2種更新方式4年生尾巨桉人工林碳儲(chǔ)量及其分布特征

銀彬吾，劉奇林，陸滟靈，何 斌，黃振格，謝敏洋

（1.廣西國有派陽山林場，寧明 532500；2.廣西大學(xué)林學(xué)院，南寧 530004）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其有機(jī)碳儲(chǔ)量達(dá)到1萬億t，約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的70%[1]，森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)全球碳平衡中發(fā)揮著重要作用[2-3]。人工林作為森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，開展碳匯造林已成為當(dāng)前推進(jìn)碳匯林業(yè)發(fā)展的重要途徑，營造具有收獲木材和固碳雙重功能的人工林是其重要固碳手段之一[4]。目前，中國人工林面積達(dá)6 933萬hm2，居全球首位[5]。近年來，隨著國內(nèi)外森林碳平衡研究的逐步深入，有關(guān)人工林碳匯功能的研究逐漸增多，主要包括馬尾松（Pinus masso?niana）[6]、杉 木（Cunninghamia lanceolata）[7]、楊 樹（Populus）[8]、桉 樹（Eucalyptus）[9]、落 葉 松（Larix gmelinii）[10]和西南樺（Betula alnoides）[11]等，為準(zhǔn)確估算我國人工林生態(tài)系統(tǒng)碳匯計(jì)量提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

桉樹具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長迅速、輪伐期短和經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，已成為我國南方短周期工業(yè)用材林的主要造林樹種[12]。目前，桉樹人工造林的更新方式有植苗更新和萌芽更新，關(guān)于桉樹人工林碳匯功能的研究已有較多報(bào)道，主要集中在植苗林方面[13-16]，關(guān)于萌芽林碳匯功能的研究鮮見報(bào)道。尾巨桉（Eucalyptus urophylla×E.grandis）因其具有適應(yīng)性廣、萌芽能力強(qiáng)和生長快速等優(yōu)點(diǎn)[17]，成為當(dāng)前主要推廣種植的桉樹優(yōu)良雜交品種（品系）之一。本研究以廣西寧明縣4年生（中齡林）尾巨桉植苗林和萌芽林為研究對(duì)象，通過對(duì)其碳含量、碳儲(chǔ)量及分布格局進(jìn)行比較分析，揭示2種更新方式尾巨桉人工林碳匯功能特點(diǎn)與差異，為合理評(píng)價(jià)2種更新方式下尾巨桉人工林的生態(tài)效益提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于廣西寧明縣的廣西國有派陽山林場大王山分場（106°38'～107°36'E，21°51'～22°58'N），地處北回歸線以南，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫22.1～22.9℃，年均降水量1 200～1 750 mm，降雨多集中在5—8月。屬低丘陵區(qū)，海拔120～150 m，土壤為砂巖、夾頁巖發(fā)育形成的赤紅壤，土層厚度70～120 cm，腐殖質(zhì)層厚度10～18 cm。

植苗林和萌芽林造林及撫育管理措施參考文獻(xiàn)[18]。2017年3月調(diào)查時(shí)2種更新方式尾巨桉人工林林分特征見表1。

表1 不同更新方式尾巨桉人工林林分特征Tab.1 Stand features of Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes

1.2 研究方法

1.2.1 林分生長與生物量測定

于2017年3月在立地條件相似、生長良好的4年生尾巨桉植苗林和萌芽林中各設(shè)置3塊20 m×30 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，進(jìn)行每木檢尺和調(diào)查，詳細(xì)記錄林木的胸徑、樹高和冠幅等。根據(jù)林分生長統(tǒng)計(jì)結(jié)果，在樣地外圍選擇代表林分生長指標(biāo)平均值的3株平均木，采用Monsic 分層切割法分別測定其地上部分樹葉、樹枝、樹皮和樹干鮮質(zhì)量；采用全根挖掘法測定地下部分即樹根鮮質(zhì)量；在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m樣方，采用樣方收獲法測定林下灌木層、草本層鮮質(zhì)量，以及凋落物層現(xiàn)存量。采集林木各器官和灌木層、草本層、凋落物層樣品各300～400 g，在80℃恒溫下烘干，測定和計(jì)算各組分生物量[12]。

1.2.2 植物、土壤樣品的采集及其碳含量測定

將部分進(jìn)行林分生物量測定后的尾巨桉植苗林和萌芽林不同器官、灌木層、草本層和凋落物層樣品，經(jīng)重新烘干、粉碎后裝入自封袋內(nèi)待測。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按對(duì)角線設(shè)置代表性采樣點(diǎn)各3個(gè)，以每層深度20 cm 分層采集0～80 cm 土層混合樣品各1 kg，于室內(nèi)經(jīng)自然風(fēng)干和粉碎過篩后裝瓶待測。

植物與土壤碳含量的測定采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法，分別測定植物各組分樣品碳含量與土壤有機(jī)碳含量[18]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel 2003 進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)層次碳含量

尾巨桉植苗林和萌芽林喬木層各器官碳含量分別為461.8～485.3和456.5～479.5 g/kg，不同更新方式同一器官碳含量間差異均不顯著，且各器官碳含量均以樹葉最高，其次為樹干、樹枝和樹根，樹皮最低（表2）。2種更新方式尾巨桉人工林林下植被與凋落物層中的碳含量均以現(xiàn)存凋落物層最高，其次為灌木層，草本層最低。2種更新方式尾巨桉人工林群落各植物結(jié)構(gòu)層次碳含量表現(xiàn)為隨植物個(gè)體高度的下降而降低，即為喬木層＞灌木層＞草本層。

尾巨桉植苗林0～20、20～40、40～60和60～80 cm 土層有機(jī)碳含量分別為10.87、7.78、5.74和4.57 g/kg，萌芽林相應(yīng)為10.63、7.66、5.69和4.52 g/kg，均表現(xiàn)出隨土壤深度增加而下降的變化趨勢，隨著深度增加，相鄰?fù)翆娱g有機(jī)碳含量的差異逐漸減?。ū?）。在同一土層，植苗林土壤有機(jī)碳含量均高于萌芽林，但未達(dá)到顯著差異。

表2 不同更新方式尾巨桉人工林喬木層和林下植被層碳含量Tab.2 Carbon contents of arbor layer and understory in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(g/kg)

表3 不同更新方式尾巨桉人工林土壤有機(jī)碳含量Tab.3 Organic carbon contents of soil in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(g/kg)

2.2 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分配

2.2.1 植被層碳儲(chǔ)量

尾巨桉植苗林和萌芽林喬木層碳儲(chǔ)量分別為48.83和58.81 t/hm2，不同器官碳儲(chǔ)量的分配均以樹干為主，分別占喬木層碳儲(chǔ)量的65.47%和63.98%，其次為樹根、樹枝和樹皮，分別占喬木層碳儲(chǔ)量的13.27%、8.38%、7.70%和18.94%、7.53%、5.82%；樹葉最少，分別占5.18%和3.73%（表4）。

受樹種生物學(xué)特性、林分結(jié)構(gòu)和撫育鏟草等人為干擾的影響，尾巨桉植苗林和萌芽林林下植物較少，其相應(yīng)的生物量和碳儲(chǔ)量也較少，其中灌木層碳儲(chǔ)量分別為0.68和0.35 t/hm2，草本層碳儲(chǔ)量分別為0.54和0.81 t/hm2。凋落物層在土壤有機(jī)碳形成和生物量積累過程中起著重要的作用，尾巨桉植苗林和萌芽林凋落物層碳儲(chǔ)量分別達(dá)到2.67和3.09 t/hm2，明顯高于灌木層和草本層。2種更新方式林分植被層相同結(jié)構(gòu)層次間碳儲(chǔ)量的差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表4 不同更新方式尾巨桉人工林喬木層和林下植被層碳儲(chǔ)量Tab.4 Carbon storage of arbor layer and understory in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(t/hm2)

2.2.2 土壤層碳儲(chǔ)量

尾巨桉植苗林和萌芽林土壤（0～80 cm）有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為77.63和78.85 t/hm2（表5）。受地表凋落物聚積與分解的影響，2種更新方式林分土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量在剖面垂直分布上均隨土壤深度增加而下降，其中植苗林0～20 cm 土層碳儲(chǔ)量（27.18 t/hm2）占土壤層碳儲(chǔ)量的35.01%，分別為20～40、40～60和60～80 cm 土層的1.32、1.67和2.00 倍；萌芽林0～20 cm 土層碳儲(chǔ)量（25.51 t/hm2）占土壤層碳儲(chǔ)量的33.63%，分別為20～40、40～60和60～80 cm 土層的1.24、1.54和1.93 倍。不同林分間相同土層碳儲(chǔ)量間的差異均不顯著。

表5 不同更新方式尾巨桉人工林土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Tab.5 Organic carbon storage of soil in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(t/hm2)

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分配

尾巨桉植苗林和萌芽林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為130.35和138.81 t/hm2，不同結(jié)構(gòu)層次碳儲(chǔ)量分配基本一致，植苗林為土壤層（59.56%）＞喬木層（37.46%）＞凋落物層（2.05%）＞灌木層（0.52%）＞草本層（0.41%），萌芽林為土壤層（54.64%）＞喬木層（42.30%）＞凋落物層（2.23%）＞草本層（0.58%）＞灌木層（0.25%）（表6）。

表6 不同更新方式尾巨桉人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的分配Tab.6 Distribution of carbon storage in ecosystems of Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(t/hm2)

2.3 喬木層地上部分年凈固碳量

根據(jù)喬木層地上部分各器官年凈生產(chǎn)力與其相應(yīng)碳含量計(jì)算出喬木層年凈固碳量。尾巨桉萌芽林喬木層地上部分年凈固碳量為11.91 t·hm-2·a-1，折合年凈吸收CO2量43.67 t·hm-2·a-1，均比植苗林地上部分年凈固碳量（10.58 t·hm-2·a-1)和年凈吸收CO2量（38.79 t·hm-2·a-1）高出12.57%（表7）。尾巨桉植苗林和萌芽林地上部分不同器官年凈固碳量均以樹干最大，分別為7.99和9.39 t·hm-2·a-1，分別占地上部分年凈固碳量的75.52%和78.84%；其次為樹枝和樹皮，分別占9.64%、7.22%和8.89%、9.32%；最小為樹葉，分別占5.95%和4.62%。

表7 不同更新方式尾巨桉人工林喬木層地上部分年凈固碳量Tab.7 Annual net carbon fixation in aboveground organs of arbor layer in Eucalyptus urophylla×E.grandis plantations with different regeneration modes(t·hm-2·a-1)

3 結(jié)論與討論

4年生尾巨桉植苗林和萌芽林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為130.35和138.81 t/hm2，其中喬木層碳儲(chǔ)量分別為48.83和58.71 t/hm2，分別占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的37.46%和42.30%；灌草層碳儲(chǔ)量分別為1.22和1.26 t/hm2，分別占0.93%和0.83%；凋落物層碳儲(chǔ)量分別為2.67和3.09 t/hm2，分別占2.05%和2.23%；土壤層碳儲(chǔ)量分別為77.63和75.85 t/hm2，分別占59.56%和54.64%。

森林土壤作為碳極重要的儲(chǔ)存庫，在平衡大氣CO2過程中發(fā)揮著重要作用。我國森林土壤平均碳儲(chǔ)量為193.55 t/hm2，約為植被碳儲(chǔ)量（57.07 t/hm2）的3.4 倍[19]。本研究中，4年生尾巨桉植苗林和萌芽林土壤碳儲(chǔ)量均明顯低于我國森林土壤碳儲(chǔ)量平均水平，其原因主要為本研究所處亞熱帶地區(qū)的良好水熱條件雖有利于植被生物量的快速積累，但土壤呼吸速率較大，凋落物分解釋放快，土壤有機(jī)碳積累較少[20]。萌芽林作為原植苗林采伐后萌芽更新林即第二代桉樹林，其土壤碳含量和儲(chǔ)量雖然比第一代的植苗林略有下降，但下降幅度小，與明安剛等[21]廣西東門林場的桉樹二代植苗林土壤有機(jī)碳明顯低于一代植苗林的研究結(jié)果不同，表明與第一代桉樹林采伐后重新營造植苗林相比，采用萌芽更新營造二代桉樹林，減少了造林過程的煉山、挖坎整地等人為干擾所引起的地表水土流失，有利于土壤對(duì)碳的吸存，有利于維持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。

據(jù)報(bào)道，與本研究區(qū)域相近的廣西15、21和32年生馬尾松人工林喬木層地上部分年凈固碳量分別為4.11、4.93和7.49 t·hm-2·a-1[22]；福建南平市20年生杉木人工林喬木層地上部分年凈固定碳量為4.78 t·hm-2·a-1[23]；廣西東南部3年生和5年生尾巨桉植苗林喬木層地上部分年凈固碳量分別為9.79和8.21 t·hm-2·a-1[14]。本研究中，4年生尾巨桉植苗林和萌芽林喬木層地上部分年碳凈固定量分別為10.58和11.91 t·hm-2·a-1，折合年凈吸收CO2量分別為38.79和43.67 t·hm-2·a-1。由此可見，尾巨桉植苗林和萌芽林均具有較高的生物生產(chǎn)力和碳吸存能力。4年生尾巨桉萌芽林處于速生階段，仍具有較高的生物量積累能力和碳匯潛力，適當(dāng)延長輪伐期，培育經(jīng)濟(jì)價(jià)值更高的桉樹大徑材，不但可以提高木材產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)林地地力的恢復(fù)和維持、提高桉樹人工林的碳匯功能和生態(tài)效益也具有重要的作用。