海南文昌不同林齡木麻黃人工林碳儲(chǔ)量分配格局

宿少鋒 ，薛 楊 ，楊眾養(yǎng) ，王小燕 ，林之盼

（1.海南省林業(yè)科學(xué)研究所，海南 ?？?571100；2. 海南文昌森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，海南 文昌 571300）

近30年來(lái)，隨著全球CO2濃度不斷增加，氣候惡化成為人類生存所面臨的主要的環(huán)境問(wèn)題，碳匯林業(yè)成為全球范圍內(nèi)的重點(diǎn)。如何提高森林碳儲(chǔ)量和森林碳匯，成為現(xiàn)代林業(yè)生態(tài)建設(shè)的重要研究方向［1］，通過(guò)準(zhǔn)確、規(guī)范地估算森林的碳儲(chǔ)量能力和碳匯值，不僅可以科學(xué)解決全球碳排放不均衡問(wèn)題，也是推動(dòng)增匯減排綠色健康林業(yè)的發(fā)展要求。

森林是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大有機(jī)碳庫(kù)，貯有1 146 PgC，占整個(gè)陸地碳庫(kù)的56%［2］。森林生態(tài)系統(tǒng)是整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的核心部分，對(duì)氣候調(diào)節(jié)具有不可替代的作用，在全球碳循環(huán)研究中具有極其重要的地位。近年來(lái)不少學(xué)者按國(guó)際上常用的樹(shù)木碳含量值0.45～0.50來(lái)測(cè)定森林碳儲(chǔ)量［4-8］，碳含量的數(shù)值大小也是引起碳儲(chǔ)量估算差異不容忽視的因素。由于受技術(shù)條件等因素影響，多集中在喬木層生物量及碳儲(chǔ)量的研究，而涉及生態(tài)系統(tǒng)層次的較少，不能充分反映生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量特征。

木麻黃是海南沿海防護(hù)林主要樹(shù)種，在熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，據(jù)第8次全國(guó)森林資源清查數(shù)據(jù)，木麻黃在廣東、福建、海南等地種植面積達(dá)到30萬(wàn)hm2［6］，由于其面積大、生長(zhǎng)快，具有良好的碳匯功能。我們以海南文昌市不同林齡的木麻黃林為研究對(duì)象，利用實(shí)測(cè)模式探索木麻黃碳儲(chǔ)量與林齡變化的規(guī)律，為區(qū)域尺度上估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)及碳平衡提供參考依據(jù)，為正確評(píng)價(jià)森林在全球碳平衡中的作用提供理論依據(jù)，對(duì)海南地區(qū)沿海防護(hù)林更新改造和提供生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

文昌市位于海南省的東（110°36′30″～111°07′28″E，19°09′34″～19°37′27″），地處海南島最北端，屬熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域。受南海海洋氣候影響較大，該區(qū)終年氣溫高，寒暑變化不大，四季溫暖；年均降水量1 721.6 mm，5～10月為雨季，降水量占全年的80.2%，臺(tái)風(fēng)季節(jié)雨水增多；年平均氣溫25.5℃，7月份氣溫最高，月平均29.3℃，1月份氣溫最低，月平均20.7℃。

1.2 樣地選擇

2015年6～7月在文昌市島東林場(chǎng)布設(shè)樣地，按照不同的林組選取木麻黃人工林幼齡林（≤5年）、中齡林（5～10年）、近熟林（11～15年）、成熟林（16～25年）、過(guò)熟林（≥26年），分別在樣地內(nèi)設(shè)置3塊20 m×20 m的樣方，共設(shè)置15塊。所有樣方的立地條件、生長(zhǎng)環(huán)境條件均一致，每個(gè)樣方間距大于20 m。各樣方林分特征見(jiàn)表1。

表1 樣方基本特征情況

1.3 木麻黃標(biāo)準(zhǔn)木生物量測(cè)定

對(duì)木麻黃人工林標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行每木檢尺，用胸徑尺測(cè)定胸徑，用測(cè)高儀測(cè)定樹(shù)高。在每塊樣地內(nèi)確定1株代表林分平均胸徑和平均樹(shù)高的標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行生物量測(cè)定，共選擇15株標(biāo)準(zhǔn)木。將木麻黃標(biāo)準(zhǔn)木沿地表水平面伐倒，采用Monsi分層切割法［7］，地上部分按樹(shù)高的1/10進(jìn)行區(qū)分，分成樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)枝和樹(shù)葉各部分；地下部分采用全根挖掘法，將不同根系分為細(xì)根（根徑＜2 cm） 、粗根（根徑2～5 cm）、主根（根徑＞5 cm）。野外實(shí)測(cè)各部分鮮重，樹(shù)枝、樹(shù)葉和樹(shù)根各部分取樣500 g，同時(shí)截取每段樹(shù)干底部圓盤(pán)（厚度3 cm）作為樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含水量測(cè)定并計(jì)算干質(zhì)量。為估測(cè)木麻黃人工林各器官的生物量，根據(jù)15株標(biāo)準(zhǔn)木生物量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立木麻黃各器官生物量之間的相對(duì)生長(zhǎng)方程［8］：W=aDbHc（常數(shù)a、胸徑D的b次冪與樹(shù)高H的c次冪的乘積），分別見(jiàn)表2。

表2 木麻黃各器官生物量與樹(shù)高、胸徑的相對(duì)生長(zhǎng)方程

1.4 枯落物生物量測(cè)定

采用全部收獲法，將3個(gè)1 m×1 m樣方內(nèi)的枯落物全部收集，稱取鮮重。分別取500 g樣品帶回實(shí)驗(yàn)室， 置于75℃烘箱中烘干至恒重，計(jì)算各部分含水率。

1.5 土壤容重測(cè)定

每個(gè)林齡選擇1個(gè)樣方挖取1個(gè)土壤剖面，采用分層采樣，按 0～10、10～20、20～40、40～60 cm分4層收集土壤樣品，并將同一樣方內(nèi)不同采樣點(diǎn)同一層次的土壤樣品等量混合后，分別取1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室，置于報(bào)紙上，風(fēng)干，過(guò)0.05 cm篩，研磨放入鐵盒中備用，同時(shí)采用環(huán)刀法測(cè)定樣方土壤容重。

1.6 碳含量與碳儲(chǔ)量測(cè)定

植物碳和土壤碳含量測(cè)定：均采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化外加熱法。

不同器官碳儲(chǔ)量測(cè)定：選擇各林分標(biāo)準(zhǔn)喬木層（干、枝、葉、皮、果和根）及枯落物層單位面積生物量與其含碳量的乘積得到不同組分的碳儲(chǔ)量［9］。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為：

式中，SOCi為單位面積土壤第i層土壤碳密度（t/hm2），i為土壤剖面所對(duì)應(yīng)的層數(shù)，Bi為土壤容重（g/cm3），Ci為土壤剖面第i層土壤有機(jī)碳的含量（g/kg），Di為不同土層的厚度（cm），0.1為單位換算系數(shù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2007和SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳含量

從表3可以看出，不同林齡木麻黃人工林喬木層各器官含碳量變化范圍在45.4%～52.6%之間，其中，幼齡林木麻黃各器官含碳量與其他4個(gè)林階（中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林）各器官含碳量存在顯著差異，而相同林齡不同器官平均含碳量間也存在顯著差異；不同林齡木麻黃以樹(shù)根的含碳量最大，樹(shù)枝的含碳量最小，各器官平均含碳量大小依次為樹(shù)根＞樹(shù)葉＞果實(shí)＞樹(shù)干＞樹(shù)枝＞樹(shù)皮。

表3 不同林齡木麻黃人工林器官碳含量（%）

從表4可以看出，不同林齡木麻黃人工林枯落物含碳量變化范圍在46.9%～50.4%之間，平均為49.1%，幼齡林木麻黃枯落物含碳量與其他林齡間差異顯著，各林齡枯落物平均含碳量大小依次為過(guò)熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。同一林齡木麻黃人工林土壤含碳量變化范圍在0.08%～0.93%之間、平均為0.36%，且相同林齡不同土層含碳量差異顯著；隨著林齡的增加，土壤含碳量呈遞增趨勢(shì)，各林齡土壤平均含碳量大小表現(xiàn)為過(guò)熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林，其中幼齡林與中齡林、近熟林相同土壤層間含碳量差異不顯著，但幼齡林（及中齡林、近熟林）與成熟林、過(guò)熟林相同土層間含碳量差異顯著，各個(gè)林齡均以0～10 cm表層土壤含碳量最高，且隨著土層的增加呈遞減趨勢(shì)。

表4 不同林齡木麻黃人工林枯落物層及土壤層碳含量（%）

2.2 不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳儲(chǔ)量

2.2.1 喬木層碳儲(chǔ)量及其分配 從表5可以看出，不同林齡喬木層碳儲(chǔ)量分別為幼齡林27.1 t/hm2、中齡林56.0 t/hm2、近熟林99.8 t/hm2、成熟林165 t/hm2、過(guò)熟林233.1 t/hm2，表明不同林齡木麻黃喬木層各部位碳儲(chǔ)量變化規(guī)律基本一致，均為樹(shù)干最大，隨著林齡的增加，各類器官的碳儲(chǔ)量也明顯增加；不同林齡喬木同一器官的碳儲(chǔ)量均呈顯著差異，除中齡林、近熟林枝與葉間差異不顯著外，同一林齡不同器官間也均呈顯著差異。其中，幼齡林樹(shù)干碳儲(chǔ)量占幼齡喬木層碳儲(chǔ)量的41.7%，中齡林占42.5%、近熟林占42.8%、成熟林占43.3%、過(guò)熟林占42.0%；果實(shí)碳儲(chǔ)量占喬木層碳儲(chǔ)量的比例最小，平均小于2%。喬木層各器官碳儲(chǔ)量平均含量分配表現(xiàn)為樹(shù)干＞樹(shù)葉＞樹(shù)枝＞樹(shù)根＞樹(shù)皮＞果實(shí)。林齡對(duì)喬木層各器官碳儲(chǔ)量分配具有顯著影響（圖1），隨著林齡的增加，碳儲(chǔ)量在樹(shù)干、樹(shù)枝的分配比例先增加后減少，而樹(shù)根、果實(shí)分配比例增加。

圖1 不同林齡木麻黃喬木層各器官碳儲(chǔ)量及其分配

表5 不同林齡木麻黃人工林碳儲(chǔ)量分布（t/hm2）

2.2.2 地被層碳儲(chǔ)量及其分配 從表6可以看出，相同林齡木麻黃人工林各土層碳儲(chǔ)量隨著林齡的增加而遞減，均表現(xiàn)為表層（0～10 cm）最大、底層（40～60 cm）最??；同一土層，隨著林齡的增加，土壤碳儲(chǔ)量先增大后減小，成熟林土壤碳儲(chǔ)量達(dá)到最大值，各林齡土壤碳儲(chǔ)量大小依次為成熟林＞近熟林＞過(guò)熟林＞中齡林＞幼齡林；枯落物層碳儲(chǔ)量隨著林齡的增加而增大。相同林齡 0～10、10～20、20～40 cm土層間均呈顯著差異（P＜0.05），相同土層不同林齡間部分顯著性不一。

2.3 不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳儲(chǔ)量分布格局

由圖2可知，各林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量依次為過(guò)熟林（255.68 t/hm2＞成熟林（200.52 t/hm2＞近熟林（123.95 t/hm2）＞中齡林（72.95 t/hm2）＞幼齡林（39.55 t/hm2）。喬木層和土壤層碳儲(chǔ)量為生態(tài)系統(tǒng)主要碳庫(kù)，兩者共占木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量98%以上，其中喬木層碳儲(chǔ)量約占79.85%，為第一碳庫(kù)，而凋落物所占比例＜2%。林齡對(duì)木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分布格局有顯著影響。喬木層碳儲(chǔ)量均隨著林齡的增加而增大，各林齡所占比例分別為近熟林68.52%、中齡林76.76%、近熟林80.52%、成熟林82.28%和過(guò)熟林91.17%。而土壤層碳儲(chǔ)量分配比例隨林齡的增加而減小，所占比例分別為幼齡林30.34%、中齡林21.82%、近熟林18.53%、成熟林17.05%和過(guò)熟林8.14%。

表6 不同林齡木麻黃人工林枯落物層及土壤層碳分布（t/hm2）

圖2 不同林齡木麻黃碳儲(chǔ)量及其分配

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，海南文昌島東林場(chǎng)林區(qū)不同林齡木麻黃人工林喬木層平均碳含量介于454～526 g/kg之間，且各器官碳含量不同，表現(xiàn)為樹(shù)根＞樹(shù)葉＞果實(shí)＞樹(shù)干＞樹(shù)枝＞樹(shù)皮，與廣西格木（Erythrophleum fordiiOliv.）、米老排（Mytilaria laosensis）、廣東馬尾松（PinusmassonianaLamb.）、湖南杉木〔Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.〕等［10-13］南方常見(jiàn)樹(shù)種器官平均含碳量排序截然不同，木麻黃樹(shù)根含碳量最高，與周傳艷等［14］、梁萌杰等［15］研究結(jié)果相一致，這主要是由于木麻黃多種植于沿海沙地，獨(dú)特的立地條件、生長(zhǎng)特性及環(huán)境因素所致［16］。不同林齡木麻黃各器官平均碳含量為490.7 g/kg，高于廣西桉樹(shù)（Eucalyptus robustaSmith）［17］（475.2 g/kg），略低于國(guó)際通用樹(shù)木平均碳含量（500 g/kg）［18］。海南地區(qū)種植相同木麻黃碳儲(chǔ)量比桉樹(shù)提高3.2%。

海南文昌島東林場(chǎng)木麻黃人工林0～60 cm土壤碳含量變化范圍在0.8～9.3 g/kg之間、平均僅為3.6 g/kg，顯著低于全國(guó)平均水平［24］。同一林齡不同土壤層含碳量差異顯著，隨著林齡的增加，土壤含碳量呈遞增趨勢(shì)，這與陶玉華等［2］、Elias等［19］研究結(jié)果一致，而與徐馨等［20］、陳小花等［21］、尉海東等［22］研究結(jié)果相反。這主要是由于試驗(yàn)地土壤性質(zhì)所致，試驗(yàn)地處沿海防護(hù)林區(qū)域，土壤類型為砂壤土，砂壤土相對(duì)貧瘠，各組分含量均較低。

林齡和器官不同，木麻黃人工林各器官碳儲(chǔ)量也表現(xiàn)出不同差異。不同器官碳儲(chǔ)量在0.05～11.3 t/hm2之間，各器官碳儲(chǔ)量平均含量分配表現(xiàn)為樹(shù)干＞樹(shù)葉＞樹(shù)枝＞樹(shù)根＞樹(shù)皮＞果實(shí)；不同林齡喬木層碳儲(chǔ)量在27.1～233.1 t/hm2之間，喬木層各部位碳儲(chǔ)量變化規(guī)律基本一致，均以樹(shù)干最大，隨著林齡的增加，各器官的碳儲(chǔ)量也明顯增加。不同林齡間同一器官的碳儲(chǔ)量均呈顯著差異，除中齡林、近熟林枝與葉間差異不顯著外，同一林齡不同器官間也均呈顯著差異。

不同林齡土壤碳儲(chǔ)量變化范圍在1.17～9.56 t/hm2之間，顯著低于全國(guó)平均土壤碳儲(chǔ)量水平193.55 t/hm2［23］。相同林齡木麻黃人工林各土層碳儲(chǔ)量隨著林齡的增加而遞減，均表現(xiàn)為表層（0～10 cm）最大、底層（40～60 cm）最小，除40～60 cm土層外，其余各土層均呈顯著差異，而相同土層不同林齡間部分顯著性不一。木麻黃林對(duì)于土壤表層（0～40 cm）碳儲(chǔ)量的固定具有主要作用，對(duì)40～60 cm以下土層碳儲(chǔ)量的固定作用不明顯。

本研究結(jié)果表明，海南文昌地區(qū)不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為幼齡林39.55 t/hm2、中齡林72.95 t/hm2、近熟林123.95 t/hm2、成熟林200.52 t/hm2、過(guò)熟林255.68 t/hm2，均低于我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲(chǔ)量258.83 t/hm2［24-25］。喬木層和土壤層碳儲(chǔ)量為生態(tài)系統(tǒng)主要碳庫(kù)，其中喬木層碳儲(chǔ)量約占79.85%，為第一碳庫(kù)，而木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)枯落物和灌草碳儲(chǔ)量?jī)H為2%左右，這主要是由于木麻黃在海南沿海防護(hù)林地區(qū)種植多為純林，種植規(guī)格為1 m×1.5 m或1 m×2 m，種植密度高、生長(zhǎng)速度快、林內(nèi)透光性差，嚴(yán)重制約林下灌草的生長(zhǎng)，且木麻黃純林凋落物極難分解，長(zhǎng)期堆積的凋落物也有利于林下灌草生長(zhǎng)?？萋湮锖凸嗖萏純?chǔ)量占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的多少，直接影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，木麻黃純林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，建議在今后沿海防護(hù)林更新改造中，合理配置種植密度、采用混交模式、適當(dāng)種植適宜灌草，均可提高木麻黃生態(tài)系統(tǒng)枯落物和灌草碳儲(chǔ)量的占比，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。