間(10 ～25，25～50 cm)碳儲量顯著增加，表層(0～10 cm)及深層(50～100 cm)的差異都不顯著，故認(rèn)為土壤碳主要來源為動植物、微生物殘體及其排泄物和分泌物并處在一種不斷分解和合成的動態(tài)過程中［20］，地表枯落物、土壤動物和微生物及植物根系對其形成有著重要的影響。當(dāng)林木與農(nóng)作物復(fù)合時，根系相互影響，對土壤中水分和養(yǎng)分的利用發(fā)生改變［21］，林木通過細(xì)根周轉(zhuǎn)向作物輸送氮素和有機(jī)質(zhì)，同時根系對水分的吸收也會降低排水，從而影響?zhàn)B分的淋溶率［22］，導(dǎo)致楊農(nóng)復(fù)合林土壤中間層碳儲量增加。也有研究指出，農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營后土壤碳儲量雖然增加，但農(nóng)作物有可能發(fā)生減產(chǎn)，在銀樺－玉米復(fù)合系統(tǒng)中，銀樺和玉米根系生長發(fā)生了競爭，導(dǎo)致玉米的產(chǎn)量減少了近40%［23］。農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營的物種選擇需要考慮到多方面的作用。

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通信作者:*季永華(1966－)，男，江蘇如東人，研究員，學(xué)士，從事生態(tài)系統(tǒng)研究。E-mail: 327955393@ qq.com。

作者簡介:江浩(1983－)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士，主要從事森林生態(tài)研究。

基金項目:江蘇省林業(yè)三新工程項目“江蘇楊樹農(nóng)田林網(wǎng)更新改造技術(shù)集成示范與推廣”(LYSX［2015］04) ;江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院青年基金項目“楊樹純林及楊農(nóng)復(fù)合生態(tài)學(xué)碳匯功能研究”(JAF-2012-3)

收稿日期:2015-03-19;修回日期:2015-04-02

文章編號:1001－7380(2015) 03－0028－04

中圖分類號:S792.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Adoi:10.3969/j.issn.1001－7380.2015.03.007