黃土高原中西部刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及其影響因子

牛春梅,關(guān)晉宏,程然然,李國慶,吳春榮,程積民,杜 盛,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,楊凌 712100 3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 4 甘肅省治沙研究所,蘭州 730000

黃土高原中西部刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及其影響因子

牛春梅1,2,關(guān)晉宏1,程然然2,3,李國慶2,3,吳春榮4,程積民2,3,杜 盛2,3,*

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,楊凌 712100 3 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 4 甘肅省治沙研究所,蘭州 730000

為闡明黃土高原中西部刺槐人工林碳密度區(qū)域分布特征及其主要影響因子,基于野外樣地調(diào)查和室內(nèi)樣品分析估算了黃土高原中西部4個栽培區(qū)域的刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及其分布特征,并利用相關(guān)性分析和主成分分析分析了影響生態(tài)系統(tǒng)碳密度的主要因子(林分、地形、土壤和氣候等)。結(jié)果表明：調(diào)查區(qū)5個林齡的刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量為34.13—133.08 t/hm2,不同區(qū)域之間各組分生物量存在顯著性差異。植被層平均碳含量為221.93—454.67 g/kg,總體上表現(xiàn)為喬木層平均碳含量高于灌、草層,枯落物層平均碳含量最低,不同區(qū)域喬木、灌木、草本平均碳含量均存在顯著性差異。刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度均值為106.86 t/hm2,其中土壤層碳密度占刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度的64.09%,是刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的主要組成部分。植被層碳密度為38.68 t/hm2,其中喬木層碳密度(33.88 t/hm2)占植被層碳密度的87.58%,灌木、草本、枯落物所占比例依次為1.98%(0.77 t/hm2)、2.00%(0.77 t/hm2)、8.43%(3.26 t/hm2)。不同區(qū)域土壤、生態(tài)系統(tǒng)碳密度均存在顯著性差異。相關(guān)性分析和主成分分析表明,刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與林齡、降水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與林分密度、平均氣溫、海拔和坡度的相關(guān)關(guān)系不顯著,上述林分因子、地形因子和環(huán)境因子轉(zhuǎn)化的主成分方差累積貢獻率為91.07%,其中林齡和降水量是影響刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的主要因子,方差貢獻率為37.22%。

黃土高原中西部；刺槐人工林；碳密度；生物量

在全球氣候變化背景下,大氣CO2的吸收與排放已成為許多學(xué)科的研究熱點之一。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,對大氣CO2的吸收、固定和循環(huán)發(fā)揮著重要作用[1- 4]。近年來,隨著退耕還林等生態(tài)工程的實施,人工林得到迅速發(fā)展,我國已成為世界人工林面積最大的國家[5],針對人工林碳匯功能的關(guān)注度也日益增加[6]。因此,對人工林生態(tài)系統(tǒng)碳固存及其影響因子的研究,對于合理評估人工林生態(tài)系統(tǒng)長期生產(chǎn)力以及開展有效的經(jīng)營管理以提高其綜合服務(wù)功能具有重要意義。

黃土高原中西部地區(qū)橫跨干旱、半干旱和半濕潤氣候區(qū),是我國生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域之一,植被恢復(fù)多以保持水土和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境為主要目的。近年來,除了水土保持功能之外,半干旱地區(qū)人工植被特別是人工林生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能也受到廣泛關(guān)注[7-8]。關(guān)于黃土高原地區(qū)森林固碳的研究有部分學(xué)者進行過報道[9- 10],劉迎春等[11]對黃土丘陵區(qū)不同樹種間碳儲量及固碳潛力進行了比較,艾澤民等[12]研究了黃土丘陵區(qū)不同林齡刺槐人工林碳氮儲量及分配格局,孟蕾等[13]、楊曉梅等[14]都對黃土高原子午嶺區(qū)森林碳儲量與碳密度進行了估算,但相關(guān)研究多是針對較小尺度的某一林區(qū)展開的,且對森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的分配特征方面的研究較多,而對較大尺度上生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間變化特征及其與林分和環(huán)境因子間關(guān)系的研究相對較少。這在一定程度上制約了較大區(qū)域尺度上森林碳密度估算的準確性與可靠性。因此,需要開展更多基于區(qū)域尺度樣地調(diào)查的精確參數(shù)來減小碳密度估算結(jié)果的不確定性。在研究內(nèi)容上,本研究不僅對森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度進行了估算,而且從地形、環(huán)境、林分等方面對影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的因素進行研究,以全面精確地估算黃土高原中西部森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。

刺槐(Robiniapseudoacacia)是黃土高原的主要造林樹種,其人工林廣泛分布于半濕潤和半干旱地區(qū),甚至在干旱地區(qū)也有栽培,在水土保持和生態(tài)防護方面起著重要作用[15]。研究刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及其影響因子,有利于深入了解黃土高原人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲存能力。本研究以黃土高原中西部4個栽培區(qū)域的刺槐人工林為研究對象,分析其碳密度特征及主要影響因子,為深入了解整個黃土高原地區(qū)人工林碳固存及人工林經(jīng)營管理提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省白銀市靖遠縣、平?jīng)鍪袥艽h、慶陽市正寧縣中灣林場和陜西省延安市公路山林地4個區(qū)域。靖遠縣位于甘肅省中部(36°—37°15′ N,104°13′—105°15′ E),屬溫帶干旱半干旱氣候,海拔1300—3017 m,年均溫9°C左右,年降水量228.7 mm。涇川縣位于甘肅省東部(34°59′—35°18′ N,107°38′—107°58′ E),屬暖溫帶半干旱氣候,海拔950—1225 m,年均溫10.6°C,年降水量584.1 mm。中灣林場地處黃土高原中部子午嶺區(qū)南段(35°17′ N,108°27′ E),屬溫帶半濕潤氣候,海拔1246—1756 m,年均溫9.2°C,年降水量609.7 mm。延安市公路山(36°25′ N,109°32′ E)屬溫帶半干旱氣候,海拔1245—1395 m,年均溫10.3 ℃,年降水量516 mm。調(diào)查區(qū)內(nèi)樣地優(yōu)勢樹種均為刺槐,林下有稀疏的草本植物,主要有大披針苔草(Carexlanceolata)、披堿草(Elymusdahuricus)、三褶脈紫菀(Asterageratoides)、廣布野豌豆(Vicialilacina)、蛇莓(Duchesneaindica)、鐵桿蒿(Artemisiasacrorum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 調(diào)查樣地設(shè)置

2011年和2012年,在刺槐人工林分布較廣的4個區(qū)域內(nèi)設(shè)置標準樣地14塊,其中白銀2塊、慶陽3塊、延安3塊、平?jīng)?塊,位于平?jīng)龅?塊樣地按林齡又分為平?jīng)?(中齡林組,3塊)和平?jīng)?(成熟林組,3塊)。原則上樣地面積設(shè)置為20 m×50 m,但由于地形破碎等原因,部分樣地面積設(shè)置為20 m×30 m。利用GPS確定每個樣地的位置,并記錄每個樣地的海拔、坡度等地形因子以及林分密度等林分因子,利用生長錐法測定林分年齡,利用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)站獲取各研究區(qū)域年均溫(AMT)、年降水量(MAP)(1981—2010)等環(huán)境因子數(shù)據(jù),所選樣地基本信息情況見表1。

1.2.2 樣地調(diào)查及植被層生物量測定

喬木生物量測定：對標準樣地內(nèi)DBH≥2 cm的喬木每木檢尺,記錄其胸徑(cm)和樹高(m),并按大中小徑級選擇3—5株樣木,分葉、枝、干、根采集植物樣品,將相同器官的樣品混合,再取各器官混合樣(不少于300 g)帶回實驗室。刺槐喬木生物量根據(jù)森林固碳課題辦公室提供的異速生長方程[16]進行計算,由胸徑和樹高求得樣地每株刺槐各器官生物量,各器官生物量之和為喬木單株總生物量,根據(jù)樣地所有喬木單株生物量之和求得樣地喬木總生物量(kg)并轉(zhuǎn)換為單位面積生物量(t/hm2)。

式中,WS為喬木干生物量(kg)；WB為喬木枝生物量(kg)；WL為喬木葉生物量(kg)；WR為喬木根生物量(kg)；D為單株喬木胸徑(cm)；H為單株喬木高度(m)。

灌木、草本和枯落物生物量的測定：在每個樣地內(nèi)沿對角線設(shè)置3個2 m×2 m灌木樣方,記錄灌木種類后,將樣方內(nèi)所有灌木全部收獲,分葉、枝和根稱鮮重并取樣。草本的調(diào)查方法與樣方設(shè)置(1 m×1 m)與灌木相同,草本分地上和地下部分稱鮮重并取樣?？萋湮镎{(diào)查則將草本樣方內(nèi)枯落物全部收獲后稱鮮重并取樣。將采集的灌木、草本和枯落物樣品帶回實驗室,置于85°C烘箱烘干至恒重,測定其含水率。根據(jù)各器官含水率換算為其干質(zhì)量求得灌木、草本各器官及枯落物生物量。

表1 樣地基本概況

土壤調(diào)查采用剖面法：在調(diào)查樣地內(nèi)挖土壤剖面,深至100 cm。沿剖面按0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm,30—50 cm,50—100 cm不同深度,用環(huán)刀取各個土層的原狀土,帶回實驗室置于105°C烘箱烘干至恒重,計算各土層土壤容重。在樣地的坡上、坡中、坡下,使用內(nèi)徑為6 cm的土鉆,按照上述五個層次每層隨機取3鉆土,同一土層混合為一個樣品后帶回實驗室,用于土壤有機碳含量測定。

1.2.3 碳含量測定

將帶回實驗室的植物樣品烘干至恒重,磨碎過0.25 mm篩,裝塑封袋保存待測。土壤樣品帶回室內(nèi)陰涼處自然風(fēng)干,研磨后過2 mm篩(將大于2 mm的礫石單獨稱重),再用四分法取部分樣品研磨過0.25 mm篩,裝袋標記后備測。植物樣品和土壤樣品碳含量測定均采用重鉻酸鉀-硫酸氧化外加熱法。

1.2.4 碳密度計算

生態(tài)系統(tǒng)總碳密度為喬木、灌木、草本、枯落物和土壤各層碳密度之和。喬木層碳密度根據(jù)喬木各器官生物量乘以相應(yīng)碳含量進行計算。灌木層碳密度根據(jù)灌木各器官生物量乘以對應(yīng)碳含量進行計算。草本層碳密度根據(jù)地上和地下部分生物量乘以相應(yīng)碳含量進行計算?？萋湮飳犹济芏雀鶕?jù)枯落物層生物量乘以其碳含量進行計算。土壤有機碳密度(SOCD,t/hm2)計算公式為：

式中,Ci為第i層土壤有機碳含量(g/kg),BDi為該層土壤平均容重(g/cm3),Di為該層土壤厚度(cm),Ri為直徑>2 mm的石礫所占百分比(%),由于研究區(qū)域礫石含量較少,因此Ri為0。

1.2.5 平均碳含量計算

采用生物量加權(quán)平均法計算植被層各組分平均碳含量。計算喬木層各器官生物量比例,按各器官碳含量與其對應(yīng)生物量比例相乘計算喬木層平均碳含量。計算灌木層各器官生物量比例,按各器官碳含量與其對應(yīng)生物量比例相乘計算灌木層平均碳含量。根據(jù)草本層地上、地下部分碳含量與其對應(yīng)生物量比例相乘求得草本層平均碳含量。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010和SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差數(shù)法(LSD)進行差異顯著性檢驗,采用Pearson法進行相關(guān)性分析,對影響生態(tài)系統(tǒng)碳密度的因子進行主成分分析。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量

黃土高原中西部刺槐人工林總生物量在34.13—133.08 t/hm2之間,4個區(qū)域生物量之間存在顯著差異(P<0.05)(表2),這可能由于各地區(qū)氣候和林分特性存在差異。喬木層是生物量的主體,占總生物量的69.32%—85.60%,不同區(qū)域喬木層生物量表現(xiàn)為：延安(109.14 t/hm2)>慶陽(103.01 t/hm2)>平?jīng)?(92.25 t/hm2)>平?jīng)?(31.65 t/hm2)>白銀(26.72 t/hm2)。白銀和平?jīng)?樣地喬木層生物量顯著低于其他樣地,這可能與這2個樣地的刺槐人工林多為幼、中齡林有關(guān)。在研究區(qū)內(nèi)只有平?jīng)?、平?jīng)?、延安樣地中有灌木,灌木層生物量最大值出現(xiàn)在平?jīng)?樣地。不同區(qū)域草本層、枯落物層生物量之間差異顯著(P<0.05)。

表2 各研究區(qū)域刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量/(t/hm2)

同列不同小寫字母表示不同研究區(qū)域間差異顯著(α=0.05)

2.2 不同區(qū)域刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳含量

黃土高原中西部刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分(枯落層除外)平均碳含量在4個區(qū)域(灌木為2個區(qū)域)間差異顯著(P<0.05)(表3)。喬木層平均碳含量大小順序為：延安(454.67 g/kg)>白銀(434.89 g/kg)>慶陽(430.53 g/kg)>平?jīng)?(430.06 g/kg)>平?jīng)?(429.56 g/kg)。灌木層平均碳含量以平?jīng)?樣地最高,平均為434.42 g/kg,是平?jīng)?樣地的1.47倍。不同區(qū)域草本層、枯落物層平均碳含量分布范圍分別為259.89—339.06 g/kg和221.93—315.81 g/kg。草本層、枯落物層平均碳含量的最大值分別出現(xiàn)在延安樣地(339.06 g/kg)和慶陽樣地(315.81 g/kg)?？傮w上表現(xiàn)為喬木層平均碳含量高于灌、草層,枯落物層平均碳含量最低,這可能是由于部分枯落物進入分解或半分解狀態(tài)。

表3 各研究區(qū)域刺槐人工林平均碳含量/(g/kg)

2.3 不同區(qū)域刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度

黃土高原中西部刺槐人工林生物量碳密度在17.04—58.82 t/hm2之間,不同區(qū)域大小順序依次為：延安(58.82 t/hm2)、慶陽(51.90 t/hm2)、平?jīng)?(44.35 t/hm2)、白銀(19.75 t/hm2)、平?jīng)?(17.04 t/hm2)(圖1)。喬木層碳密度與生物量碳密度的大小順序一致。灌木層碳密度以延安樣地(2.15 t/hm2)最高,其次為平?jīng)?樣地(0.14 t/hm2),最低的為平?jīng)?樣地,僅為0.02 t/hm2。草本層碳密度大小順序為：慶陽(1.46 t/hm2)>白銀(1.37 t/hm2)>延安(0.69 t/hm2)>平?jīng)?(0.22 t/hm2)>平?jīng)?(0.13 t/hm2)。枯落物層碳密度在不同區(qū)域大小順序依次為：慶陽(5.40 t/hm2)、平?jīng)?(4.41 t/hm2)、平?jīng)?(3.21 t/hm2)、延安(2.73 t/hm2)、白銀(0.56 t/hm2)。

圖1 各研究區(qū)域刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)不同組分碳密度Fig.1 Carbon density in different components of Robinia pseudoacacia plantation ecosystem in each study area

黃土高原中西部刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度為67.94—135.91 t/hm2,平均碳密度為106.86 t/hm2(圖1)。土壤碳密度為48.39—91.57 t/hm2,占生態(tài)系統(tǒng)總碳密度的54.83%—74.93%(圖1)。土壤層碳密度在不同區(qū)域大小順序依次為：平?jīng)?(91.57 t/hm2)、慶陽(80.19 t/hm2)、延安(71.40 t/hm2)、平?jīng)?(50.91 t/hm2)、白銀(48.39 t/hm2)。其中,白銀和平?jīng)?與平?jīng)?、延安、慶陽3個樣地差異顯著(P<0.05)。生態(tài)系統(tǒng)碳密度與土壤碳密度在不同樣地順序一致,其中平?jīng)?、延安和慶陽3個樣地之間,白銀和平?jīng)?之間差異不顯著(P>0.05),白銀和平?jīng)?與這3個樣地有顯著性差異(P<0.05)。平?jīng)?樣地生態(tài)系統(tǒng)碳密度(135.91 t/hm2)是白銀樣地(67.94 t/hm2)的2倍。不同組分碳密度均值大小排序為：土壤層(68.49 t/hm2)>喬木層(33.88 t/hm2)>枯落物層(3.26 t/hm2)>灌木層(0.77 t/hm2)和草本層(0.77 t/hm2)。

2.4 刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響因子

刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度隨林齡增大而顯著增大,隨林分密度變化趨勢不明顯(圖2)。相關(guān)分析結(jié)果表明：刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與林齡間存在極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01,R2=0.7081),與林分密度間無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05,R2=0.0084)。刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度隨降水量增大而增大,隨溫度變化趨勢不明顯(圖2)。相關(guān)分析結(jié)果表明：刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與降水量間存在顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05,R2=0.3103),與溫度間無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05,R2=0.0017)。

對刺槐人工林碳密度與海拔、坡度做相關(guān)分析,結(jié)果表明：刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與海拔、坡度間均無顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.05)。這可能與研究區(qū)域的海拔和坡度梯度不明顯有關(guān)。

圖2 刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與林齡,林分密度,年均溫,年降水量之間的關(guān)系Fig.2 The relationship between ecosystem carbon density and stand age, stand density, AMT, MAP

2.5 刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度影響因子的主成分分析

對影響刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的林分因子(林齡和林分密度)、地形因子(海拔和坡度)和環(huán)境因子(年均溫和年降水量)進行主成分分析。通過表4可以看出,在特征值大于1的三個主分量中,第一主成分主要綜合了林齡、降水量對生態(tài)系統(tǒng)碳密度的影響,方差貢獻率為37.22%；第二主成分則綜合了海拔和溫度的變異信息,方差貢獻率為34.74%；第三主成分主要綜合坡度的信息,方差貢獻率為19.10%；上述三個主分量的總方差貢獻率達到91.069%,說明前三個主成分能反映林分因子、地形因子和環(huán)境因子對刺槐人工林碳密度影響效應(yīng)的絕大部分信息。第一主成分的方差貢獻率最大,說明林齡、降水量對生態(tài)系統(tǒng)碳密度起主要的影響作用,其他因子的影響作用相對較小。

表4 刺槐人工林碳密度影響因子主成分的特征值和貢獻率

3 結(jié)論與討論

3.1 刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層碳含量

研究結(jié)果表明,黃土高原中西部刺槐人工林植被層平均碳含量為221.93—454.67 g/kg,總體上表現(xiàn)為喬木層碳含量高于灌、草層,枯落物層碳含量最低,這可能是由于部分枯落物進入分解或半分解狀態(tài)?？梢娙舨捎?00 g/kg或450 g/kg作為植被生物量與其碳儲量之間的換算系數(shù)[17- 19],將在一定程度上高估該地區(qū)碳密度。刺槐人工林喬木層平均碳含量(435.94 g/kg)低于該地區(qū)遼東櫟碳含量(441.74 g/kg)[20]和油松碳含量(503.80 g/kg)[15],這說明該地區(qū)刺槐人工林的碳吸存能力較弱。調(diào)查區(qū)刺槐人工林喬木層平均碳含量高于熱帶半干旱氣候區(qū)植被碳含量(373.50 g/kg)[21],但卻低于我國南亞熱帶森林植被碳含量的估計值(531.33 g/kg)[22]。這一方面是由于不同樹種碳吸附能力不同,另一方面不同區(qū)域環(huán)境下的植被接受到的水熱條件存在差異。因此,在不同的地區(qū)和植被類型下使用相應(yīng)的碳含量才能夠減小估算誤差,更加精確地估算植被碳密度。

3.2 刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳密度

研究結(jié)果表明,喬木層與土壤層為刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的主體,分別占生態(tài)系統(tǒng)碳密度的20.01%—40.90%和54.83%—74.93%。本研究區(qū)刺槐人工林植被層碳密度總體均值為38.68 t/hm2,略低于李?？萚23]估算的西北地區(qū)植被碳密度(42.82 t/hm2)以及方精云等[24]估算的我國森林植被碳密度(41.00 t/hm2),但是卻遠低于世界森林碳密度平均值(86.00 t/hm2)[25]；土壤碳密度平均值為68.49 t/hm2,遠低于中國森林土壤碳密度平均水平(193.55 t/hm2)[26]和世界森林土壤碳密度平均水平(189.00 t/hm2)[25]。土壤碳密度約為植被碳密度的2.02倍,該數(shù)值與全球森林土壤碳密度與植被碳密度的比值接近(約為2.2倍)[26]。黃土高原中西部刺槐人工林植被層、土壤層均低于全國平均水平,這主要由于：一方面本研究區(qū)的刺槐人工林平均林齡為14—50 a,成熟林和過熟林占的比重較小,故各組分碳密度較?。涣硪环矫纥S土高原中西部地區(qū)年降水量少且相對集中,易形成嚴重的水土、養(yǎng)分流失,土壤貧瘠,同時植被生長面臨著嚴重的水分脅迫,林分立地質(zhì)量較差。

黃土高原中西部刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度隨林齡增加而增加,與Li等[29]關(guān)于黃土高原刺槐碳密度隨林齡變化的研究結(jié)果以及Pregizer等[30]關(guān)于全球森林與林齡的研究結(jié)果一致,說明黃土高原中西部刺槐人工林現(xiàn)階段仍具有一定的固碳潛力。植被層碳密度在中幼齡林中最小(25a,17.04 t/hm2),其次是成熟林(50a,44.35 t/hm2),而在近熟林達到最大值(36a,58.82 t/hm2),這可能是由于在該區(qū)域,刺槐生長受到水分限制,成熟林中普遍存在頂梢枯死及“小老樹”現(xiàn)象[27]；土壤層碳密度隨林齡的增加而增加(從14a的48.39 t/hm2到50 a的91.57 t/hm2),與Foote等[28]關(guān)于土壤碳儲量與林齡關(guān)系的研究結(jié)果一致,表明在刺槐林達到成熟林過程中,土壤可作為穩(wěn)定的碳庫存在；生態(tài)系統(tǒng)碳密度隨林齡增加而增加。因此,在該地區(qū)刺槐人工林的經(jīng)營管理中,應(yīng)加強對幼中齡林的撫育,同時對成熟林適時、合理間伐,以提高該地區(qū)林木的固碳能力和經(jīng)濟效益。

3.3 刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度影響因子

森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境因子之間彼此聯(lián)系,且交互在一起影響著生態(tài)系統(tǒng)碳密度,對單個環(huán)境因子的分析不足以解釋生態(tài)系統(tǒng)碳密度的控制機制[30]。本研究結(jié)果表明：刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與林齡、降水量均呈顯著正相關(guān)(P<0.01,P<0.05)(圖2),與Li等[29,31]的研究結(jié)果一致。研究區(qū)刺槐人工林林齡介于14—50 a之間,植被處于生長期,隨林齡增加,土壤碳密度逐漸積累。生態(tài)系統(tǒng)碳密度隨林齡增加不斷增大,說明黃土高原中西部刺槐人工林在不同林齡階段均存在持續(xù)固碳的潛力。生態(tài)系統(tǒng)碳密度與降水量之間存在相關(guān)關(guān)系[32],本研究區(qū)域的降水量范圍是200—610 mm,基本不能滿足植物生長發(fā)育的需要,所以降水量是該地區(qū)碳密度的主要限制因子。

生態(tài)系統(tǒng)碳密度隨林分密度的變化趨勢不顯著(圖2),可能是因為研究樣本數(shù)偏小,尚無法完全客觀的反映出碳密度隨林分密度變化的規(guī)律。而由于本研究的區(qū)域跨度較小,溫度梯度變化不大,在該研究區(qū)溫度不是制約刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的主要因子(圖2),更有可能是和其他因子共同作用影響生態(tài)系統(tǒng)碳密度,所以溫度不應(yīng)作為單獨的影響因子來考慮[33]。

海拔是導(dǎo)致土壤有機碳密度變異的主導(dǎo)因子[34],對碳密度的影響主要是通過水熱條件的改變間接實現(xiàn)；坡度通過對土壤水分和養(yǎng)分的分配以及林冠層接受光照的面積影響生態(tài)系統(tǒng)碳密度。本研究區(qū)域內(nèi),刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與地形因子(海拔、坡度)無顯著相關(guān)關(guān)系,這可能有兩方面原因：一方面研究區(qū)域的海拔(1073—1642 m)、坡度變化范圍不大；另一方面可能是其他影響因子的作用掩蓋了地形因子的作用,主成分分析表明：林齡、降雨量是影響黃土高原中西部刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的主要因子。另外,刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)不僅包括土壤層還包括植被層,而地形因子對植被層的影響相對較小。

不同區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的差異是溫度、水分等環(huán)境因子與林分密度、林齡等林分因子以及海拔、坡度等地形因子綜合作用的結(jié)果。因此在進行較大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的研究時,應(yīng)綜合考慮地形、環(huán)境因子、林分因子以及人為管理因素等。

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EcosystemcarbondensityofRobiniapseudoacaciaplantationsandinfluencingfactorsinthemiddleandwesternLoessPlateau

NIU Chunmei1,2, GUAN Jinhong1, CHENG Ranran2,3, LI Guoqing2,3, WU Chunrong4, CHENG Jimin2,3, DU Sheng2,3,*

1CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China2StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingonLoessPlateau,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China3InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China4GansuDesertControlResearchInstitute,Lanzhou730000,China

Plantations are believed to be a mitigating measure against the predicted rising CO2levels. As important carbon sinks,Robiniapseudoacaciaplantations have been planted extensively on the Loess Plateau owing to the ability of this species to adapt to different soil and climatic conditions and its tolerance to drought and erosion. However, little is known regarding the efficiency ofR.pseudoacaciaregarding biomass allocation, ecosystem carbon density partitioning, and factors influencing these aspects, especially in different planted regions. Thus, the objective of the present study was to investigate the ecosystem carbon density ofR.pseudoacaciaplantations and evaluate their relationship with different influencing factors in diverse planted regions. In the present study, a set of 14 sample plots were established in 4 major planted areas ofR.pseudoacaciaplantations (Baiyin, Pingliang, Yan′an, and Qingyang) in the middle and western Loess Plateau, China. Field investigations and laboratory analyses were undertaken to quantify the ecosystem carbon density and analyze its influencing factors. The main results are that the average biomass in the plantation ecosystems of five different age groups was 34.13—133.08 t/hm2and the average carbon concentration of the vegetation pool was 221.93—454.67 g/kg. The average biomass in different components was significantly different among the four distribution regions, as were the average carbon concentrations of arbor layer, shrub layer, and herb layer. The carbon concentrations in the different components were in the order of: arbor layer (435.94 g/kg) > shrub layer (365.19 g/kg) > herb layer (310.53 g/kg) > litter layer (264.08 g/kg). The average carbon density of the studied ecosystems was 106.86 t/hm2. The proportion of soil layer carbon density was 64.09%, and soil layer carbon density was the major constituent of the carbon density of the ecosystem. The carbon density of the vegetation layer was 38.68 t/hm2. The carbon density of the arbor layer was 33.88 t/hm2, which accounted for 87.58% of the vegetation layer carbon density. The carbon density of the shrub layer, herb layer, and litter layer were 0.77 t/hm2, 0.77 t/hm2, and 3.26 t/hm2, respectively, which accounted for 1.98%, 2.00%, and 8.43% of the vegetation layer, respectively. Soil organic carbon density and ecosystem carbon density were all significantly different among the four regions. Correlation analysis indicated that ecosystem carbon density was positively correlated with stand age and precipitation. In contrast, its relationships with forest stand density, slope gradient, elevation, and annually mean temperature were not statistically significant. Principal component analysis indicated that stand age and precipitation were the first principal component affecting ecosystem carbon density; elevation and annually mean temperature were the second principal component; and the slope gradient was the third principal component. These variables accounted for 91.07% of the variance of ecosystem carbon density. The effect of different factors on ecosystem carbon density was discrepant. Stand age and precipitation were the primary factors affecting ecosystem carbon density. The differences in forest ecosystem carbon density were due to the combined effects of climate, topography, forest stand factors, and management. Therefore, these influencing factors need to be considered when using forest-investigated data to estimate forest ecosystem carbon stock, especially at larger scales.

middle and western Loess Plateau;Robiniapseudoacaciaplantations; carbon density; biomass

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項資助項目(XDA05050202)

2016- 04- 29; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 22

10.5846/stxb201604290824

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shengdu@ms.iswc.ac.cn

牛春梅,關(guān)晉宏,程然然,李國慶,吳春榮,程積民,杜盛.黃土高原中西部刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)碳密度及其影響因子.生態(tài)學(xué)報,2017,37(15):5049- 5058.

Niu C M, Guan J H, Cheng R R, Li G Q, Wu C R, Cheng J M, Du S.Ecosystem carbon density ofRobiniapseudoacaciaplantations and influencing factors in the middle and western Loess Plateau.Acta Ecologica Sinica,2017,37(15):5049- 5058.