甘肅亞高山云杉人工林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量動態(tài)和分配格局

岳軍偉,關(guān)晉宏,鄧 磊,張建國,李國慶,,杜 盛,,*

1 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,楊凌 712100 3 青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院,西寧 810016 4 黃河水利委員會黃河上中游管理局,西安 710021 5 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

通過人工造林提高區(qū)域植被碳固存能力作為應(yīng)對氣候變化的措施之一已被廣泛接受[1]。人工林正逐步成為世界森林資源的關(guān)鍵組分,并在維持全球碳循環(huán)和緩解大氣CO2濃度上升方面起著重要作用。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)發(fā)布的2010年全球森林資源評估報告指出,全球人工林面積為2.64×108hm2,人工造林是許多地區(qū)森林面積增加的主要途徑,歐洲地區(qū)過去10年間森林面積凈增加量約一半是由人工林造林所貢獻(xiàn)的[2]。在我國20世紀(jì)末的后20年里,由人工林增加帶來的碳匯增量為4.5×108t[3],貢獻(xiàn)了約80%的森林碳匯增量,是森林碳匯增量主要貢獻(xiàn)者[4]。人工造林被認(rèn)為是抵消甚至逆轉(zhuǎn)因森林采伐導(dǎo)致的碳排放,實(shí)現(xiàn)碳積累的有效途徑[5]。

森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程會受到其他養(yǎng)分元素的制約,氮是其中主要的制約因素之一[6]。有研究表明,氮素輸入增加會在短期內(nèi)提高幼齡林的碳儲量,但是長期氮素輸入對生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量增加效應(yīng)并不明顯,甚至?xí)档推渖a(chǎn)力和碳儲量[7]。碳、氮在植物體內(nèi)的分配格局反映了植物對周圍環(huán)境資源的利用能力,它們在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程中相互作用,對生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、固碳潛力以及穩(wěn)定性都有著至關(guān)重要的作用[8]。要理解和預(yù)測這種作用,首先需要量化不同地區(qū)不同森林生態(tài)系統(tǒng)的碳、氮儲量及其在不同組分中的分配格局[9]。

云杉(Piceaasperata)主要分布在陜西西南部(鳳縣)、甘肅東部(兩當(dāng))及白龍江流域、洮河流域、四川岷江流域上游及大小金川流域[10]。云杉是中國西部和西南亞高山地區(qū)地帶性植被的建群種,也是甘肅人工造林的主要樹種之一,第七次全國森林資源清查統(tǒng)計顯示甘肅的云杉人工林面積約4.99×104hm2。甘肅亞高山云杉人工林對白龍江流域水源涵養(yǎng)和生態(tài)多樣性保育起著重要作用,也是保障西北地區(qū)和青藏高原東南部生態(tài)安全的重要綠色屏障。目前,關(guān)于云杉人工林的研究主要集中在喬木層生物量和生產(chǎn)力[11]、林分密度調(diào)控[12]、植被和土壤碳固存[13-14]等方面,而對云杉人工林碳、氮儲量動態(tài)及其在生態(tài)系統(tǒng)中分配格局研究較為缺乏。本文選擇不同林齡的云杉人工林,研究其生態(tài)系統(tǒng)各組分的碳、氮儲量的動態(tài)變化和分配特點(diǎn),旨在闡明該地區(qū)云杉人工林的碳、氮儲存功能,為云杉人工造林后的生態(tài)恢復(fù)效果評價提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果也將為森林碳、氮儲量模型的開發(fā)、評估和在更大范圍內(nèi)確定碳、氮儲量和林齡關(guān)系提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省甘南藏族自治州和定西市。甘南藏族自治州位于甘肅西南部,青藏高原東北緣,介于33°06′—35°44′N、100°46′—104°44′E之間,平均海拔3000 m。該區(qū)植被覆蓋度較高,屬典型的高原大陸性氣候,多年平均降雨量為400—800 mm,降雨季節(jié)性明顯,主要集中在7—9月,年平均氣溫僅1—3 ℃,年極端最高氣溫為33.8 ℃,年極端最低氣溫為-29.6 ℃,全年平均日照時數(shù)2200—2400 h[15]。定西市位于甘肅省中部,介于34°26′—35°35′N、103°52′—105°13′E之間。氣候?qū)儆谀蠝貛О霛駶?中溫帶半干旱區(qū),大陸性氣候特征明顯,海拔1640—3900 m,年均氣溫5.7—7.7 ℃,年均降水量350—600 mm,降水同樣集中在7—9月,無霜期142 d[16]。研究區(qū)土壤類型以山地棕壤和山地褐土為主。林內(nèi)喬木層中云杉占絕對優(yōu)勢地位,林下灌木、草本數(shù)量較少,群落結(jié)構(gòu)比較單一。喬木層中混有少量其他樹種,如多毛櫻桃(Cerasuspolytricha)、川滇柳(Salixrehderiana)、山楂(Crataeguspinnatifida)、山楊(Populusdavidiana)等。林下灌木主要有：繡線梅(Neilliathyrsiflora)、箭竹(Fargesiaspathacea)、隴塞忍冬(Loniceratangutica)等,草本植物主要有: 苔草(Carextristachya)、東方草莓(Fragariaorientalis)、牛尾蒿(Artemisiadubia)、天名精(Carpesiumabrotanoides)等。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地建立

調(diào)查于2012年7—8月進(jìn)行,根據(jù)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門提供的資料,在上述研究區(qū)域選擇不同造林時期的云杉人工林作為研究對象,共設(shè)置16塊50 m20 m的長方形樣地(在地形破碎區(qū)域設(shè)置30 m20 m樣地)。樣地基本情況見表1。

表1 云杉人工林樣地特征

1.2.2 樣地調(diào)查及樣品采集

喬木層調(diào)查及林齡確定:(1)對各樣地內(nèi)的林木進(jìn)行每木檢尺,起測胸徑為2 cm,記錄其胸徑和樹高。按大、中、小徑級分別選擇3—5株樣樹,每株樣樹分干、枝、葉、根采集不少于300 g的植物樣品帶回實(shí)驗室待處理分析。(2)測定并計算林分的平均樹高、平均胸徑和密度。同時從各樣地內(nèi)選擇3—5 株標(biāo)準(zhǔn)木,于胸高1.3 m處鉆取樹芯3—5個,帶回實(shí)驗室,經(jīng)打磨后,采用交叉定年法確定樹木的年輪數(shù),以標(biāo)準(zhǔn)木平均年輪數(shù)作為該樣地的林齡。齡級劃分根據(jù)甘肅省林業(yè)廳2012年頒布的《甘肅省林地落界實(shí)施細(xì)則》進(jìn)行,即林齡小于20年為幼齡林,21—30年為中齡林,31—40年為近熟林,41—60年為成熟林,61年以上為過熟林。

灌木、草本和枯落物層調(diào)查：在每個喬木樣地內(nèi)沿對角線設(shè)置3個2 m×2 m的灌木樣方,全部收獲后分葉、枝、根稱其鮮重,將3個樣方內(nèi)枝、葉、根分別混合均勻后取混合樣,每個樣品重量不少于300 g。在每個灌木樣方內(nèi)設(shè)置一個1 m×1 m的草本樣方,分地上和地下部分收獲后稱其鮮重并取樣。草本樣方同時也作為枯落物收集樣方,將樣方內(nèi)枯落物全部收集稱重,并取不少于300g的樣品。將灌木、草本層、枯落物的樣品稱重后帶回實(shí)驗室,用于碳、氮含量的測定。

土壤調(diào)查：在每個標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)按S形取樣法設(shè)置10個土壤取樣點(diǎn),采用土鉆法,按0—10、10—20、20—30、30—50 cm和50—100 cm分層鉆取土壤樣品,將相同樣地內(nèi)同一層次土壤樣品混勻,取樣帶回實(shí)驗室進(jìn)行有機(jī)碳、氮含量測定。同時在樣方內(nèi)選取一塊具有代表性的地段挖取土壤剖面,層次劃分與土鉆取樣相同,用100 cm3環(huán)刀取各層原狀土,帶回實(shí)驗室105 ℃下烘干至恒量以計算土壤容重。

1.2.3 碳、氮含量測定

將野外采集的喬、灌、草各器官及枯落物樣品置于85 ℃烘箱烘至恒重求含水率。用于植物碳、氮含量測定的烘干樣品粉碎并過0.25 mm篩。土壤樣品自然風(fēng)干,研磨后過2 mm篩(收集大于2 mm的礫石并稱重),再用四分法取部分樣品研磨過0.25 mm篩裝袋標(biāo)記后備測。植物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,氮含量的測定采用凱氏定氮法[17]。

1.2.4 生物量測算

喬木生物量估算采用程堂仁等[18]所建立的云冷杉生物量方程,構(gòu)建該方程的區(qū)域與本研究區(qū)地域相近,生物量估算結(jié)果經(jīng)根莖比驗證處于合理范圍。由胸徑、樹高計算得到單株各器官生物量,進(jìn)一步估算整株生物量和樣地內(nèi)所有喬木的生物量。

灌木、草本及枯落物生物量估算：根據(jù)計算出的樣品含水率,進(jìn)而推算出樣地內(nèi)單位面積灌木、草本和枯落物生物量。

1.2.5 各層碳、氮儲量及含量計算

碳、氮儲量計算：喬木、灌木、草本及枯落物各組分碳(氮)儲量為對應(yīng)組分生物量乘以碳(氮)含量。植被碳(氮)儲量為喬木層、林下灌、草層及枯落物層碳(氮)儲量之和。

土壤層碳、氮儲量計算：0—100 cm土層土壤碳(氮)儲量為各層土壤碳(氮)儲量之和。土壤各層碳(氮)儲量計算公式為：

Sj=∑Cj×Dj×Ej×(1-Gj)×0.1

式中,Sj為第j層土壤碳(氮)儲量(t/hm2)；Cj為第j層土壤碳(氮)含量(g/kg)；Dj為第j層土壤容重(g/cm3)；Ej為第j層土壤厚度(cm)；Gj為直徑>2 mm的礫石所占的體積百分比。

各樣樹的碳、氮含量是相應(yīng)生物量組分的加權(quán)平均值,以各樣樹平均碳、氮含量作為喬木層的碳、氮含量。樣地水平的灌木和草本層碳、氮含量是各樣地內(nèi)灌木和草本的相應(yīng)生物量組分的加權(quán)平均值；對于土壤層,則是樣地各層土壤質(zhì)量加權(quán)平均值。計算公式為:

式中,C為各樣地內(nèi)灌木層、草本層、土壤層平均碳、氮含量；Ci為灌木層各器官、草本層地上和地下部分、土壤各層的碳、氮含量；Wi為對應(yīng)的各種生物量或土壤各層的質(zhì)量,n為組分?jǐn)?shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)檢驗不同齡級間云杉林生態(tài)系統(tǒng)各組分和不同土層間碳、氮含量及儲量的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 云杉人工林各層碳氮含量

云杉不同器官的碳、氮含量分別為488.68—535.44 g/kg和3.08—10.55 g/kg(圖1)。云杉葉碳含量平均值最高,為535.44 g/kg,其次是干和枝,約為520.0 g/kg,根的碳含量最低,為488.68 g/kg。氮含量同樣是云杉葉最高,為10.55 g/kg,與枝和根無顯著差異,但顯著高于樹干的氮含量(3.08 g/kg)。

圖1 云杉人工林喬木層各器官的碳、氮含量Fig.1 C and N contents of different organs of arbor layer in the P. asperata plantation不同小寫字母表示不同器官間差異顯著(P <0.05)

林下灌木層各器官的碳、氮含量分別為444.25—503.35 g/kg和6.73—26.62 g/kg(圖2),碳含量在各器官間相近,而氮含量則是葉片普遍高于枝和根。草本層碳、氮含量分別為291.27—430.35 g/kg和10.30—25.08 g/kg,地上部分碳、氮含量數(shù)值普遍大于地下部分。枯落物層為342.24—460.43 g/kg和9.83—12.12 g/kg。經(jīng)差異顯著性檢驗,草本層各器官以及枯落物的碳、氮含量在不同齡級間無顯著差異,灌木各器官在幼齡林、中齡林和近熟林間無顯著差異。

圖2 不同齡級云杉人工林灌木層、草本層和枯落物層的碳、氮含量Fig.2 C and N contents in shrub, herb and litter layers in P. asperata plantation with different age classes

云杉人工林各土壤層的碳、氮含量分別為9.51—121.32 g/kg和0.96—7.52 g/kg,同一土層不同齡級間碳、氮含量無顯著差異(圖3)。同一齡級的土壤碳、氮含量隨土壤深度增加顯著減小,在幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林中,與0—10 cm土層相比,50—100 cm土層的碳含量僅為前者的12.12%、21.55%、26.67%和10.81%,氮含量為前者的19.16%、28.90%、28.33%和16.10%。

圖3 不同林齡云杉人工林各土壤層的碳、氮含量Fig.3 Soil C and N contents of different soil layers in P. asperata plantation with different stand age classes不同大寫字母表示同齡級不同土層間差異顯著,不同小寫字母表示同土層不同齡級間差異顯著(P <0.05)

為了深入了解碳、氮儲量的分配格局,計算了云杉人工林不同層次碳氮元素含量比值。喬木各器官碳氮含量比為干(175.56)>枝(97.34)>根(93.39)>針葉(51.27),喬木層碳氮比為113.46。顯著性檢驗結(jié)果顯示,碳氮比在枝、根、針葉之間差異不顯著，但均顯著低于樹干。在灌木和草本層,隨著木質(zhì)部生物量比例的降低,灌木、草本層的碳氮比依次降低,分別為55.85和25.46；枯落物層的碳氮比(34.36)介于草本和灌木之間；土壤層的碳氮比(12.73)最小(表2)。不同林齡間的灌木、草本、枯落物和土壤層的碳氮比無顯著差異。

表2 不同齡級云杉人工林林下層、枯落物層和土壤層的碳氮比

數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同行不同小寫字母表示齡級間差異顯著(P<0.05)

2.2 云杉人工林土壤碳、氮儲量

云杉人工林0—10 cm土層土壤碳、氮儲量隨林齡增加而顯著增加。其他土層碳、氮儲量隨林齡變化差異不顯著。土壤碳、氮儲量(0—100 cm)隨林齡增加呈先增后減的變化趨勢,但這種變化并未達(dá)到顯著水平,平均碳、氮儲量占生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量的比例分別為85.72%和97.60%。中齡林的土壤碳、氮儲量最高,為367.79 t/hm2和29.58 t/hm2,幼齡林的土壤碳、氮儲量最小,為242.23 t/hm2和20.26 t/hm2(表3)。

不同齡級云杉人工林土壤碳、氮儲量均隨土層深度增加而降低。土壤碳、氮儲量主要集中于0—30 cm土層,4個齡級的人工林0—30 cm土層平均碳儲量分別為126.80、161.73、152.24 t/hm2和189.13 t/hm2,占0—100 cm土壤層碳儲量的比重分別為52.35%、43.97%、46.96%和65.96%。

表3 云杉人工林土壤層碳、氮儲量/(t/hm2)

同列不同小寫字母表示齡級間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同林齡云杉人工林植被及枯落物層碳氮儲量

由表4可以看出,喬木層碳、氮儲量隨林齡的增加而顯著增加。碳、氮儲量分別從幼齡林的13.49 t/hm2和0.17 t/hm2迅速增加至成熟林138.93 t/hm2和1.53 t/hm2,占生態(tài)系的比例也從幼齡林的5.23%和0.83%大幅增加至成熟林的32.29%和6.18%。各齡級中,樹干平均碳儲量占喬木平均碳儲量的比例為50%左右,是喬木碳儲量的主體。枝、根和葉平均碳儲量比例為分別為20%、13%和8%。樹干占喬木層平均氮儲量的比例為37.90%—43.50%,其次為枝(21.12%—24.79%),葉的比例最小(15.11%—19.51%)。各器官平均碳、氮儲量占喬木層碳、氮儲量的比例在不同齡級間無顯著變化。

表4 云杉人工林喬木層碳、氮儲量/(t/hm2)

各齡級灌木層碳、氮儲量分別為0.17—2.08 t/hm2和0.00—0.03 t/hm2,各器官碳儲量大小為根>枝>葉,氮儲量大小為枝>根>葉(表5)。成熟林的林下灌木碳、氮儲量最小,顯示了成熟林郁閉后的遮陰作用。各齡級草本層碳、氮儲量分別為0.17—0.77 t/hm2和0.01—0.04 t/hm2。草本層碳儲量在不同齡級無顯著差異,而氮儲量在成熟林階段顯著小于幼齡林?？萋湮锾?、氮儲量從幼齡林的0.32 t/hm2和0.01 t/hm2顯著增加到成熟林的4.25 t/hm2和0.11 t/hm2,這是枯落物隨林齡增加逐漸積累的結(jié)果。灌、草和枯落物層占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的比例為0.84%,占生態(tài)系統(tǒng)氮儲量的比例為0.32%。

表5 云杉人工林灌木層、草本層和枯落物層的碳、氮儲量/(t/hm2)

2.4 云杉人工林生態(tài)系統(tǒng)碳氮儲量及分配

不同齡級云杉人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化總體上呈現(xiàn)隨林分生長而增加的趨勢,分別為257.75、392.97、376.36、430.23 t/hm2。植被層碳儲量從幼齡林的15.51 t/hm2增加到成熟林的143.51 t/hm2,增加了9.25倍(表6)。其占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的比重也從幼齡林的6.02%顯著增加到成熟林的33.36%。土壤碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的比重在各齡級均超過60%,在幼齡林和中齡林階段,這一比例甚至超過90%,表明土壤是生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的主要貢獻(xiàn)者,但其變化趨勢為隨林齡增加而逐漸減小,與生物量碳的變化趨勢相反。

幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林生態(tài)系統(tǒng)氮儲量分別為20.50、29.88、24.65 t/hm2和24.70 t/hm2。其中生物量部分的氮儲量隨林齡增長持續(xù)增加,其中成熟林的氮儲量顯著高于其他齡級,占生態(tài)系統(tǒng)氮儲量的比重整體上也隨林齡的增加逐漸增大,分別為1.17%、1.00%、2.31%、6.68%。土壤部分占生態(tài)系統(tǒng)氮儲量的比例則表現(xiàn)出隨林齡增加而減小的趨勢,但其對生態(tài)系統(tǒng)各齡級的氮儲量的貢獻(xiàn)率仍超過90%,在中齡林中甚至高達(dá)98.99%。

云杉林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量空間分配格局為:土壤層(85.72%)>喬木層(13.44%)>灌草層和枯落物層(0.84%),氮儲量為土壤層(97.60%)>喬木層(2.08%)>灌草層和枯落物層(0.32%)。

表6 云杉人工林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量/(t/hm2)

同行不同小寫字母表示齡級間差異顯著(P<0.05)

3 討論

喬木各器官平均碳含量為516.09 g/kg,灌木為472.66 g/kg,草本為363.32 g/kg(圖2),表明相對于灌木和草本,喬木在生長過程中能更有效地合成并積累碳。0.50[4,19]和0.45[9]是國內(nèi)外計算森林碳儲量時常用的碳轉(zhuǎn)換系數(shù),0.50的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)在云杉喬木器官碳含量490—540 g/kg范圍內(nèi),用來估算該區(qū)云杉喬木的碳儲量是合適的；而用0.45作碳轉(zhuǎn)換系數(shù)則會明顯低估云杉喬木層碳儲量。灌木層(444.25—503.35 g/kg)、草本層(291.27—430.35 g/kg)和枯落物層(342.24—460.43 g/kg)的碳含量整體上低于0.5,因此,以0.45或0.50的碳轉(zhuǎn)換系數(shù)計算森林碳儲量均存在一定的估計誤差,掩蓋了不同器官和植被層次之間碳含量的差異。為了準(zhǔn)確估計森林的碳儲量,分器官實(shí)測碳含量是必要的。

土壤的碳、氮含量,主要由土壤有機(jī)質(zhì)的輸入、輸出以及土壤性質(zhì)和過程決定的[20]。由于在林分早期生長階段有機(jī)質(zhì)輸入量較低,幼齡林中的土壤碳、氮含量常常低于老齡林的土壤的碳、氮含量[21]。但在本研究中,同一深度土層碳、氮含量在不同齡級間沒有顯著差異(圖3)。這種結(jié)果可能有兩方面的原因,一是云杉為常綠喬木樹種,枝葉壽命較長,短期的云杉人工造林地枯落物少,造成可分解的枯落物較少；二是研究區(qū)氣溫較低,細(xì)根周轉(zhuǎn)速度慢。

植物碳氮元素含量比值反映植物生長速度并與植物氮素的利用效率有關(guān)[22]。在人工云杉林生態(tài)系統(tǒng)中,喬木層各器官碳含量在不同林齡間無顯著差異(圖1),說明作為構(gòu)建植物器官必要元素的碳具有相對穩(wěn)定性。而不同器官的氮含量在不同林齡間差異顯著,這可能是植物不同器官在生長發(fā)育過程中對氮元素的吸收利用存在差異引起的[23],表現(xiàn)為針葉氮含量最大而樹干最小,即幼嫩器官中的氮含量大于老化器官,相應(yīng)的老化器官的碳氮比值大于幼嫩器官。這與楊麗麗等[24]以及劉增文等[25]的研究結(jié)果一致。這表明氮素具有流動性,且對于幼嫩器官的生長具有重要作用。在喬木層,氮的有效性隨時間的推移而下降,分配方向是從碳氮比低的細(xì)根、葉轉(zhuǎn)移到碳氮比高的枝、干,以使林分的碳積累保持一定的速率[26]。在生態(tài)系統(tǒng)水平,林分生長和碳積累就是通過氮的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的,轉(zhuǎn)移方向是從碳氮比低的組分(如土壤)轉(zhuǎn)移到碳氮比高的組分(如植被)[27-28]。

土壤碳氮含量比值通常被認(rèn)為是土壤氮素礦化能力的標(biāo)志,碳氮比低則表明土壤有機(jī)質(zhì)具有更快的礦化速率[29]。本研究中云杉人工林土壤碳氮比為12.73,且在不同齡級間無顯著差異(表2),表明林齡對云杉人工林土壤有機(jī)質(zhì)的礦化速率影響較小。同時,云杉人工林土壤碳氮比略高于中國土壤碳氮比平均值為10—12[30]而低于全球土壤碳氮比為13.3[31]。這是由于土壤碳氮比受區(qū)域水熱條件和成土作用特征的影響,是氣候、地貌、植被、母巖、年代、土壤動物等土壤形成因子和人類活動綜合作用的結(jié)果。在部分研究中,土壤碳氮比可用于土壤氮儲量估算和生態(tài)系統(tǒng)碳模型研究中,并根據(jù)土壤和生物量中碳含量以及碳氮比值, 近似估計土壤和生物量的氮儲量[32]。

森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)的一個極重要的碳、氮存儲庫,在減緩溫室氣體濃度上升中發(fā)揮著重要的作用[33]。本研究中,云杉人工林土壤(0—100 cm)碳儲量為310.29 t/hm2(表3),遠(yuǎn)高于甘肅省人工林土壤碳儲量(107.07 t/hm2)[14]和我國人工林的土壤碳儲量(107.10 t/hm2)[34]。一方面,林分土壤碳儲量與林分類型關(guān)系密切,云冷杉林在我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)中具有最大的土壤碳儲量[35]。另一方面,較高的土壤碳儲量與較低的土壤溫度和濕度密切相關(guān)[36- 37],較低的土壤溫度和濕度在大部分時間里抑制了土壤活性,降低了土壤有機(jī)碳的分解速率,同時抑制了土壤呼吸[38]。由于本研究中云杉人工林處于高海拔地區(qū),氣溫較低,同時年均降水量也相對較低,因而使該環(huán)境條件下的土壤具有較高的碳儲量。云杉人工林0—100 cm土壤氮儲量24.65 t/hm2,不僅高于陜南地區(qū)秦嶺南坡油松的人工林土壤氮儲量(8.57 t/hm2)[39]和黃土丘陵溝壑區(qū)人工林氮儲量(6.80 t/hm2)[40],同時也高于中國森林土壤氮儲量(17.31 t/hm2)[41]。這表明云杉人工林土壤具有較高的碳、氮儲量。

此外,云杉人工林土壤碳、氮儲量在不同齡級間無顯著差異,這主要是因為本研究中云杉人工林林齡都在60年以內(nèi),生長時間較短,其土壤碳、氮儲量受造林前的土地利用方式的影響較大,反映的是該區(qū)云杉人工林土壤碳、氮儲量的現(xiàn)存量和分布特征,不能反映或被解釋為造林后的土壤碳、氮儲量變化。這表明云杉人工林中,林齡不能作為土壤碳、氮儲量的預(yù)測因子,準(zhǔn)確評估土壤碳、氮動態(tài)需要長期的定位觀測研究。

基于當(dāng)前調(diào)查資料,云杉林植被層平均碳儲量為51.70 t/hm2,高于甘肅省人工林植被層平均碳儲量(33.79 t/hm2)[13]而低于全國云冷杉林植被平均碳儲量(82.01 t/hm2)[35]。這一碳儲量水平表明甘肅的云杉人工林植被層仍具有很高的固碳潛力。這主要是因為云杉人工林以幼齡林和中齡林為主,成熟林偏少,單位面積植被碳儲量較低。隨著林分的生長,云杉林的固碳能力將顯著提高。本研究中成熟林的林下植被(灌、草層)碳、氮儲量最低(表5),可能是隨著林分的生長,喬木層逐漸郁閉,林下灌草層生長的光照條件逐漸減弱,林下灌草之間以及灌草與喬木之間的資源競爭加強(qiáng),導(dǎo)致林下灌、草層蓋度減小,生物量和碳、氮儲量降低。另外,人為干擾可能也是一個不可忽視的原因。

云杉人工林生態(tài)系統(tǒng)的平均碳儲量為362.00 t/hm2,高于我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的平均值(258.82 t/hm2)[35]。同時,生態(tài)系統(tǒng)平均氮儲量25.25 t/hm2,遠(yuǎn)高于黃土丘陵區(qū)37年生刺槐林生態(tài)系統(tǒng)氮儲量(6.51 t/hm2)[42]和岷江干熱河谷區(qū)13年生岷江柏人工林生態(tài)系統(tǒng)氮儲量(19.09 t/hm2)[43]。這表明云杉人工林生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的碳、氮固存能力。然而,由于土壤碳、氮儲量在生態(tài)系統(tǒng)中處于支配地位(各齡級碳、氮儲量均超過60%和90%),生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量并未呈現(xiàn)出隨林分生長持續(xù)增加的趨勢。以上結(jié)果表明,云杉人工林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的碳、氮儲量,但與林齡無明顯相關(guān)性。

在云杉人工林生態(tài)系統(tǒng)中,土壤碳、氮儲量所占比例最大；在生物量組分中,喬木是碳、氮儲量的主體。植被碳、氮儲量隨林分生長顯著增加。林齡不能作為土壤碳、氮儲量的預(yù)測因子,準(zhǔn)確評估云杉人工林土壤碳、氮動態(tài)需要長期的定位觀測研究。生態(tài)系統(tǒng)碳、氮儲量在不同生長階段保持相對穩(wěn)定。人工造林是應(yīng)對氣候變化、減緩大氣CO2濃度升高的有效措施。本研究提供的信息不僅有助于人工林養(yǎng)分模型的開發(fā)和評價,對改進(jìn)森林管理措施以提高碳匯功能也具有參考價值。