石洪華 ，王曉麗，王 嬡，劉振英，麻德明

(1.國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061;2.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。森林生態(tài)系統(tǒng)作為重要的碳儲存庫，約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的50%，在儲存CO2、緩解全球氣候變化過程發(fā)揮著重要的作用［1-3］。喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層碳儲量共同組成森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，其中森林喬木層固碳能力不容忽視。由于受到立地條件、根系與土壤的生理生化作用等因素的影響，森林土壤與喬木層碳儲量具有密切的相關(guān)性［4-5］。估算森林喬木層碳儲量，探尋出森林喬木碳儲量與土壤環(huán)境的相關(guān)性，已成為森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究的熱點問題。

以往對陸地生態(tài)系統(tǒng)的固碳評估研究多集中在農(nóng)田、陸域森林等領(lǐng)域［4，6-8］，而對海島陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳研究較少。海島兼具海、陸雙重特性［9］，立地條件差，樹種相對單一，土壤貧瘠，時常面臨大風(fēng)、海嘯和風(fēng)暴潮等威脅，通常采用大面積人工造林改善海島生態(tài)環(huán)境［10-11］。黑松(P．thunbergii)適應(yīng)性強，具有喜海洋氣候、抗海風(fēng)、耐瘠薄等特性，是山東省長島縣的主要造林樹種。海島人工林的生態(tài)環(huán)境脆弱，由于海島四面環(huán)海，植被對大風(fēng)、海嘯等影響沒有任何阻擋和緩沖，在同等級別的自然災(zāi)害下與陸域相比，其受影響的程度往往更大。單一樹種對改善立地條件，以及發(fā)揮森林多種防護效益都很有限，抵抗病蟲害和各種自然災(zāi)害的能力較弱。因此，為了豐富海島森林生態(tài)系統(tǒng)類型的多樣性，長島縣北長山島人工林建設(shè)主要采用黑松純林與黑松×刺槐(P．thunbergii×R．pseudoacacia)混交林兩種模式，確保海島人工林生態(tài)和防護效能的正常發(fā)揮。

本研究以北長山島黑松、黑松×刺槐混交林為研究對象，利用生物量相對生長方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，分別研究了黑松純林與黑松×刺槐混交林喬木層碳儲量，利用多元統(tǒng)計方法分析影響海島森林喬木層碳儲量的因子，旨在為廟島群島陸地植被固碳能力的評估提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

北長山島(37°57'36″—37°59'40″N，120°40'50″—120°43'54″E)位于山東省長島縣，面積 8.25 km2，海岸線長 15.68 km，地貌以低丘陵為主，是廟島群島第二大島。該地區(qū)屬于東亞季風(fēng)型氣候區(qū)，年均氣溫為12.0℃，1月平均氣溫最低為-1.6℃，8月平均氣溫最高為24.5℃。年均降水量537.1 mm，降水多集中在6—9月。日照充足，年均日照時數(shù)2612 h。土壤主要有棕壤、褐土、潮土三大類，以棕壤土分布面積最大，土層厚度約為30 cm，多砂礫，土質(zhì)較差。植被類型主要是松樹及槐樹林，以松樹為主，該島松林面積為廟島群島之首。從植被分布來看，下部主要是松樹和以松、槐為主的闊葉針葉混交林。黃土坡及溝谷內(nèi)，以槐樹為主的闊葉針葉混交林。林下分布各種灌木、耐堿草本植物，尚有果林和農(nóng)作物分布。該島現(xiàn)有林木絕大部分為1949年以后人工植種，目前森林覆蓋率約為42.0%，黑松和黑松×刺槐混交林為該島主要森林類型。

1.2 樣地設(shè)置

2012年7月，根據(jù)北長山島植被分布特征，依據(jù)代表性和可達性原則，共設(shè)置13個調(diào)查樣方，樣地面積一般為20 m×20 m，由于立地條件所限制個別樣地面積設(shè)置為10 m×10 m(圖1)。各樣地的生境特征見表1。分別調(diào)查統(tǒng)計森林立地條件及各樣地內(nèi)喬木的胸徑、高度、基徑、枝下高、冠幅、株數(shù)等指標(biāo)。

1.3 研究方法

1.3.1 人工林固碳能力評估

根據(jù)文獻［12-13］中給定的相對生長方程適用范圍、模擬效果等因素，選擇適合本研究區(qū)域內(nèi)黑松和刺槐生物量相對生長方程(表2)，計算出北長山島黑松、黑松×刺槐混交林喬木層各器官的生物量和總生物量。

圖1 北長山島森林喬木層調(diào)查樣方分布Fig．1 Locations of the sample plots in the Beichangshan Island

表1 樣地基本概況Table 1 The basic characteristics of the sampling stations

植被生物量乘以含碳率可得到植被碳儲量。在估算森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲量的研究中，國內(nèi)外研究者通常采用0.50或0.45的生物量與碳的換算系數(shù)，該值在不同樹種間變化范圍為0.4—0.5之間［14-17］。通過查閱文獻，本文選擇的生物量與碳的換算系數(shù)為 0.45［12，14，18］。

1.3.2 土壤樣品采集及分析

在每個樣方內(nèi)分別選取3個取樣點，采用多點混合取土樣方法進行。北長山島森林土壤砂礫較多，土壤厚度約為30 cm，森林土壤取表層土。在每個取樣點采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀(100 cm3)進行取樣，然后將環(huán)刀內(nèi)土壤在105℃高溫下烘至恒重，稱量并計算土壤含水率和土壤容重。將同一樣地內(nèi)3個點取到的土壤均勻混合，作為該樣地的土壤樣品。樣品采集后，帶回實驗室，自然風(fēng)干，除去其中草根、大石礫等雜質(zhì)，過2 mm鋼篩，磨細待測。

表2 樣樹各器官生物量(W)與胸徑(D)、樹高(H)的相對生長方程Table 2 Organ biomass allometric equations with variances of diameter at breast height(D)and height(H)of P．thunbergii and R．pseudoacacia

土壤理化性質(zhì)按照中國土壤學(xué)會編寫的土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法進行［19］。土壤質(zhì)地和土壤比表面積采用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000，Malvern Instruments Co.，UK)測定;土壤有機碳含量采用灼燒法測定［20］。森林植物群落土壤級配指標(biāo)，即不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cs計算采用如下公式［21］:

式中，Cu為不均勻系數(shù);d10、d60為土壤顆粒累積百分含量為10%、60%所對應(yīng)的粒徑。Cs為曲率系數(shù);d30為土壤顆粒累積百分含量為30%所對應(yīng)的粒徑。

為便于分析立地條件對海島森林喬木層碳儲量影響，本研究對坡向進行轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中，設(shè)定以正南方向為0°，正西、正東分別為-90°、90°，坡向轉(zhuǎn)換系數(shù)計算采用如下公式:

式中，C為坡向轉(zhuǎn)換系數(shù);α為坡向偏角

1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較兩種樹種及各器官之間的差異;采用因子分析(Factor Analysis Method)提取喬木層碳儲量主要影響因子。所有數(shù)據(jù)采用SPSS18.0進行處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 喬木層碳儲量

在北長山島人工林中，黑松林各器官的碳儲量(除樹皮外)均高于黑松×刺槐混交林(表3)。兩種樹種各器官碳儲量之間的差異明顯(P＜0.05)，均以樹干最高，樹根次之，樹枝和樹葉最低，說明樹干碳儲量的積累是喬木層碳儲量增加的重要影響因素。

黑松的喬木層碳儲量顯著高于黑松×刺槐混交林。兩種林型喬木不同器官的碳儲量均為:樹干＞樹根＞樹枝＞樹葉(表3)。北長山島黑松純林喬木層碳儲量為84.00 t/hm2，接近于世界平均水平(86.00 t/hm2)［22］，高于廣西西南樺喬木碳儲量28.541 t/hm2［23］，高于長沙市區(qū)馬尾松林喬木層碳儲量32.42 t/hm2［24］;黑松×刺槐混交林碳儲量為29.60 t/hm2，略高于廣西西南樺×紅椎混交林喬木層碳貯量29.144 t/hm2［23］。

表3 黑松、黑松×刺槐混交林喬木層碳儲量(±sD)Table 3 Carbon storage in P．thunbergii and P．thunbergii×R．Pseudoacacia(±sD)

表3 黑松、黑松×刺槐混交林喬木層碳儲量(±sD)Table 3 Carbon storage in P．thunbergii and P．thunbergii×R．Pseudoacacia(±sD)

組分Component黑松P．thunbergii黑松×刺槐P．thunbergii×R．pseudoacacia碳儲量/(t/hm2)Carbon storage /%碳儲量/(t/hm2)Carbon storage /%樹干 Trunk 33.77±22.86 40.21 13.42±8.80 45.34樹枝 Branch 16.27±12.02 19.37 5.42±3.51 18.30樹葉 Leaf 13.97±10.51 16.63 3.89±2.64 13.14根系 Root 19.99±15.37 23.80 6.87±4.53 23.23總計Total 84.00 100.00 29.60 100.00

2.2 土壤對森林喬木層碳儲量的影響

2.2.1 森林土壤質(zhì)地對喬木層碳儲量的影響

北長山島土壤顆粒(＜2 mm)砂粒含量變化范圍為82.31%—90.90%，粉砂粒含量變化范圍為9.02%—17.38%，黏粒含量較低，變化范圍為0.05%—0.30%，土壤類型以砂土為主(表4)。研究區(qū)域顆粒級配指標(biāo)顆粒不均勻系數(shù)Cu與曲率系數(shù)Cs同時滿足Cu＞5且Cs在1—3范圍內(nèi)，森林土壤級配良好;北長山島黑松、黑松×刺槐混交林土壤顆粒分散度Se較低，偏度Srk大(表5)，顆粒分布不均衡，反映了2種森林表層土壤流失程度相對較高。由于北長山島森林土壤含石率(＞2 mm)較高(質(zhì)量百分比約為30%—50%)，土壤顆粒相對石頭而言含量較少，而地表侵蝕時較細顆粒首先流失，北長山島森林土壤雖級配良好但土壤流失程度較高。

森林土壤與植被生長的作用是相互的。北長山島黑松純林土壤質(zhì)地部分為砂質(zhì)壤土，而黑松×刺槐混交林土壤均為砂土(表4)。在土壤改良方面黑松純林可能要優(yōu)于黑松×刺槐混交林;且黑松林固碳能力高于黑松×刺槐混交林，是廟島群島不可替代的、具有良好生態(tài)功能的理想樹種。

表4 北長山島表層土壤質(zhì)地Table 4 Soil texture in the Beichangshan island

表5 土壤顆粒(＜2 mm)級配狀況及群體特征值Table 5 The soil structure and population characteristics in the Beichangshan island

為找出海島森林喬木層碳儲量影響因子，以不同的環(huán)境因子(坡度、海拔)及土壤顆粒含量為參數(shù)計算出相關(guān)系數(shù)矩陣(表6)。喬木層碳儲量與環(huán)境因子及土壤顆粒含量具有相關(guān)性。因子分析提取3個影響因子，因子1中土壤砂粒含量(-0.898)、粉砂粒含量(0.893)、黏粒含量(0.922)，因子2中坡度(0.770)、坡向(-0.722)、海拔(0.946)具有較高的負載，因子3中坡向(0.350)、砂粒含量(-0.385)、粉砂粒含量(0.390)具有較高的負載(表7)。由于因子3中各因素負載均小于0.5，與因子1、2相比較低，因此只對因子1、因子2進行多元線性回歸分析。多元線性回歸分析表明，對喬木層碳儲量的影響中因子1(Beta=0.290)相較于因子2(Beta=0.019)更為重要。

表6 森林喬木碳儲量與土壤質(zhì)地、環(huán)境因子相關(guān)系數(shù)矩陣Table 6 Correlation coefficient matrix of arbores carbon storage and different soil texture and environmental parameters

表7 喬木層碳儲量控制變量因子分析旋轉(zhuǎn)因子負荷矩陣Table 7 Rotated component matrix derived from a factor analysis of variables controlling arbore carbon storage

2.2.2 土壤理化性質(zhì)對森林喬木層碳儲量的影響

土壤養(yǎng)分狀況是影響植物生長、繁殖和生態(tài)系統(tǒng)固碳能力等的重要因素［5，25-26］。由圖2可知，就北長山島表層土而言，所測定的土壤理化指標(biāo)均存在顯著差異(P＜0.001)，這種差異是由不同樹種生理特性以及林下環(huán)境特征所引起。森林群落冠層具有遮陰作用，北長山島土壤含水量變化范圍為1.29%—3.51%。森林土壤的8個監(jiān)測樣地中，有7個樣地土壤偏酸性，pH值變化范圍為4.99—8.2。由于森林土壤表層覆蓋有部分凋落物，北長山島森林土壤有機碳含量變化范圍為10.56—17.81 g/kg，普遍高于北長山島上的農(nóng)田和村落土壤，主要是因為森林生態(tài)系統(tǒng)土壤表面覆蓋有凋落物，導(dǎo)致森林土壤有機質(zhì)含量高于其他類型土壤。北長山島雖為海島，但其土壤含鹽量較低，變化范圍為0.04%—0.206%。造成這種差異的原因可能為海島土壤含石率高，土質(zhì)松散，加之調(diào)查期(7月份)降雨充足，使得土壤鹽分滲入深層土壤，從而其表層土鹽分含量較低;另一方面，海島人工造林可截留部分海鹽，緩解海鹽脅迫，對改良土壤具有一定的顯著效果［10］。

以森林土壤理化性質(zhì)為參數(shù)計算出相關(guān)系數(shù)矩陣(表8)，找出森林喬木層碳儲量影響因子。喬木層碳儲量與土壤具有密切的相關(guān)性。因子分析提取兩個影響因子，因子1中土壤全氮(0.842)、總有機碳(0.899)、全碳(0.990)，因子2中全磷(0.931)、碳氮比(-0.925)，因子3中含水量(0.694)、pH值(0.744)、含鹽量(-0.666)具有較高的負載(表9)。多元線性回歸分析表明，對喬木層碳儲量的影響中因子3(Beta=-0.694)最為重要，其次為因子1(Beta=-0.192)、因子2(Beta=-0.106)。

表8 森林喬木碳儲量與土壤理化性質(zhì)相關(guān)系數(shù)矩陣Table 8 Correlation coefficient matrix of arbores carbon storage and different soil physical－chemical properties

圖2 森林土壤理化性質(zhì)Fig．2 Soil physical-chemical properties in the forest of Beichangshan Island

表9 喬木層碳儲量控制變量主成分分析旋轉(zhuǎn)因子負荷矩陣Table 9 Rotated component matrix derived from a factor analysis of variables controlling arbore carbon storage

3 結(jié)論與討論

本研究采用生物量相對生長方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，分別研究了黑松純林與黑松×刺槐混交林喬木層碳儲量。北長山島黑松純林喬木層碳儲量高于黑松×刺槐混交林，也高于其它地方的一些常見樹種，造成這種差異的主要原因是黑松適應(yīng)性強，具有喜海洋氣候、抗海風(fēng)、耐瘠薄等特性，較其他樹種更適宜在海島地區(qū)生長，因此具有較高的碳儲量。

喬木層碳儲量受到降雨、氣溫、坡度、海拔等多種環(huán)境因子的影響［27-29］。降雨量等氣候特征對土壤母質(zhì)的風(fēng)化、土壤形成和土壤有機碳的分解起著重要的作用，進而影響森林喬木層碳儲量［30-31］。Brown等［32］的研究結(jié)果，降水量在400—3200 mm時，降水和森林植被碳密度之間呈正相關(guān)，超過3200 mm時則呈負相關(guān)。北長山島地區(qū)氣候濕潤，北長山島降雨多集中7—8月份，充沛的降雨量促進土壤碳的分解進而加快了碳周轉(zhuǎn)速率。有研究表明，海島地區(qū)森林喬木層碳儲量隨坡度等級的增加而增大［27］。由于受到海風(fēng)的脅迫，雨水沖刷等作用導(dǎo)致了山坳地區(qū)土壤厚度大于山頂，加之山坳中水熱條件較好，土壤不易流失，利于植被的生長，森林喬木層具有較高的碳儲量。

森林土壤對喬木層碳儲量影響較大。森林喬木層碳儲量與土壤質(zhì)地密切相關(guān)，不同質(zhì)地土壤特性不同。土壤顆粒組成與土壤養(yǎng)分相關(guān)［33-34］，對植被的生長、發(fā)育具有重要作用，進而影響森林喬木層碳儲量。由于海島地區(qū)植被、土壤時常受到海風(fēng)的影響，局部地段形成風(fēng)沙堆積。北長山島森林土壤黏粒含量極低，均在5%以下，土壤類型以砂土類為主(表4)，部分為壤土類，級配良好(表5)。砂土類土壤通透性良好，但持水能力較低，微生物活性強，進而促進土壤氮礦化，有利于植被根系對養(yǎng)分的吸收，進而提高了樹木的光合速率。黑松純林、黑松×刺槐混交林喬木層根系碳儲量分別為19.99、6.87 t/hm2(表3)，占到各自喬木層總碳儲量的1/5，說明植被根系對土壤養(yǎng)分吸收較好，根系較為發(fā)達，這與土壤質(zhì)地密不可分。

土壤理化性質(zhì)通過影響根系與土壤的生理生化作用進而影響植被的生長。氮、磷是植物生長所必須的大量營養(yǎng)元素，其豐缺及供給狀況直接影響著植物的生長水平。北長山島土壤全N、全P含量較低(圖2)。全N含量均低于2 g/kg，而在意大利0—20 cm表層土的21個監(jiān)測樣地中，僅有2個樣地的土壤全N含量低于2 g/kg［35］，更是低于日本22a柳杉林土壤全N含量(2.03 g/kg)［36］，因此，北長山島森林土壤全N含量水平低于國外其他國家的土壤全N水平，對喬木層碳儲量影響不是非常明顯(表8)。凋落物是土壤-植物系統(tǒng)碳循環(huán)的聯(lián)結(jié)庫，對表層土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生重要影響［37］。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北長山島森林林下凋落物覆蓋少，這也是導(dǎo)致北長山島森林土壤全N含量較低的原因之一。由圖2可知，對于同種林型的森林土壤N、P含量低，總有機碳相對較高(17.81 g/kg)，森林喬木具有較高的碳儲量(122.91 t/hm2)。因此，土壤中有機碳和養(yǎng)分的合理、協(xié)調(diào)增加有利于根系的生長，進而提高森林喬木層碳儲量。

森林系統(tǒng)水分循環(huán)是植被賴以生存的重要環(huán)節(jié)之一。土壤水更是植被生長、發(fā)育所需用水的主要來源，但過高的含水量會導(dǎo)致植被根系的腐爛不利于植被的生長。大多數(shù)土壤養(yǎng)分元素的有效性受土壤pH值影響［38-39］。由圖2可知，北長山島8個監(jiān)測樣地中只有1個樣地土壤偏堿性(pH值=7.7)且森林喬木層碳儲量較低(28.52 t/hm2)。北長山島森林喬木層碳儲量與土壤pH值基本呈負相關(guān)。因此，夏季適宜的土壤含水量及pH值有利于森林喬木碳儲量的提高。

北長山島夏季土壤含鹽量較低(圖2)，部分黑松林土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，可見，海島人工林的建設(shè)對于涵養(yǎng)淡水、過濾海鹽、防風(fēng)固沙等起到重要作用。雖然北長山島黑松喬木層碳儲量高于黑松×刺槐混交林，黑松更適宜在海島地區(qū)生長，是海島地區(qū)不可替代的、具有良好固碳功能的理想樹種。單一樹種在抵抗病蟲害和自然災(zāi)害的能力較弱，為了豐富海島森林生態(tài)系統(tǒng)類型的多樣性，還應(yīng)積極撫育其他適宜海島地區(qū)生長的優(yōu)良樹種?；旖涣质且环N較好的森林經(jīng)營模式，合理的混交比例與種植密度可以提高資源的利用率，增加林分生長量進而提高生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量。

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