黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能特征

孫美美, 宋變蘭, 時偉宇, 山中典和, 李國慶, 杜 盛

(1.西北農林科技大學 林學院, 陜西 楊凌 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100;3.西南大學 地理科學學院, 重慶 400715; 4.日本鳥取大學 干燥地研究中心, 日本 鳥取 680—0001)

黃土丘陵區(qū)是典型的生態(tài)脆弱區(qū)，其生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化歷來受到廣泛關注。近年來，隨著多項大型生態(tài)工程的實施，原有的自然植被大幅度恢復，同時新建了多種人工植被，生態(tài)環(huán)境得到了較大程度的改善。這些植被在發(fā)揮水土保持功能的同時，也產生了固碳釋氧等生態(tài)效益。在全球氣候變化背景下，森林生態(tài)系統(tǒng)在調節(jié)陸地碳平衡方面的作用越來越突出[1-2]。黃土丘陵區(qū)不斷恢復的人工林和天然次生林不僅在改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要作用，而且也是該地區(qū)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分[3]。

近年來，我國學者對森林植被碳儲量及其分配、固碳速率和碳匯能力的研究已有廣泛報道[4-5]。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其碳匯能力為163.4 Tg C/a，對陸地生態(tài)系統(tǒng)的貢獻率高達80%[6]。我國的天然林保護工程在1998—2002年期間平均固碳速率為1.41 t C/(hm2·a)[7]。許多學者也通過不同的方法對不同地區(qū)和不同植被的生產力進行了研究，其中謝寶妮[8]、王釗[9]等通過MOD17A3模型分別模擬分析了黃土高原和陜西省一段時期內的植被生產力狀況；楊鳳萍等[10]利用樹木年輪寬度方法推算了秦嶺地區(qū)油松和華山松在1973—2011年的平均年凈生產力分別為4.18，3.2 t/(hm2·a)；杜虎等[11]采用樣木回歸分析法(喬木)和樣方收獲法(林下植被)分析了中國南方3種主要人工林(杉木、馬尾松、桉樹)在5個不同林齡階段的生產力動態(tài)特征，認為3種人工林的生產力均較高，分別為12.37，8.98，21.10 Mg/(hm2·a)。本文定量研究黃土丘陵區(qū)兩種典型森林生態(tài)系統(tǒng)(刺槐人工林和遼東櫟天然次生林)的固碳速率、碳匯功能和生產力特征，有利于準確了解森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳庫動態(tài)，能夠為該地區(qū)植被恢復和環(huán)保政策的制定以及遙感模型的發(fā)展應用提供基礎數(shù)據(jù)。

目前，對森林生態(tài)系統(tǒng)固碳速率和生產力特征的研究較多采用空間代替時間法[12]、限制因子法[13]和情景分析模型模擬法[10,14]，采用長期連續(xù)監(jiān)測固定樣地方法的較少。本研究以黃土丘陵區(qū)刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林和遼東櫟(Quercusliaotungensis)天然次生林為對象，通過對長期連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，估算生態(tài)系統(tǒng)的碳庫特征和固碳速率，并探討這兩種森林類型的成熟林是否仍然持續(xù)發(fā)揮碳匯功能等問題，以期為該地區(qū)人工林和天然林的經營管理提供基礎理論參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于陜西省延安市南郊公路山林區(qū)(109°31.53′E，36°25.40′N)，海拔高度為1 245～1 395 m，屬于森林—森林草原過渡帶，地貌類型屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，主要土壤類型為黃綿土，氣候屬于溫帶半干旱氣候區(qū)。延安市氣象臺的統(tǒng)計資料(1981—2010年)顯示，平均年降水量515.8 mm，年均氣溫10.3℃。遼東櫟林是該區(qū)典型的天然植被，林內伴生種有山杏(Ameniacasibirica)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)等，林下灌木主要有水栒子(Cotoneastermultiflorus)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、黃薔薇(Rosahugonis)、紫丁香(Syringaoblata)等。而刺槐林為該區(qū)域內主要的人工林植被，林下灌草稀疏雜生。刺槐人工林和遼東櫟天然次生林兩種林型均無人工管理。

1.2 研究方法

1.2.1 調查樣地設置 選擇研究區(qū)內典型的刺槐人工林和遼東櫟天然林為研究對象，設置立地條件和密度具有一定代表性的樣地各3塊，樣地間距約為0.5～1.5 km，其中兩種林地各有1個樣地(R1和Q1)為2002年設置的長期固定監(jiān)測樣地，樣地規(guī)格為20 m×20 m；其他樣地為2013年調查時設置，規(guī)格為20 m×40 m。樣地基本信息見表1。

1.2.2 野外調查及樣品采集

(1) 喬木的調查與采樣。樣地設置時，對樣地內所有胸徑大于5 cm的喬木進行每木檢尺，并在胸徑測定處做永久標記，以后于每年的生長季結束后(10月底)進行一次胸徑和樹高的測定。在2013年生長季內，在各樣地附近按大、中、小徑級分別選擇3～5株樣木，分葉、枝、干、根4個器官取樣，將相同器官的樣品混合，再取各器官不少于200 g重量的混合樣帶回實驗室作為測定碳含量樣品待處理分析。

(2) 灌木、草本和凋落物現(xiàn)存量的調查與采樣。固定樣地R1和Q1的灌木調查是在樣地邊緣選取與樣地內植被狀況一致的3塊2 m×2 m的樣方，而在其他4個樣地內則是沿對角線設置3個灌木樣方(2 m×2 m)，調查樣方內灌木種類，全部收獲后分葉、枝、根稱鮮重，將3個小樣方內枝、葉、根分別混合均勻后各取不少于300 g的混合樣；在每個灌木樣方內設置一個1 m×1 m草本樣方，分地上與地下部分收獲后稱鮮重并取樣；凋落物現(xiàn)存量的調查是將1 m×1 m樣方內的凋落物全部收獲后稱鮮重并取重量不少于300 g的樣品。將灌木、草本和凋落物的樣品稱鮮重后帶回實驗室進行含水量和碳含量的分析測定。

表1 樣地基本信息

注：表中胸徑和樹高數(shù)值表示為平均值±標準差；密度和基干面積按投影面積計算，數(shù)據(jù)為2013年調查數(shù)據(jù)。

(3) 凋落物的收集。本文凋落物生產量數(shù)據(jù)采用從2002年8月—2012年10月10年間的觀測數(shù)據(jù)。分別在R1和Q1兩個固定樣地內均勻布設10個50 cm×50 cm的凋落物收集框，離地高度約50 cm。每月月底采集一次凋落物，帶回實驗室置于65℃下烘干至恒重，稱重。

(4) 細根采樣調查。采用土鉆法，在樣地的上、中、下部位分別設置若干個采樣點，采集0—20 cm，20—40 cm的土芯10個，將采集的樣品盡快帶回實驗室，用流動水浸泡、漂洗，挑出直徑<2 mm的細根。根據(jù)外形、顏色和彈性區(qū)分死根和活根，風干后稱重，并取一定質量的樣品在65℃烘箱中烘干至恒重，得干重率，換算出單位面積細根的生物量。

1.2.3 室內樣品處理與分析測定 將野外采集的喬木各組分、灌木各組分、草本及凋落物樣品置于65℃烘箱烘至恒重測得含水量。用于植物有機碳含量測定的烘干樣品需磨碎過0.25 mm篩。每個樣地的待測樣品均包括以下10部分：喬木的葉、枝、干、根，灌木的葉、枝、根，草本的地上、地下部分以及凋落物。植物樣品有機碳含量測定采用重鉻酸鉀—硫酸氧化外加熱法。

1.2.4 各指標的計算

(1) 喬木層各組分生物量。根據(jù)針對兩種森林生態(tài)系統(tǒng)已有的相關研究成果等文獻資料，選擇臨近本研究區(qū)域的生物量回歸方程。其中刺槐和遼東櫟喬木生物量估算分別采用張柏林等[15-16]在這一地區(qū)建立的生物量回歸方程(表2)。由胸徑和樹高求得單株喬木各組分(干、枝、葉、根)的生物量，進而求得整株的生物量以及全樣地喬木生物量。

表2 刺槐與遼東櫟生物量回歸方程

注：W為生物量；D為胸徑；H為樹高。

(2) 灌木、草本及凋落物生物量。將所采樣品帶回實驗室后置于65℃烘箱中，烘干至恒重，稱重后計算樣品的含水率，進而推算出樣地內單位面積(hm2)灌木各器官(葉、枝、根)、草本地上和地下部分的生物量及凋落物量。

(3) 植被層各部分碳密度。兩個森林生態(tài)系統(tǒng)中植被層各部分(喬木的干、枝、葉、根，灌木的葉、枝、根，草本的地上、地下部分和凋落物)碳密度的計算采用各組分的生物量與其相對應碳含量的乘積。

(4) 凈初級生產力。凈初級生產力表示植被的凈碳吸收，即為總初級生產力減去自養(yǎng)呼吸碳消耗的凈碳積累部分。本研究基于樣地2004年和2013年的兩次調查數(shù)據(jù)來計算單位面積上喬木、灌木的干、枝、根各部分生物量增量，然后除以兩次調查的間隔年限，得到兩個森林生態(tài)系統(tǒng)中喬、灌的年凈增長量。喬木和灌木均為落葉闊葉樹種，其葉的年增長量為現(xiàn)存量，由連續(xù)收集的凋落物算得。本地草本植物以一年生為主，可用當年的現(xiàn)存量作為年生產量，因此草本的年凈增長量為生長高峰期的生物量。

(5) 固碳速率。后一次調查的生態(tài)系統(tǒng)總碳密度減去前一次調查的生態(tài)系統(tǒng)總碳密度，然后再除以兩次調查相隔的年限，即為生態(tài)系統(tǒng)在這一段時間內的平均固碳速率。

(6) 土壤異養(yǎng)呼吸。土壤年異養(yǎng)呼吸速率采用本課題組在本研究固定樣地內(R1和Q1)逐月測定的相關數(shù)據(jù)(已發(fā)表)。通過對兩固定樣地2010年各月份土壤總呼吸和異養(yǎng)呼吸速率[17]進行回歸分析并建立二者的回歸方程，再結合兩樣地土壤總呼吸的年均排放量[18]計算獲得兩種林地土壤異養(yǎng)呼吸的年均排放總量。關于土壤呼吸的詳細測定及計算方法見Shi等[17-18]。

(7) 生態(tài)系統(tǒng)碳平衡。本文采用生態(tài)系統(tǒng)碳平衡來表述生態(tài)系統(tǒng)中碳的收支情況，本文指的是凈初級生產力減去異養(yǎng)呼吸之后的部分，單位為t C/(hm2·a)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析 野外調查所得數(shù)據(jù)經Excel 2010簡單整理之后，用SPSS 20.0進行分析，采用SigmaPlot 12.5軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 黃土丘陵區(qū)刺槐人工林、遼東櫟天然林植被層各組分碳含量

黃土丘陵區(qū)刺槐人工林喬木各器官的碳含量為38.11%～49.33%，遼東櫟天然林喬木各器官的碳含量范圍為37.64%～49.24%，二者的范圍基本一致(圖1)。刺槐喬木各器官的碳含量表現(xiàn)為干>葉>枝>根，而遼東櫟林為葉>干>枝>根。刺槐人工林的喬木各器官碳含量之間的差異均達到顯著性水平，而遼東櫟天然林中，喬木干和枝之間不存在顯著性差異，它們分別與其他器官以及其他器官之間均存在顯著差異。兩個樹種之間，喬木相對應的器官之間除根以外均有顯著差異。

刺槐人工林和遼東櫟天然林林下灌木層各器官的碳含量見圖1，兩典型森林生態(tài)系統(tǒng)的灌木葉、枝的碳含量均顯著高于灌木根，而灌木葉與枝之間的差異沒有達到顯著性水平。在總體水平上，兩個樹種之間，灌木相對應的各器官差異不大。兩典型森林生態(tài)系統(tǒng)草本地上部分的碳含量均高于地下部分(圖1)，但是其差異在兩個林型中均沒有達到顯著性水平。同樣地，凋落物的碳含量在刺槐人工林和遼東櫟天然林之間也沒有顯著差異。

注：小寫字母代表同一植被層不同組分之間的差異顯著，大寫字母代表同一組分兩個樹種之間的差異顯著，下圖同。

圖1 刺槐人工林與遼東櫟天然林生態(tài)系統(tǒng)不同組分碳含量

2.2 黃土丘陵區(qū)刺槐人工林、遼東櫟天然林植被層各組分碳密度

刺槐和遼東櫟喬木各器官的碳密度見表3，兩林分中均為干的碳密度最大，分別為31.4，40.1 t/hm2，各器官的碳密度大小均表現(xiàn)為干>枝>根>葉。兩林分喬木相對應各器官之間的差異表現(xiàn)為刺槐人工林葉的碳密度顯著低于遼東櫟天然林，其他各器官在兩個林分之間均無顯著差異。

兩林分的灌木層不同器官的碳密度見表3，灌木層各器官在兩個林分之間不存在顯著性差異，同一森林類型的灌木葉、枝、根之間差異顯著。各器官中灌木枝的碳密度均為最大，灌木根次之，葉最小。刺槐人工林和遼東櫟天然林灌木層的碳密度分別為2.32，3.42 t/hm2。兩種典型林分草本層碳密度之間沒有顯著差異，而遼東櫟林草本地下部分碳密度顯著高于地上部分，人工刺槐林的草本地上部分和地下部分之間差異不顯著。兩林分的凋落物碳密度之間也不存在顯著差異。

表3 刺槐人工林與遼東櫟天然林植被層不同組分碳密度 t/hm2

注：小寫字母代表同一植被層不同組分之間的差異顯著，大寫字母代表同一組分兩個樹種之間的差異顯著。

2.3 黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)固碳速率和凈初級生產力

黃土丘陵區(qū)刺槐人工林、遼東櫟天然林生態(tài)系統(tǒng)植被層每年生產的生物量平均為15.20，18.21 t/(hm2·a) (表4)。其中，喬木層年增長量最高為刺槐人工林10.64 t/(hm2·a)和遼東櫟天然林12.20 t/(hm2·a)，其后各組分的增量依次為凋落物、灌木層和草本層，其中草本層所占比例最小，僅為2.8%和2.3%。刺槐人工林和遼東櫟天然林的生態(tài)系統(tǒng)植被層的年固碳量為7.57，8.91 t C/(hm2·a) (表4)，其中喬木層最高，分別占植被層的63.8%，65.6%。各組分在兩典型森林生態(tài)系統(tǒng)中的貢獻率一致，表現(xiàn)為喬木層>凋落物層>草本層>灌木層。對比兩森林生態(tài)系統(tǒng)得出，遼東櫟天然林生態(tài)系統(tǒng)各組分年固碳量除草本層基本一致外，其他各組分均高于刺槐人工林。

表4 刺槐、遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力和固碳速率 t C/(hm2·a)

2.4 黃土丘陵區(qū)刺槐、遼東櫟的生態(tài)系統(tǒng)碳平衡

兩生態(tài)系統(tǒng)中2010年逐月的土壤總呼吸與異養(yǎng)呼吸呈顯著的線性相關關系(p<0.001)。根據(jù)圖2中回歸分析得到的方程，結合兩樹種樣地內土壤總呼吸年平均排放量估算出刺槐人工林和遼東櫟天然林的土壤異養(yǎng)呼吸年均排放總量為5.756，7.946 t C/(hm2·a)。遼東櫟林地的土壤異養(yǎng)呼吸的年總排放量明顯高于刺槐林地。

圖2 刺槐人工林與遼東櫟天然林土壤呼吸特征

由表5可知，刺槐人工林生態(tài)系統(tǒng)年凈固碳量為1.814 t C/(hm2·a)，而遼東櫟天然林生態(tài)系統(tǒng)的年凈固碳量為0.966 t C/(hm2?a)。遼東櫟林地的土壤異養(yǎng)呼吸量高于刺槐林地。刺槐人工林的年凈固碳量為遼東櫟林的1.88倍。

表5 刺槐、遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡 t C/(hm2·a)

3 討論與結論

本研究中兩典型森林生態(tài)系統(tǒng)喬木層相應各器官的碳含量之間均存在顯著差異。刺槐人工林喬木層各器官的碳含量與之前的研究結果基本一致[19]。而遼東櫟林的林下灌木層、草本層的平均碳含量均高于刺槐林，這可能與兩林分不同的冠層結構及光合生態(tài)特性有關[20]。另外，兩森林生態(tài)系統(tǒng)中垂直層次上各器官碳含量依次為喬木層>灌木層>草本層。喬木層葉片位于林冠上層，能夠接受到較長時間日照，截獲更多的能量，促進植物光合作用積累較多的有機物質，因而碳含量較高[21]。從整個植被層來看，刺槐人工林的碳密度為67.53 t/hm2，遼東櫟天然次生林為76.89 t/hm2，均高于同一地區(qū)立地條件相接近的相同林分[15,22-23]和中緯度國家森林的平均植被碳儲量57 t/hm2[24]。本研究結果高于陜西省櫟類和硬闊類的碳密度[25]，可能是由于計算方法以及林齡不同造成的差異。本研究結果明顯高于西北地區(qū)植被碳密度[26](42.82 t/hm2)和我國的森林植被碳密度[27](41.00 t/hm2)，這可能是因為本研究中涉及樣地的林齡偏大，且林分密度較大。

凈初級生產力是反映森林生態(tài)系統(tǒng)同化CO2能力的重要指標[28]，本研究中刺槐林和遼東櫟林生態(tài)系統(tǒng)植被層每年生產的干物質量分別為15.20，18.21 t/(hm2·a)，高于前人的其他研究[15-16]。遼東櫟林的生物量年增長量高于刺槐林，與張希彪等[29]研究報道的刺槐林生物量年增長量高于遼東櫟林的結果剛好相反，這可能是由于林齡、立地條件以及計算方法不同造成的，另外植物所處環(huán)境及群落格局都會影響其生長，群落結構也是影響森林生態(tài)系統(tǒng)生產力的一個因素[30]。本研究得出刺槐林和遼東櫟林植被層的固碳速率分別為6.12，7.19 t C/(hm2·a)高于相關研究[7,31]。地形、海拔和坡度等環(huán)境因子是影響闊葉林固碳的重要因素，這些因子不同時其所處位置的水分、養(yǎng)分、光照和土壤條件也不同，從而引起不同地區(qū)之間固碳速率存在很大差異[32]。

凈生態(tài)系統(tǒng)生產力能夠直接度量生態(tài)系統(tǒng)和大氣之間CO2交換的狀況，是表征生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的重要指標，能夠直觀評價生態(tài)系統(tǒng)的碳源匯功能[33]。本研究中刺槐林和遼東櫟林的年凈固碳量分別為1.814，0.966 t C/(hm2·a)，遼東櫟林的固碳量要高于刺槐林，但是其土壤異養(yǎng)呼吸量也高于刺槐林，使得刺槐林的年凈固碳量約為遼東櫟林的1.88倍。本研究結果低于楊鳳萍等[10]在秦嶺火地塘林區(qū)內對油松和華山松的估算結果[4.18，3.2 t/(hm2·a)]，這可能是因為火地塘林區(qū)內降雨量充沛且溫度適宜有利于油松和華山松生長，而在陜北黃土高原地區(qū)水、肥因子是各類型生態(tài)系統(tǒng)的主要限制因子[34]。刺槐林的年凈固碳量與延安地區(qū)植被同一時期內的研究結果基本一致[2.0～3.0 t C/(hm2·a)][9]，而遼東櫟林則略低于這些研究結果。說明刺槐成熟林生態(tài)系統(tǒng)在本研究區(qū)域內仍然表現(xiàn)為重要的碳匯，因此在生態(tài)環(huán)境脆弱的黃土丘陵地區(qū)應加強對刺槐人工林的經營管理，以充分地發(fā)揮其生態(tài)功能，更好地改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

目前，我國對森林碳匯的研究工作開展了很多，但是由于計算方法的不同且其受影響的自然和人為因素眾多，使得估算結果存在較大差異[35]。本研究中估算的刺槐人工林和遼東櫟天然林著重考慮的是地上生產力和碳匯功能，沒有考慮細根生產力的影響，使得本研究結果可能會低估這兩種森林類型的生產力和碳匯功能。森林生物量清查法作為傳統(tǒng)的估算方法而被人們所普遍接受，為提高估算結果的準確性，應建立起統(tǒng)一的標準規(guī)范，在該規(guī)范下進行更精細的研究[36-37]。然而，每一種估算方法都有其不同的側重和局限性，如何綜合應用多種方法降低誤差，更準確地估算森林碳匯，為碳循環(huán)模型和區(qū)域尺度碳平衡的估算提供更可靠的數(shù)據(jù)支撐是今后研究工作的要點。