崔鴻俠 唐萬鵬 胡興宜 潘 磊

(湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢，430075)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，它貯存了陸地生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)碳地上部分的76%～98%和地下部分的40%［1－3］。作為全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中占有十分重要的地位。森林生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤固碳量減少已被認(rèn)為是造成大氣CO2濃度升高的原因之一［4－6］。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量進(jìn)行了調(diào)查研究［7－10］，徐新良等［11］的研究結(jié)果顯示，中國森林植被的碳匯功能主要來自于人工林的貢獻(xiàn)。關(guān)于人工林的碳儲量研究中，對杉木(Cunninghamia lanceolata)、毛竹(Phyllostachys pubescens)等樹種的報道較多［12－13］，而對楊樹碳儲量的研究相對較少［14］。

楊樹人工林是江漢平原最主要的森林類型，目前該地區(qū)楊樹人工林已達(dá)到30萬hm2，楊樹產(chǎn)業(yè)已成為江漢平原的經(jīng)濟(jì)支柱之一。為保證楊樹人工林的可持續(xù)發(fā)展，有必要對楊樹人工林的碳蓄積規(guī)律及其土壤碳蓄積動態(tài)進(jìn)行研究。本研究對江漢平原地區(qū)栽植4、6和8年生的楊樹人工林林分及土壤碳動態(tài)進(jìn)行初步研究，為了解和發(fā)揮人工林的生態(tài)功能、正確評估人工林的碳儲存能力、探討森林生態(tài)系統(tǒng)碳蓄積規(guī)律和森林碳庫的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)選在屬于江漢平原的石首市。江漢平原地處長江中游，是由長江、漢水及湖泊泛濫淤積而形成的沖積平原，與洞庭湖平原合稱兩湖平原。江漢平原地勢低平，海拔一般低于100 m，大部分40 m以下，平原邊緣的蝕余丘陵海拔高度也多為200～3 00m。屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年日照時數(shù)2 000 h左右，年均氣溫15～17℃，≥10℃年積溫5 000～5400℃，無霜期240～270 d，年降水量1100～1 300 mm。區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)交織、湖泊眾多、堤垸縱橫，大小湖泊約300多個。水、熱、光、溫等資源豐富，且土壤質(zhì)地好，水熱同季，是我國重要的優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、水產(chǎn)品等生產(chǎn)基地。

2 研究方法

樣地設(shè)置與土樣采集:于2008年6月在楊樹林區(qū)選擇立地條件相近、品種和栽植密度相同的不同年齡楊樹人工林。按照4、6和8年生各設(shè)置樣地3個，面積為20 m×20 m，共計9個樣地。對樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木調(diào)查，并分別在每個樣地按S形布設(shè)5個采樣點(diǎn)，用直徑為5 cm的取土鉆在林地表層(0～20 cm)取出完整的土芯，將5個采樣點(diǎn)的土樣混合均勻，留取1 kg土樣自然風(fēng)干，用于測定土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)。同時用100 cm3環(huán)刀測定土壤密度。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

林木生物量測定:楊樹人工林下灌草極少，相對于喬木層生物量可以忽略不計。對江漢平原楊樹人工林單木生物量的估算，采用課題組成員唐萬鵬等［15］已建立的生物量回歸方程進(jìn)行，見表2。再根據(jù)栽植密度推算單位面積楊樹人工林林分的生物量。

表2 楊樹單木各組份生物量估測模型

林木碳儲量測定:林木碳儲量由生物量乘以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)得出。一般碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)取值為0.45～0.50，本文碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)采用 0.50［16－17］。

土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定:土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用重鉻酸鉀—硫酸氧化法進(jìn)行測定。

土壤有機(jī)碳儲量測定:土壤有機(jī)碳儲量采用公式(1)計算，

式中:C為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg－1);D為密度(g·cm－3);E為土層厚度(cm);G為直徑＞2 mm的石礫所占的體積比例(%)，由于楊樹人工林地土壤石礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)很少，本研究可以忽略不計。

數(shù)據(jù)處理:數(shù)據(jù)分析采用Excel和SAS統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3.1 楊樹人工林林木碳儲量動態(tài)

林木生物量:楊樹人工林在生長過程中各器官和總生物量的變化如表3所示。從表中可知，隨著林齡的增加，栽植4、6和8年生的楊樹人工林總生物量成倍增加，8年生時總生物量達(dá)到111.35 t/hm2。不同林齡生物量在各器官分配中，均表現(xiàn)為樹干生物量最大，為 12.77 ～54.74 t/hm2，占喬木層總生物量的47.23% ～49.16%，其次是樹枝，生物量為6.56 ～ 27.42 t/hm2，占 24.26% ～24.63%。在 4年生時樹根生物量最小，而達(dá)到6年生以后，均表現(xiàn)為樹葉生物量最小。

表3 楊樹生物量分配

林木碳儲量:森林碳是以森林生物量為載體的，根據(jù)林木含碳量即可從林分生物量估算出整個林分的碳儲量，不同林齡的林木碳儲量結(jié)果如表4所示。不同林齡的楊樹人工林林木碳儲量變化規(guī)律與生物量變化具有一致性。從表4中可知，隨著林齡的增加，栽植4、6和8年生的楊樹人工林林木碳儲量成倍增加。楊樹人工林8年生時林木碳儲量達(dá)到55.67 t/hm2，這與杉木、柳杉等樹種相同林齡階段的碳儲量相當(dāng)［18－19］，而明顯高于8年生的人工側(cè)柏林和刺槐林［20］。與 Fang等［16］對我國森林生態(tài)系統(tǒng)中林木碳儲量的估計值(平均45 t/hm2左右，其中人工林為30 t/hm2左右，天然林為50 t/hm2左右)相比，6年生楊樹人工林林木碳儲量接近全國人工林碳儲量平均值，8年生楊樹人工林林木碳儲量接近全國人工林碳儲量的2倍。而江漢平原楊樹人工林輪伐期一般在8～10 a，因此在砍伐前，江漢平原楊樹人工林在碳匯方面發(fā)揮著巨大作用。

3.2 楊樹人工林土壤碳儲量動態(tài)

土壤碳質(zhì)量分?jǐn)?shù):森林中土壤有機(jī)碳的積累，就是林木碳積累的繼續(xù)，它將植被無法繼續(xù)保存的碳截留到了土壤中，擴(kuò)展了植被固定大氣中CO2的能力。加上以腐殖質(zhì)的形態(tài)存在的土壤有機(jī)碳，則能相當(dāng)持久地被保存下來。

表4 不同林齡楊樹人工林有機(jī)碳儲量 t·hm－2

不同林齡楊樹人工林林下0～20 cm層土壤中有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9.61、16.53和23.79 g/kg，平均為16.64 g/kg。隨著林齡的增加，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在林木覆蓋下不斷積累。這是因為林木凋落物是土壤有機(jī)碳的主要來源，凋落物一旦轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，就將長期而穩(wěn)定地保存在土壤中，除非它被侵蝕而損失。

土壤碳儲量:根據(jù)不同林齡楊樹人工林林下土壤的實(shí)測土壤密度、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和公式(1)，可計算出土壤的碳儲量。不同林齡楊樹人工林林下0～20 cm土層土壤中有機(jī)碳的儲量范圍在27.78 ～61.41 t/hm2，隨著林齡的增加，土壤有機(jī)碳儲量不斷積累，這同樣是因為凋落物不斷積累并轉(zhuǎn)化的緣故。

3.3 楊樹人工林總碳儲量動態(tài)

根據(jù)林木碳儲量和土壤碳儲量，可以得到楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。不同林齡楊樹人工林總碳儲量變化如表4所示。不同林齡楊樹人工林總有機(jī)碳儲量范圍在41.30～117.08 t/hm2，隨著林齡的增加，總碳儲量顯著增加，8年生人工林總碳儲量大約是4年生的3倍。由于江漢平原楊樹人工林輪伐期在8～10 a，因此該地區(qū)從造林開始，楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)有著很大的碳匯潛力。

從表4中還可以看出，4年生和6年生人工林土壤碳儲量遠(yuǎn)大于林木碳儲量，而到8年生時，林木碳儲量與土壤碳儲量相當(dāng)。說明在生長早期和中期，楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)中土壤發(fā)揮著更大的碳匯作用，在生長后期，楊樹林木的碳儲量增加快于土壤的碳積累，林木和土壤在碳匯方面發(fā)揮著同樣的作用?？梢姡种脖缓蜕滞寥谰前l(fā)揮森林碳匯功能中不可缺少的部分，整個森林的地上、地下都是龐大的碳庫，只有二者的結(jié)合才能在調(diào)節(jié)環(huán)境中的CO2濃度方面具有強(qiáng)大的力量。

3.4 土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的關(guān)系

對土壤有機(jī)碳儲量與土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。土壤有機(jī)碳儲量與d＞2 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，且相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，而與d＜2 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，且與d＜0.25 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)性達(dá)到顯著水平。國內(nèi)外許多研究結(jié)果也認(rèn)為土壤有機(jī)碳儲量與土壤大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有顯著相關(guān)性，這與本文研究結(jié)果一致［21－22］。土壤有機(jī)碳儲量隨著土壤大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，主要是因為大團(tuán)聚體的形成主要靠有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用。

表5 土壤有機(jī)碳儲量與土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)相關(guān)性

3.5 土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分的關(guān)系

對土壤有機(jī)碳儲量與土壤N、P、K等養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表6所示。土壤有機(jī)碳儲量與土壤養(yǎng)分指標(biāo)均有較好的正相關(guān)，其中與速效N相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，與全N和C/N相關(guān)性達(dá)到顯著水平。這說明土壤有機(jī)碳儲量能較準(zhǔn)確的反映土壤養(yǎng)分狀況，可以用土壤有機(jī)碳儲量作為江漢平原楊樹人工林土壤肥力的指示指標(biāo)。

表6 土壤有機(jī)碳儲量與土壤養(yǎng)分指標(biāo)相關(guān)性

4 結(jié)論

楊樹人工林林木生物量隨著林齡的增長而顯著增加，從4年生到8年生變化范圍為27.04～111.35 t/hm2。生物量在各器官分配中，均表現(xiàn)為樹干生物量最大，占喬木層總生物量的47.23% ～49.16%，其次是樹枝，占24.26% ～24.63%。林木碳儲量與生物量變化規(guī)律具有一致性，從4年生到8年生變化范圍為13.52 ～55.67 t/hm2。

不同林齡楊樹人工林林下0～20 cm土層土壤中有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍在9.61～23.79 g/kg，平均為16.64 g/kg。0～20 cm土層土壤中有機(jī)碳的儲量范圍在27.78 ～61.41 t/hm2，隨著林齡的增加，土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和儲量均不斷增加。

從4年生到8年生楊樹人工林總有機(jī)碳儲量范圍在41.30～117.08 t/hm2，8年生人工林總碳儲量大約是4年生的3倍。在4年生和6年生時，人工林土壤碳儲量遠(yuǎn)大于林木碳儲量，而到8年生時，林木碳儲量與土壤碳儲量相當(dāng)。

土壤有機(jī)碳儲量與大于2 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)，與小于0.25 mm的團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤有機(jī)碳儲量與土壤養(yǎng)分中的速效N相關(guān)性達(dá)到極顯著水平，與全N和C/N質(zhì)量分?jǐn)?shù)比相關(guān)性達(dá)到顯著水平，可以用土壤有機(jī)碳儲量作為江漢平原楊樹人工林土壤肥力的反映指標(biāo)。

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