薛沛沛，李 彬，王軼浩，馮大蘭，朱小龍*，盧 斌

(1.重慶市林業(yè)科學(xué)研究院，三峽庫區(qū)森林保護(hù)與恢復(fù)重慶市市級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400036;2.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083)

21世紀(jì)，全球變化問題已成為聯(lián)合國氣候變化峰會(huì)和APEC等世界各國首腦會(huì)議的主題。全球變化引起了研究者對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳平衡、碳儲(chǔ)量的關(guān)注。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，也是地球上最大的碳庫，貯存了陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳庫的56%［1，2］，森林生態(tài)系統(tǒng)地上部分和地下部分碳庫分別占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的80%和40%［3］。

隨著全球變暖趨勢(shì)的日益明顯，森林固碳問題越來越受到各國學(xué)者的重視［4］，并對(duì)此做了大量的研究［5－9］，關(guān)于馬尾松林分碳儲(chǔ)量和碳分配格局的報(bào)道也不少［10，11］。然而，三峽庫區(qū)作為馬尾松最主要的適生區(qū)之一，對(duì)千萬畝馬尾松林的碳分配格局研究報(bào)道很少。為此，本文運(yùn)用野外實(shí)地采樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，并結(jié)合文獻(xiàn)資料，對(duì)三峽庫區(qū)馬尾松林碳儲(chǔ)量及分配格局進(jìn)行了探討，以期為三峽庫區(qū)馬尾松林碳分配的進(jìn)一步研究和正確評(píng)價(jià)馬尾松林的生態(tài)效益提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

本研究采取基于文獻(xiàn)的研究數(shù)據(jù)資料和實(shí)測(cè)方法相結(jié)合，對(duì)三峽庫區(qū)馬尾松林的碳分配進(jìn)行研究。

1.1 文獻(xiàn)資料

張治軍等對(duì)重慶鐵山坪馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配特征的研究［12］。

1.2 實(shí)測(cè)方法

1.2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市萬州區(qū)新田林場(chǎng)，長江以南，方斗山脈以北，東臨武陵鎮(zhèn)、高峰鎮(zhèn)，西接石柱縣，南與百安辦接壤，交通較為方便。地處北緯30°36'19.8″，東經(jīng) 108°23'43.3″。海拔1 080.3 m。立地條件較好，黃壤，中性至微酸性，中山。全場(chǎng)林業(yè)用地面積3 262.3 hm2，活立木總蓄積為43.5萬m3。森林植被以馬尾松、杉木為主，灌木有青岡、巨木、柃木、山礬、青冬、杜鵑等，蓋度為20%，地被物有茅草、蕨類，蓋度為25%。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)地選擇

2011年1月～2月，在40 a～45 a生的馬尾松林中，設(shè)置4個(gè)具有代表性的面積為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地。標(biāo)準(zhǔn)地基本情況見表1。

表1 新田林場(chǎng)馬尾松林喬木群落的一些參數(shù)Table1 Parameters of arbor layer of Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

1.2.3 樣品采集

1.2.3.1 喬木層生物量調(diào)查 選擇標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行樹干解析。(1)樹干調(diào)查:樹干解析方法參照測(cè)樹學(xué)［13］，并現(xiàn)場(chǎng)稱鮮質(zhì)量。在樹木地徑處以及全高的0.25、0.5和0.75處分別截取3 cm～5 cm厚的圓盤，裝入自封袋做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室。(2)枝葉調(diào)查:以枝基徑 ＜1 cm、1 cm ～2 cm、2 cm ～4 cm、＞4 cm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，稱取鮮質(zhì)量;每級(jí)選取3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝稱取帶葉枝總鮮質(zhì)量;摘凈葉，分別稱取枝葉鮮質(zhì)量;按等級(jí)分別裝入自封袋做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室。(3)根系調(diào)查:分不同方向(樹干基部的坡上、坡下、左、右)、層次(0 ～20 cm、20 cm ～40 cm、40 cm～60 cm、60 cm ～80 cm、80 cm ～100 cm 等層次，直至無根系分布)挖取樹木根系，用水沖洗，風(fēng)干后分d＜1 cm、1 cm ～2 cm、2 cm ～5 cm、5 cm ～10 cm、＞10 cm 5類，分層分類稱鮮質(zhì)量后，隨機(jī)抽取1 kg樣品，裝入自封袋做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.2.3.2 林下植被生物量調(diào)查 在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，按對(duì)角線法設(shè)3 m×3 m的樣方4個(gè)，采用“樣方收獲法”［14，15］測(cè)定灌木層生物量。由于林地地表幾乎沒有草本層，因此本研究在碳儲(chǔ)量測(cè)算中草本層忽略不計(jì)。按對(duì)角線法設(shè)置1 m×1 m的樣方4個(gè)，凋落物按未分解、半分解測(cè)定其鮮質(zhì)量。

1.2.3.3 土壤有機(jī)碳調(diào)查 每一標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按“S”形布點(diǎn)方法，挖取3個(gè)土壤剖面，分0～20 cm、20 cm～40 cm、40 cm ～60 cm、60 cm ～100 cm 等4個(gè)層次取樣，每層取樣不少于1 kg。同時(shí)用100 cm3環(huán)刀測(cè)定土壤容重。土樣風(fēng)干，去除礫石等雜物后過2 mm篩備用。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析與處理

1.2.4.1 植物樣品 帶回的植物樣品，分別在80℃下烘干至恒重，稱重。根據(jù)模型W=a(D2H)b和每木檢尺數(shù)據(jù)，求算林分喬木樹干、枝、葉和根生物量。按照方運(yùn)霆等對(duì)廣東鼎湖山馬尾松純林(林齡約為50 a以上)各器官與林下植被及凋落物碳含量的測(cè)定結(jié)果，對(duì)本地區(qū)植被的碳貯量進(jìn)行估算［16］，喬木層各器官的碳含量分別為:樹干61.38%，樹枝53.33%，樹葉44.63%，樹根59.13%。木質(zhì)物殘?bào)w層以及林下植被層碳儲(chǔ)量則采用常見的0.45的碳轉(zhuǎn)化率［17］。然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地密度計(jì)算每公頃馬尾松林的碳儲(chǔ)量。

1.2.4.2 土壤樣品 以重鉻酸鉀法—外加熱法測(cè)定有機(jī)碳含量［18］;再根據(jù)土壤有機(jī)碳含量、土壤密度和土層深度計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式為:

式中:S表示土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，i表示土壤層次，Ci表示土壤有機(jī)碳含量，di表示土壤密度，Di表示土壤深度。本研究土壤密度為1.28 g·cm－3～1.55 g·cm－3，因此，本研究土壤各層次的有機(jī)碳貯量用密度的平均值1.41 g·cm－3進(jìn)行換算。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬尾松林生物量及其分配特征

生物量是植物群落最重要的數(shù)量特征之一，直接反映了生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)者的物質(zhì)生產(chǎn)量，也是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)［19］。

測(cè)定結(jié)果表明，新田林場(chǎng)40 a～45 a生馬尾松林的總生物量平均為145.48 t·hm－2(見表2)。資料顯示，鐵山坪林場(chǎng)45 a～51 a生馬尾松林總生物量平均為142.06 t·hm－2。兩個(gè)林場(chǎng)的馬尾松生物量表現(xiàn)出如下特征:(1)喬木層生物量占馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)生物量的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(新田林場(chǎng)占85.68%，鐵山坪林場(chǎng)占89.91%)，灌木層次之(新田林場(chǎng)占11.42%，鐵山坪林場(chǎng)占5.61%)，凋落物層分別占2.90%(未分解層占64.27%，半分解層占35.73%)和2.98%(未分解層占 62.03%，半分解層占37.97%)。由于實(shí)測(cè)試驗(yàn)是在年初進(jìn)行的，所以未進(jìn)行草本層的采集和調(diào)查，因此本文不進(jìn)行討論?？梢?，在森林生態(tài)系統(tǒng)生長空間尺度上，生物量分布呈現(xiàn)由上到下遞減的規(guī)律［20］。

表2 新田林場(chǎng)馬尾松林分不同層次生物量分配情況Table 2 Biomass distribution of stand in different layers of Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，新田林場(chǎng)馬尾松林的總生物量差異不大，標(biāo)準(zhǔn)地4的生物量最大，為153.80 t·hm－2，其它3個(gè)樣方的生物量排序依次為標(biāo)準(zhǔn)地1＞標(biāo)準(zhǔn)地2＞標(biāo)準(zhǔn)地3。但鐵山坪林場(chǎng)各標(biāo)準(zhǔn)地的總生物量相差較大，生物量最大樣方1(161.11 t·hm－2)是生物量最小樣方(115.73 t·hm－2)的1.39倍，這可能與樹木密度、樹木分布或立地條件等有關(guān)。

喬木層是人工生態(tài)系統(tǒng)中最大的物質(zhì)生產(chǎn)者，它的生物量特點(diǎn)直接反映了林分有機(jī)物質(zhì)的生產(chǎn)與積累水平［21］。喬木層生物量中，樹干生物量占整株樹木生物總量的60%以上，馬尾松各器官生物量占各自總生物量的比例依次為干＞枝＞根＞葉(見表3)。由此可見，在喬木層生物量中，樹干的比重最高，這與張尚炬［22］對(duì)沿海馬尾松臺(tái)灣相思次生林生態(tài)系統(tǒng)生物量及碳貯量的研究結(jié)果一致。

表3 新田林場(chǎng)馬尾松林喬木層的生物量及其器官分配Table 3 The biomass and organ distribution of arbor layer in Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

2.2 馬尾松林各組分碳含量及其分配特征

新田林場(chǎng)馬尾松林各組分碳含量見表4。表4顯示，馬尾松林的碳分配以喬木層占的比例最大，所占比例88.79%;灌木層碳儲(chǔ)量為7.37 t·hm－2，凋落物層的碳儲(chǔ)量所占比例為2.28%。碳儲(chǔ)量在三峽庫區(qū)馬尾松林的分配同生物量的分配一致，表現(xiàn)出從上到下依次遞減的趨勢(shì)。

表4 新田林場(chǎng)馬尾松林林各組分碳含量Table4 Carbon storage of of different parts in Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

根據(jù)馬尾松的生物量和碳含量，得出各器官的碳儲(chǔ)量。由表5可以看出，新田林場(chǎng)馬尾松林喬木層的碳儲(chǔ)量均值為73.29 t·hm－2，比鄧華平研究的35 a生的馬尾松林喬木層碳儲(chǔ)量的115.52 t·hm－2減少了42.33 t·hm－2。資料表明，鐵山坪馬尾松林喬木層的碳儲(chǔ)量均值為76.06 t·hm－2。40 a～45 a生的馬尾松林碳儲(chǔ)量與45 a～51 a生馬尾松林相差2.77 t·hm－2。由此說明馬尾松林在45 a之后生長比較緩慢。同時(shí)也可以看出三峽庫區(qū)的馬尾松林較其它地區(qū)生長較慢，生物量積累較慢，這可能與未進(jìn)行人工經(jīng)營有關(guān)，從而導(dǎo)致碳儲(chǔ)量偏低。這與夏鑫［23］對(duì)馬尾松老齡林的研究具有高度的一致性。馬尾松林喬木層各器官碳儲(chǔ)量的排序?yàn)?樹干＞樹枝＞樹根＞樹葉。

表5 新田林場(chǎng)馬尾松林喬木層各器官的碳儲(chǔ)量Table 5 Carbon storage of different organ of arbor layer in Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

2.3 不同層次土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及其分配特征

馬尾松林各樣方土壤碳儲(chǔ)量隨著土層深度的增加而逐漸減小。由表6可看出，土壤碳儲(chǔ)量以表層土(0 ～20 cm)最大，均值為 68.61 t·hm－2，占土壤層總碳儲(chǔ)量的55.45%。20 cm～40 cm土壤碳儲(chǔ)量25.61 t·hm－2，占總碳儲(chǔ)量的20.69%;40 cm ～60 cm土壤碳儲(chǔ)量15.62 t·hm－2，占總碳儲(chǔ)量的12.63%;60 cm ～100 cm 土壤碳儲(chǔ)量 13.90 t·hm－2，占總碳儲(chǔ)量的11.23%?？梢?，0～40 cm土層，在森林有機(jī)碳儲(chǔ)量的研究中，占有舉足輕重的地位。鐵山坪0～62 cm土壤層總有機(jī)碳貯量為114.96 t·hm－2，腐殖質(zhì)層有機(jī)碳含量最高，平均為9.68%，而2 cm～12 cm土層有機(jī)碳含量平均為2.17%，42 cm～62 cm土層有機(jī)碳含量僅為0.76%?？梢?，三峽庫區(qū)的土壤有機(jī)碳貯量基本上是由表層向深層逐漸降低。

表6 新田林場(chǎng)不同層次土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量Table 6 Carbon storage of different soil layers in Xintian State Forest Farm

2.4 馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的空間分布

新田林場(chǎng)馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量平均為206.28 t·hm－2，其中，植被層占 40.01%，土壤層占59.99%。植被層中，喬木層占35.53%，灌木層占3.57%，凋落物層占1.05%。鐵山坪林場(chǎng)馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)的總有機(jī)碳貯量為197.78 t·hm－2，其中土壤有機(jī)碳貯量占58.13%?？梢?，森林土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)以及陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的碳庫之一。此結(jié)果與韓娟娟［24］對(duì)子午嶺遼東櫟類群落碳儲(chǔ)量的研究結(jié)果相似。

因此，研究表明，三峽庫區(qū)馬尾松林碳儲(chǔ)量的分布以喬木層和土壤碳庫為主，但與其它研究相比，三峽庫區(qū)馬尾松林的碳儲(chǔ)量比較低，而且40 a～51 a生的馬尾松林已達(dá)成熟期。為了增加森林的固碳能力，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)森林的管理、經(jīng)營以及改造。

3 結(jié)論與討論

3.1 調(diào)查方法

目前，研究森林生態(tài)系統(tǒng)植冠層生物量和碳儲(chǔ)量的方法主要有樣地清查法、模型模擬法、遙感估算法等。樣地清查法適用于小尺度森林生態(tài)系統(tǒng)的研究，實(shí)測(cè)所有樹木的生物量和碳儲(chǔ)量頗為困難。模型模擬法主要用于大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究，但由于一些生態(tài)學(xué)過程的特征參數(shù)不易獲得或難以把握，以及可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)的可獲得性標(biāo)準(zhǔn)不一致，模型化很難［25］。遙感估算法能滿足不同的研究在時(shí)間和空間尺度上的要求，適合于區(qū)域尺度上的研究。通過比較分析，本研究采用樣地清查法。

不同的研究人員用不同方法對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量和碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究，所得的結(jié)果也存在差異［26］。如設(shè)置樣方面積的大小、樣方選擇的代表性等。本研究所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)地20 m×20 m、灌木樣方3 m×3 m、凋落物樣方1 m×1 m，是參照大量文獻(xiàn)［27～29］的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況而確定的。

3.2 植被碳含量

過去的區(qū)域和國家尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算中，國內(nèi)外研究者大多采用0.5來作為所有森林類型的平均含碳率［30～32］，也有采用0.45作為平均含碳率的［33］。極少根據(jù)樹木不同組分的不同碳含量進(jìn)行計(jì)算。如劉應(yīng)芳等［34］對(duì)蜀南竹海風(fēng)景區(qū)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其空間分配特征進(jìn)行研究時(shí)指出，為了更準(zhǔn)確地計(jì)算毛竹林碳儲(chǔ)量，應(yīng)根據(jù)毛竹不同器官采用不同的含碳量作為轉(zhuǎn)換系數(shù)。前人對(duì)鼎湖山保護(hù)區(qū)馬尾松林的碳素含量進(jìn)行了測(cè)定，因此，本研究中，喬木層各器官的碳含量分別按樹干 61.38%、樹枝 53.33%、樹葉 44.63、樹根59.13%進(jìn)行換算。

群落的總生物量主要取決于喬木層，喬木層的生物量主要以樹干為主。三峽庫區(qū)馬尾松林分的生物量與表現(xiàn)出相同的特征，該研究結(jié)果與方運(yùn)霆等［35］對(duì)馬尾松和荷木混交林、馬煒等［36］對(duì)長白落葉松、周國模等［37］對(duì)毛竹林的研究以及張駿［38］對(duì)中國中亞熱帶東部森林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果一致。

3.3 土壤碳含量

土壤碳儲(chǔ)量所用公式不同，獲得的結(jié)果不盡相同。本研究所采用的土壤碳儲(chǔ)量計(jì)算方法為大部分土壤碳儲(chǔ)量研究中常用的方法。研究結(jié)果表明土壤碳儲(chǔ)量隨土層深度的增加而逐漸降低，這與大多數(shù)研究的結(jié)果呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，如楊曉梅等［20］對(duì)不同林地土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量及垂直分布特征的研究、李正才等［39］對(duì)北亞熱帶土地利用變化對(duì)土壤有機(jī)碳垂直分布特征及儲(chǔ)量的影響的研究。

3.4 展望

本研究實(shí)測(cè)的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地中，在植被碳儲(chǔ)量上，標(biāo)準(zhǔn)地4占據(jù)相對(duì)優(yōu)勢(shì)，是由于標(biāo)準(zhǔn)地4的土壤碳含量高的原因。對(duì)植被層來說，標(biāo)準(zhǔn)地1的碳儲(chǔ)量最大，說明新田林場(chǎng)密度為1 500株·hm－2的馬尾松林表現(xiàn)相對(duì)較好，在以后的研究中，可以對(duì)產(chǎn)生該現(xiàn)象的具體原因做詳細(xì)研究。但與其它地區(qū)對(duì)馬尾松林的研究相比，三峽庫區(qū)馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量相對(duì)偏低，這可能與未對(duì)其進(jìn)行經(jīng)營管理有關(guān)，也可能與該研究所采用的方法有關(guān)。本研究所選擇的新田林場(chǎng)和鐵山坪林場(chǎng)，雖然具有較好的代表性，但由于三峽庫區(qū)包括范圍廣，地勢(shì)起伏，立地條件相差較大，因此，在今后的研究中，應(yīng)該選取在三峽庫區(qū)多處設(shè)置樣地，應(yīng)進(jìn)行不同取樣方法、不同數(shù)據(jù)處理和計(jì)算方法、不同森林經(jīng)營方法等方面的比較和研究。

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