高寒沙地烏柳防護(hù)林碳庫(kù)隨林齡的變化

于 洋, 賈志清,2,*, 朱雅娟,2, 劉艷書(shū),2, 劉海濤, 李清雪

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091 2 青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站, 海南藏族自治州 813000

高寒沙地烏柳防護(hù)林碳庫(kù)隨林齡的變化

于 洋1, 賈志清1,2,*, 朱雅娟1,2, 劉艷書(shū)1,2, 劉海濤1, 李清雪1

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091 2 青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站, 海南藏族自治州 813000

植被恢復(fù)是改善脆弱生態(tài)系統(tǒng)的有效方式。長(zhǎng)期的植被恢復(fù)能夠提高沙地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。以青海共和高寒沙地不同林齡烏柳(Salixcheilophila)防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究植被恢復(fù)過(guò)程中植被碳庫(kù)與土壤碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化，探討烏柳防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。結(jié)果表明：隨林齡增加，烏柳各組分碳濃度變化規(guī)律并不顯著(P>0.05)，而碳貯量顯著增加(P<0.05)，且不同林齡烏柳各組分碳庫(kù)的分配比例不同，樹(shù)干碳貯量占林分碳貯量的百分比最高。各林齡(6、11、16、21a)烏柳林碳貯量分別為4.95、9.93、14.67 t/hm2和21.99 t/hm2。土壤碳庫(kù)隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加而增加，各林齡土壤碳庫(kù)(0—200cm)分別為9.54、13.03、17.18和19.05 t/hm2。較之6、11a土壤碳庫(kù)增加26.78%，16a較之11a提高24.16%，21a較16a提高9.82%。地被物層(植被殘?bào)w)固碳量分別為0.27、0.29、0.33、0.43 t/hm2。不同林齡烏柳林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)分別為14.76、23.25、32.18 t/hm2和41.48 t/hm2。各林齡烏柳植被層碳庫(kù)分別占該林齡總碳庫(kù)的33.54%、42.71%、45.59%和53.01%，土壤碳庫(kù)分別占該林齡總碳庫(kù)的64.63%、56.04%、53.39%和45.93%，而地被物層分別占該林齡總碳庫(kù)的1.83%、1.25%、1.03%和1.03%。較之恢復(fù)前的，各林齡碳庫(kù)依次增加57.05%、36.52%、27.75%和22.42%。植被恢復(fù)各階段年凈碳累積速率分別為1.41、1.70、1.79、1.86 tC hm-2a-1。烏柳防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)具有“碳匯”功能。

烏柳; 高寒沙地; 碳濃度; 碳貯量; 年齡系列; 碳匯

植被恢復(fù)與重建是防治土地荒漠化的有效方式。人工固沙植被具有多種生態(tài)服務(wù)功能。其中，固碳功能是生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)非常重要的服務(wù)功能。通過(guò)開(kāi)展治沙造林工程，改善了沙地生態(tài)系統(tǒng)惡劣的自然環(huán)境，提高了沙地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)。尤其是在氣候變化的背景下，研究干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被的固碳功能，具有重要意義[1-4]。灌木因其地上多分枝的莖與近地的樹(shù)冠具有很強(qiáng)防風(fēng)固沙能力，近些年被廣泛用于干旱區(qū)與半干旱區(qū)植被恢復(fù)工程中，在生態(tài)系統(tǒng)重建過(guò)程中扮演者重要角色。灌木林在我國(guó)分布范圍較廣，占我國(guó)陸地總面積的五分之一。1982—1999年中國(guó)灌叢(215×106hm2)土壤有機(jī)碳年均增加(39.4±9.0)Tg，高于森林、草地和農(nóng)田，可見(jiàn)灌叢是生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳匯。同時(shí)，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，灌叢恢復(fù)被認(rèn)為是對(duì)碳匯最不確定的因素[5]。土壤是大氣二氧化碳的主要碳源，其每年釋放近75億t碳到大氣中，所以有效的管理土壤碳庫(kù)對(duì)減少大氣中二氧化碳含量有著至關(guān)重要的作用。而在生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，合理開(kāi)展防護(hù)林建設(shè)與植被恢復(fù)工程，通過(guò)植被實(shí)現(xiàn)固碳，是減少碳損耗的有效方式[6]。近些年，減緩并防止生態(tài)系統(tǒng)退化，恢復(fù)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，提高生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，受到學(xué)者們的高度關(guān)注。尤其是在脆弱的沙地生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)植被恢復(fù)后，生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能是如何變化的？生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能是如何改善的？還需開(kāi)展更為全面的研究。在高寒沙地，通過(guò)植被恢復(fù)與重建，不僅能夠有效的防止沙化的蔓延，更能夠提高沙地生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能。當(dāng)前，諸多學(xué)者分別以中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、黃柳(Salixgordejevii)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、榆樹(shù)(Ulmuspumila)疏林、油蒿(Artemisiaordosica)為研究對(duì)象，對(duì)科爾沁、毛烏素、渾善達(dá)克沙地植被恢復(fù)過(guò)程中生物量與生產(chǎn)力的變化進(jìn)行了研究[7-10]，但圍繞海拔高、氣溫低的高寒沙地，針對(duì)典型固沙樹(shù)種固碳方面的報(bào)道較少。

烏柳(SalixcheilophilaSchneid.)為楊柳科柳屬多年生落葉灌木或小喬木，是我國(guó)特有種，其生命力較強(qiáng)且耐旱抗寒，主要分布于甘肅、西藏、青海、寧夏等地，尤其在環(huán)境惡劣的西部地區(qū)，發(fā)揮著重要的水土保持、防風(fēng)固沙的功能。當(dāng)前針對(duì)烏柳的報(bào)道主要圍繞在其群落特征以及水分生理特性等方面[11-12]，從生態(tài)服務(wù)角度出發(fā)，對(duì)其固碳功能的研究卻鮮有報(bào)道。在青海省海南州共和盆地，烏柳已成為該地區(qū)開(kāi)展植被恢復(fù)的典型樹(shù)種，表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善發(fā)揮著重要作用。在沙地生態(tài)系統(tǒng)中，至今未有相關(guān)報(bào)道。本文以高寒沙地植被恢復(fù)區(qū)不同林齡烏柳為研究對(duì)象，深入研究烏柳防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)特征，旨在探討高寒沙地開(kāi)展植被恢復(fù)過(guò)程中植被碳庫(kù)與土壤碳庫(kù)的變化，為系統(tǒng)評(píng)價(jià)沙地生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省海南州共和縣沙珠玉鄉(xiāng)，地處共和盆地中西部(100°45′—100°30′E，36°03′—36°30′N)，海拔2871—3870 m。屬高原溫帶半干旱草原和干旱荒漠草原的過(guò)渡帶，干旱、大風(fēng)、寒冷是其主要的氣候特點(diǎn)。年均溫2.4 ℃；年均降水量246.3 mm，且季節(jié)分配不均，干濕季明顯，降水主要集中在5—9月，年均潛在蒸發(fā)量1716.7 mm，年均大風(fēng)日數(shù)(風(fēng)速大于17 m/s)為50.6 d，沙塵暴平均為20.7 d，氣候異常干燥；其海拔高氣溫低的氣候條件決定了該地區(qū)高寒干旱的自然特征。在植被恢復(fù)區(qū)內(nèi)沙丘與丘間地交錯(cuò)分布，主要地貌類型為流動(dòng)沙丘、半流動(dòng)沙丘、固定沙丘、丘間低地。該區(qū)地帶性土壤類型有栗鈣土、棕鈣土，非地帶性土壤有風(fēng)沙土、草甸土等。

2 研究方法

野外取樣及樣地設(shè)置均在國(guó)家林業(yè)局青海共和荒漠生態(tài)定位觀測(cè)研究站植被恢復(fù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，選擇位于丘間低地的4個(gè)林齡(6、11、16、21a)烏柳林樣地進(jìn)行取樣，樣地特征見(jiàn)表1，同時(shí)選擇一塊造林前的丘間低地(ck，20m×20m)進(jìn)行對(duì)照研究。

表1 試驗(yàn)地基本特征Table 1 General situation of the experimental site

數(shù)值表現(xiàn)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(每個(gè)樣方標(biāo)準(zhǔn)株為4株), 同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P< 0.05)

2.1 不同林齡烏柳人工林生物量的測(cè)定

分別在各林齡烏柳林內(nèi)設(shè)置固定樣地，樣地面積均為20 m×20 m，同時(shí)在樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)10 m×10 m的樣方，在每木檢尺的基礎(chǔ)上，根據(jù)樹(shù)高、基徑和冠幅等測(cè)樹(shù)因子，在每個(gè)樣方內(nèi)分別選取生長(zhǎng)良好且與林分平均測(cè)樹(shù)因子相近的標(biāo)準(zhǔn)木4株。基徑(B)范圍包括了各林齡樣地內(nèi)所有樣木的大小。實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)株不同組分(樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉、樹(shù)皮)的鮮重，帶回實(shí)驗(yàn)室置于烘箱內(nèi)，80 ℃烘干至恒重，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)株樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉、樹(shù)皮不同組分的含水率，進(jìn)而換算成相應(yīng)的生物量(同時(shí)按不同組分獲得烘干樣品，進(jìn)行含碳率的測(cè)定)。在此基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)木的基徑(B)和生物量(W)建立相對(duì)生長(zhǎng)方程。

采用分層挖掘法進(jìn)行根系生物量的測(cè)定，當(dāng)前由于不同樹(shù)種根系在形態(tài)大小上都不同，甚至同一樹(shù)種在不同立地條件下也不同，對(duì)于細(xì)根劃分還并不明確，長(zhǎng)期以來(lái)大多數(shù)根系研究者按直徑大小將根系直徑小于或等于2 mm的根系劃為細(xì)根[13-15]。所以本文結(jié)合烏柳林根系剖面分布特征，記錄粗根(直徑d≥ 5.0 mm)、中根(2.0 mm

烏柳林生物量與基徑的相對(duì)生長(zhǎng)方程為：

W干=335.484B0.964(R2=0.9772)；W枝=88.156B1.094(R2=0.9413)

W葉=88.039B0.434(R2=0.9391)；W皮=68.273B0.518(R2=0.9182)

W根=131.875B1.173(R2=0.9767)

2.2 不同林齡烏柳人工林林下草本生物量測(cè)定

在每個(gè)樣地的對(duì)角線上離4個(gè)角各1 m處設(shè)置5個(gè)1 m×1 m 的記名樣方，進(jìn)行樣方調(diào)查。記錄每個(gè)小樣方內(nèi)草本植物的種類、高度、蓋度和密度，并統(tǒng)計(jì)各草本植物的科、屬、種。采用全挖實(shí)測(cè)法，分地上和地下部分測(cè)定其鮮重，同種植物相同器官取混合樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室80℃烘干至恒重。

2.3 土壤樣品的采集

在各標(biāo)準(zhǔn)株冠幅南緣用土鉆采集土壤樣品，每個(gè)樣點(diǎn)分0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—50 cm、50—100 cm、100—150 cm及150—200 cm七層進(jìn)行取樣。同一層土壤樣品四次重復(fù)，四分法取出足夠樣品，土壤樣品去除殘留的枯落物后，過(guò)0.25 mm篩(研磨后)，用于進(jìn)行土壤碳濃度的測(cè)定[18]。

2.4 各組分碳密度的測(cè)定以及碳庫(kù)的計(jì)算方法

不同林齡烏柳林各組分碳濃度采用重鉻酸鉀-水合加熱法進(jìn)行測(cè)定，各組分碳密度計(jì)算公式如下：

式中,pcd是植被碳密度，Bi是第i組分植被生物量(t/hm2)，ci是i組分的植被含碳率。

不同林齡烏柳林土壤有機(jī)碳密度計(jì)算公式如下[19]：

式中,SOC是土壤有機(jī)碳密度(t/hm2)，ECi是第i層的土壤有機(jī)碳含量，BDi是第i層的土壤容重(g/cm3)，Ti是第i層的土壤厚度(cm)

采用SAS9.2軟件PROC MIXED(混合線性模型)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，混合線性模型可不依賴方差分析表計(jì)算均方，而直接估算各項(xiàng)隨機(jī)效應(yīng)的方差分量。相關(guān)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean ± SD)來(lái)表示，同一因素不同水平間差異顯著性采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行檢驗(yàn)(顯著性水平P< 0.05)，采用Sigmaplot12.5軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏柳器官碳濃度

各林齡烏柳林各組分碳濃度變化情況如圖1所示。方差分析說(shuō)明不同林齡烏柳林同一組分碳濃度差異未達(dá)到顯著水平(P> 0.05)。6、11、16a和21a各器官碳濃度變化依次為：0.4105—0.5087 gC/g、0.4523—0.5342 gC/g、0.4514—0.5485 gC/g和0.4704—0.5992 gC/g。不同林齡粗根、中根、細(xì)根碳濃度變化規(guī)律不一致。各林齡根系含碳率變化范圍依次為0.4334—0.4690 gC/g、0.4328—0.4717 gC/g、0.4211—0.5030 gC/g和0.4563—0.4784 gC/g。

3.2 植被碳庫(kù)

烏柳林各組分碳貯量特征見(jiàn)表2。隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加，烏柳林各組分碳貯量呈增加趨勢(shì)。各林齡烏柳碳貯量分別為4.95、9.93、14.67 t/hm2和21.99 t/hm2。各組分碳庫(kù)分配比例情況見(jiàn)圖2。雖然烏柳林各組分碳貯量變化隨植被恢復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，但是各林齡不同組分碳庫(kù)的分配比例并不一致。6a烏柳樹(shù)干、樹(shù)根、樹(shù)枝、樹(shù)葉、樹(shù)皮各組分碳庫(kù)所占比例分別為36.96%、25.66%、22.42%、8.28%和6.66%。其他3個(gè)林齡，樹(shù)干碳貯量所占比例在50%左右，樹(shù)根碳貯量所占比例在20%上下，樹(shù)枝則占10%左右，樹(shù)皮和樹(shù)葉碳貯量所占林分碳貯量的百分比則不足10%。各林齡樹(shù)干碳貯量占林分碳貯量的百分比最高。

圖1 不同林齡烏柳人工林各組分碳濃度變化 Fig.1 Variation of carbon concentration of different components in different stand ages of S.cheilophila plantation

圖2 不同林齡烏柳人工林各組分碳庫(kù)分配比例 Fig.2 Carbon storage proportion of different stand ages in S.cheilophila plantation

表2 不同林齡烏柳人工林各組分碳庫(kù)特征 (t/hm2)Table 2 Carbon storage of different components in different stand ages of S.cheilophila plantation

不同大寫(xiě)字母表示同一組分不同林齡差異顯著, 不同小寫(xiě)字母表示同一林齡不同組分差異顯著 (P<0.05)

3.3 土壤有機(jī)碳濃度

各林齡烏柳林土壤有機(jī)碳濃度差異顯著(P< 0.05)，且同一林齡不同深度變化不同(圖3)。具體來(lái)說(shuō)，土壤表層隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加，16a與21a之間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，但是兩林齡顯著高于6a和11a(P< 0.05)，而11a與6a之間差異顯著(P< 0.05)，這也與10— 20 cm深度變化相同。20—30 cm各林齡之間差異顯著(P< 0.05)，21a烏柳林土壤有機(jī)碳濃度顯著高于其他林齡(P< 0.05)。30—50 cm，21a與16a之間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，但是顯著高于6a和11a(P< 0.05)，16a與6a之間差異亦顯著(P< 0.05)，但是與11a之間無(wú)顯著差異。50—100 cm，21a顯著高于6a(P< 0.05)但是與11a和16a之間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，而6、11a和16a之間差異亦不顯著(P> 0.05)。100—150 cm，16a與21a顯著高于6a和11a(P< 0.05)，但是兩者之間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，而11a亦顯著高于6a(P< 0.05)，這也與150—200 cm深度變化相同。

3.4 土壤碳庫(kù)

不同林齡烏柳土壤容重隨深度變化差異顯著(P< 0.05)，且同一林齡不同深度表現(xiàn)不同(圖4)。21a烏柳各深度土壤容重均低于其他林齡。隨植被恢復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)，土壤容重逐漸降低。

烏柳林土壤有機(jī)碳分布特征見(jiàn)表4?？傮w來(lái)說(shuō)，土壤碳庫(kù)隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加而增加，較之6、11a土壤碳庫(kù)增加26.78%，16a較之11a提高24.16%，21a較16a提高9.82%。同一深度不同林齡土壤有機(jī)碳密度總體差異顯著(P< 0.05)。由于在計(jì)算土壤有機(jī)碳庫(kù)時(shí)，50 cm以下土層每隔50 cm進(jìn)行取樣，故深層碳密度因取樣深度的增加有機(jī)碳的含量較高，但若平均到單層，土壤有機(jī)碳密度是很小的。具體來(lái)說(shuō)，在0—10 cm，21a顯著高于6a和11a(P< 0.05)，但是與16a無(wú)顯著差異(P> 0.05)，而16a亦高于6a和11a(P< 0.05)，這也與10—20 cm變化相同。20—30 cm，隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加，各林齡土壤碳庫(kù)均差異顯著(P< 0.05)。30—50 cm由于取樣深度達(dá)200 cm，所以整體有機(jī)碳庫(kù)有所增加，21a顯著高于6a和11a(P< 0.05)但是與16a無(wú)顯著差異(P> 0.05)，而16a、11a和6a之間亦無(wú)顯著差異(P> 0.05)。深層土壤有機(jī)碳庫(kù)也有顯著差異，50—100 cm，21a顯著高于6a(P< 0.05)，但是與11a和16a之間無(wú)顯著差異(P> 0.05)，而6a、11a和16a之間亦無(wú)顯著差異(P>0.05)。100—150 cm，21a顯著高于6a和11a(P< 0.05)但是與16a無(wú)顯著差異(P> 0.05)，而6a與11a之間差異亦顯著(P< 0.05)，這也與150—200 cm深度變化相同。

圖3 不同林齡烏柳人工林土壤有機(jī)碳濃度特征 (g C/kg)Fig.3 Carbon concentration of different depth in different stand ages of S.cheilophila plantation

圖4 不同林齡烏柳人工林土壤容重 (g/cm3)Fig.4 Soil bulk density of different depth in different stand ages at different soil depth

表4 不同林齡烏柳人工林土壤有機(jī)碳庫(kù)特征Table 4 Carbon storage of different depth in different stand ages of S.cheilophila plantation

不同大寫(xiě)字母表示同一深度不同林齡之間差異顯著(P<0.05)

3.5 生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)分配與凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力

隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加，不同林齡烏柳林碳庫(kù)變化特征見(jiàn)表5，各林齡碳庫(kù)分別為14.76、23.25、32.18 t/hm2和41.48 t/hm2。其中烏柳植被層碳庫(kù)分別為4.95、9.93、14.67 t/hm2和21.99 t/hm2；林下草本層碳庫(kù)分別為0.27、0.29、0.33、0.43 t/hm2；土壤層(0—200 cm)碳庫(kù)分別為9.54、13.03、17.18 t/hm2和19.05 t/hm2。各林齡植被層碳庫(kù)分別占該林齡總碳庫(kù)的33.54%、42.71%、45.59%和53.01%，各林齡土壤碳庫(kù)分別占該林齡總碳庫(kù)的64.63%、56.04%、53.39%和45.93%。而地被物層分別占該林齡碳庫(kù)的1.83%、1.25%、1.03%和1.03%。較之恢復(fù)前(ck)，各林齡碳庫(kù)分別增加57.05%、36.52%、27.75%和22.42%。烏柳林生態(tài)系統(tǒng)具有“碳匯”功能。據(jù)青海省治沙實(shí)驗(yàn)站的記載，植被恢復(fù)區(qū)烏柳造林總面積為223.2 hm2，按照各林齡生物量碳庫(kù)的平均值12.795 t/hm2進(jìn)行計(jì)算，則植被恢復(fù)區(qū)烏柳林固碳量為2855.844 Mg C。

6a、11a、16a和21a烏柳人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量隨林齡逐漸增加，各林齡凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力分別為2.46、2.11、2.01、1.98 tC hm-2a-1。植被恢復(fù)各階段年凈碳累積速率分別為1.41、1.70、1.79、1.86 tC hm-2a-1。各林齡生態(tài)系統(tǒng)碳貯量與植被恢復(fù)各階段的凈碳累積速率均逐漸增加。

表5 不同林齡烏柳人工林碳貯量的空間分布及變化(t/hm2)Table 5 Spatial distribution of carbon storage and variation in different stand ages of S.cheilophila

4 結(jié)論與討論

灌木是世界上分布最廣的植被類型之一，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，尤其是在高寒沙地，灌木是開(kāi)展生態(tài)恢復(fù)與防風(fēng)固沙的首選植被類型。植被的固碳功能是植物能量消耗與累積的主要體現(xiàn)之一，在各器官中的分配方式不僅僅受外界環(huán)境影響，同時(shí)也與林齡關(guān)系密切。不同林齡烏柳林各組分碳貯量不同，說(shuō)明在高寒沙地，烏柳在不同生長(zhǎng)階段能量積累能力不同，隨林齡的增加，能量在烏柳各器官的積累逐漸增加。

隨著烏柳林林齡的增加，各組分碳密度變化規(guī)律并不明顯。各器官碳濃度變化依次為：0.4105—0.5087 gC/g、0.4523—0.5342 gC/g、0.4514—0.5485 gC/g和0.4704—0.5992 gC/g。研究結(jié)果與相關(guān)學(xué)者對(duì)我國(guó)南方不同喬木類型各器官的碳密度變化范圍一致，大都在0.45—0.55 gC/g之間[20]。此外，不同林齡粗根、中根和細(xì)根碳濃度變化并不一致。對(duì)6a來(lái)說(shuō)，粗根含碳率較高，而11a細(xì)根碳密度較大，16a根系含碳率粗根>中根>細(xì)根，而21a中根>細(xì)根>粗根?？梢?jiàn)植被恢復(fù)的不同階段，根系碳密度的變化并不一致。不同林齡根系生物量的置信區(qū)間分別為(2.82 ± 0.15)t/hm2、(3.63 ± 0.11)t/hm2、(8.12 ± 0.62)t/hm2和(11.21 ± 0.55)t/hm2，根系的周轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致植被地下部分碳密度的變化[21]。隨生物量的增加，地下部分碳貯量亦逐漸增加。

再來(lái)看土壤有機(jī)碳的變化，不同林齡烏柳土壤有機(jī)碳濃度差異顯著(P< 0.05)，且同一林齡不同深度變化不同。土壤碳庫(kù)隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加而增加。在干旱半干旱區(qū)通過(guò)造林以及后續(xù)的改進(jìn)，輔以當(dāng)年凋落物的分解能夠使生態(tài)系統(tǒng)碳貯量增加，已經(jīng)得到廣泛的共識(shí)[22-23]。本文的研究與Su等人在半干旱區(qū)研究固沙灌木錦雞兒使土壤有機(jī)碳顯著增加的結(jié)果一致，也與Li等學(xué)者在科爾沁沙地對(duì)蒙古利亞松人工防護(hù)林進(jìn)行的研究一致[24-25]。而對(duì)于因土地利用方式改變而造成的土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化，不同地區(qū)不同學(xué)者也開(kāi)展了相應(yīng)的研究，人們?cè)诎⒏敫珊祬^(qū)發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)碳不受造林影響[26]，而還有學(xué)者在科爾沁沙地研究發(fā)現(xiàn)在沙質(zhì)草地進(jìn)行小葉楊造林后，土壤有機(jī)碳先減小并在15a以后才回到之前草地的水平[27]。此外，人們還發(fā)現(xiàn)的當(dāng)沙地草場(chǎng)轉(zhuǎn)化為森林后并不會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳的顯著增加，直到森林成熟時(shí)，才會(huì)發(fā)生變化[28]。所以不同地區(qū)土壤有機(jī)碳的變化與不同的生態(tài)系統(tǒng)以及所營(yíng)建的植被類型都密切相關(guān)。相關(guān)結(jié)果表明，土壤有機(jī)碳的積累在造林后前幾年會(huì)逐漸增加，而后增速逐漸減慢，并最終達(dá)到平衡[29], 由于本文只選擇4個(gè)林齡，對(duì)烏柳老齡林土壤有機(jī)碳庫(kù)特征需在今后的實(shí)驗(yàn)中展開(kāi)。

在海拔高氣溫低的高寒沙地，不僅僅在土壤表層，而在深層土壤，土壤有機(jī)碳隨著植被恢復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)，也發(fā)生著相應(yīng)的改變。這是根系與土壤交互作用的體現(xiàn)。在土壤異質(zhì)性較強(qiáng)的高寒沙地，土壤容重能夠影響土壤入滲、土壤環(huán)境以及植株的生長(zhǎng)，通過(guò)改變土壤結(jié)構(gòu)和機(jī)械組成來(lái)影響土壤有機(jī)質(zhì)和土壤有機(jī)碳含量的改變[30]。由于不同林齡烏柳林的根系隨植被恢復(fù)時(shí)間的增加呈深根性發(fā)展，而根系的生長(zhǎng)改變了土壤的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致了土壤容重發(fā)生了改變，而土壤容重對(duì)土壤有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量都會(huì)產(chǎn)生影響。以土壤容重作為解釋變量，土壤有機(jī)碳作為響應(yīng)變量，進(jìn)行線性回歸，土壤容重的變化顯著影響土壤有機(jī)碳含量，土壤有機(jī)碳含量與土壤容重之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，回歸方程可表示為：

y=39.129-22.187x(R2=0.247，P<0.001)

不同林齡烏柳林地上部分與地下部分碳庫(kù)隨植被恢復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)而增加。Woodwell對(duì)全球2.65×109hm2灌木林以及沙漠灌叢的植被碳貯量的估算結(jié)果為27.9 Pg C，平均碳密度為10.5 Mg C/hm2[31]。胡會(huì)峰等人對(duì)我國(guó)主要六種灌叢類型平均碳密度估算結(jié)果為10.88 Mg C/hm2[32]。不同灌叢類型之間碳密度差異較大，亞熱帶、熱帶酸性土常綠落葉闊葉灌叢碳密度達(dá)到17.00 Mg C/hm2，而熱帶海濱硬葉常綠闊葉灌叢碳密度為5.92 Mg C/hm2。本文對(duì)高寒沙地烏柳林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度計(jì)算結(jié)果為12.795 Mg C/hm2，略高于全球灌木林的平均值。較之我國(guó)六種典型灌木類型，沙地烏柳林的平均碳密度介于亞熱帶、熱帶酸性土常綠落葉闊葉灌叢和熱帶海濱硬葉常綠闊葉灌叢之間。各林齡烏柳林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)分別為14.76、23.25、32.18 t/hm2和41.48 t/hm2，主要由植被層、植被殘?bào)w以及土壤層組成。植被恢復(fù)各階段年凈碳累積速率分別為1.41、1.70、1.79、1.86 tC hm-2a-1。各林齡生態(tài)系統(tǒng)碳貯量與植被恢復(fù)各階段的凈碳累積速率均逐漸增加。烏柳林具有“碳匯”功能。

圖5 不同林齡不同深度烏柳人工林土壤有機(jī)碳與土壤容重的關(guān)系Fig.5 Relationship between SOC and BD of different stand ages of S.cheilophila plantation

在高寒沙地開(kāi)展植被恢復(fù)與重建，一方面有效的防止了沙化，另一方面增強(qiáng)了沙地生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能。干旱、半干旱地區(qū)沙地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能對(duì)未來(lái)氣候變化影響重大。而灌木是開(kāi)展植被恢復(fù)的主要植被類型，在碳循環(huán)過(guò)程中，灌木也被認(rèn)為是不確定的碳匯[33]，因此，對(duì)干旱半干旱地區(qū)灌叢植被的固碳功能進(jìn)行研究具有重要的意義。在高寒沙地開(kāi)展植被恢復(fù)與重建，有助于提高該地區(qū)的碳匯功能，同時(shí)為揭示沙地生態(tài)系統(tǒng)典型植被類型生物量和生產(chǎn)力，準(zhǔn)確的評(píng)估沙地生態(tài)系統(tǒng)碳源、碳匯以及固碳潛力提供科學(xué)依據(jù)。

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Changes of carbon pools of alpine sandySalixcheilophilashelterbelts with stand age

YU Yang1, JIA Zhiqing1,2,*, ZHU Yajuan1,2, LIU Yanshu1,2, LIU Haitao1, LI Qingxue1

1InsitituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2QinghaiGongheDesertEcosystemResearchStation,HainanTibetanAutonomousPrefecture813000,China

Re-vegetation is an effective way to eliminate the fragile ecosystems. Long-term vegetation restoration can promote the ecosystem services of the sandy land. In the present study,Salixcheilophila, a typical sand-fixing shrub species in the Gonghe Basin, Qinghai Province, was used to investigate the variations of biomass and carbon concentrations in different plant organs and soil depth. Meanwhile, the changes of carbon pools with different stand age (6-,11-,16-,and 21-year old,) were calculated during the re-vegetation process. Characteristics of carbon sequestration ofSalixcheilophilaplantation ecosystem were discussed. The results indicated that: (1) The total tree biomass increased with the increasing of stand ages. The carbon concentrations among each component showed no significant difference with the increment of restoration time (P>0.05), while the carbon storage increased significantly with stand ages (P<0.05). The proportions of carbon pools of different components varied in different stand ages. The carbon storage in the trunk took up the highest percentage compared with all the other components. The carbon storage of 6-, 11-, 16-, and 21-year old stand were 4.95, 9.93, 14.67 and 21.99 t/hm2, respectively. The variation of carbon density in different organs ranged from 0.4105 to 0.5087 gC/g for 6-year old stand, from 0.4523 to 0.5342 gC/g for11-year old stand, from 0.4514 to 0.5485gC/g for 16-year old stand, and from 0.4704 to 0.5992 gC/g for 21-year old plantation. The variations of carbon density among the coarse root, middle root and fine root were different in different stand ages. The root biomass of each stands was 2.82, 3.63, 8.12 and 11.21 t/hm2, respectively. The carbon storage underground also increased gradually with the increasing of biomass. (2) The soil organic carbon pools exhibited significant difference in the same depth of different ages (P<0.05). The soil carbon pools were 9.54, 13.03, 17.18 and 19.05 t/hm2, increased with the restoration time. The soil carbon pools of 11-year old stand increased 26.78% compared to the 6-year old stand; the 16-year old stand increased 24.16% compared to the 11-year old stand; and the 21-year old stand increased 9.82% compared to the 16-year old stand. The carbon storage of litter layers were 0.27, 0.29, 0.33 and 0.43 t/hm2for each stands, respectively. The ecosystem carbon pools were 14.76, 23.25, 32.18 and 41.48 t/hm2for each stands. (3) The vegetation layer accounted for 33.54%, 42.71%, 45.59% and 53.01% of the total carbon pools; the soil layer accounted for 64.63%, 56.04%, 53.39% and 45.93% and the litter layer accounted 1.83%, 1.25%, 1.03% and 1.03%, respectively. (4) The carbon pools increased 57.05%, 36.52%, 27.75% and 22.42% compared with those before re-vegetation. The net carbon accumulation rates were 1.41, 1.70, 1.79 and 1.86 tC hm-2a-1. As a result, the artificial shelterbelt ofS.cheilophilaplantation could be considered as a “carbon sink”. The study may provide scientific references for sustainable shelterbelts resource management and carbon sink shrubland development during vegetation restoration in the fragile alpine sandy ecosystem.

Salixcheilophila; alpine sandy; carbon concentration; carbon storage; stand age; carbon sink

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201204203)

2013-05-27;

日期:2014-07-18

10.5846/stxb201305271202

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Jiazq@caf.ac.cn

于洋, 賈志清, 朱雅娟, 劉艷書(shū), 劉海濤, 李清雪.高寒沙地烏柳防護(hù)林碳庫(kù)隨林齡的變化.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(6):1752-1760.

Yu Y, Jia Z Q, Zhu Y J, Liu Y S, Liu H T, Li Q X.Changes of carbon pools of alpine sandySalixcheilophilashelterbelts with stand age.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1752-1760.