龐宏東 王曉榮 張家來 鄭蘭英 崔鴻俠

(湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢，430075)

湖北省馬尾松天然林碳儲量及碳密度特征1)

龐宏東 王曉榮 張家來 鄭蘭英 崔鴻俠

(湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢，430075)

選擇87塊馬尾松天然林樣地，系統(tǒng)調(diào)查喬木層、灌木層、枯落物層和土壤層碳儲量和碳密度，評估湖北省馬尾松天然林碳儲量及碳密度現(xiàn)狀。結(jié)果表明：湖北省2012年馬尾松林總碳儲量為1.10×108t，平均碳密度為121.16 t·hm-2。其中：喬木層、灌木層、枯落物層、土壤層碳儲量分別為4.06×107、1.26×106、2.79×106、6.51×107t；碳密度分別為44.82、1.39、3.08和71.87 t·hm-2。

馬尾松；碳儲量；碳密度；湖北省

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(7).-40～43

We analyzed the carbon storage and carbon density including arbor layer, shrub layer, litter layer and soil ofPinusmassoniananatural forests in Hubei Province with 87 plots. The total carbon storage and the average carbon density ofPinusmassoniananatural forests were 1.10×108and 121.16 t·hm-2, respectively. The average carbon storage of arbor layer, shrub layer, litter layer and soil were 4.06×107, 1.26×106, 2.79×106and 6.51×107, respectively, and the average carbon density were 44.82, 1.39, 3.08 and 71.87 t·hm-2, respectively.

KeywordsPinusmassoniana; Carbon storage; Carbon density; Hubei Province

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地的主要生態(tài)系統(tǒng)，也是全球最大的碳庫，儲存了陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳庫的56%[1]，在調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)、減緩大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)上升等方面具有重要作用。隨著國際氣候變化框架協(xié)議的實施，森林碳匯問題越來越受到各國政府部門的重視，許多學(xué)者也對此進行了大量的研究[2-4]。馬尾松(Pinusmassoniana)為我國南方山地主要速生用材針葉樹種，近來有關(guān)馬尾松林生物量及碳儲量的研究已有不少報道[5-8]。湖北省地處亞熱帶，森林類型豐富多樣，馬尾松廣泛分布在海拔100～1 500 m，集中分布在1 200 m以下山坡或丘陵低山。據(jù)湖北省2010年第六次森林資源連續(xù)清查資料可知，馬尾松天然林面積為9.06×105hm2，蓄積量為5.19×107m3，分別占全省天然林面積和蓄積量的17.45%和22.90%；為湖北省分布面積最廣、蓄積量最大的森林類型。本研究在湖北省馬尾松天然林主要產(chǎn)區(qū)布設(shè)樣地，通過實地調(diào)查，研究馬尾松天然林碳密度及碳儲量基本現(xiàn)狀，為準(zhǔn)確評估湖北省馬尾松天然林碳匯能力、生產(chǎn)力以及森林生態(tài)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖北省位于長江中游，處于中國第二級階梯向第三級階梯過渡地帶，地理位置東經(jīng)108°21′～116°07，北緯29°05′～33°20′。全省國土總面積1.86×105km2，山地約占全省總面積的55.5%，丘陵崗地占24.5%，平原湖區(qū)占20%。全省西、北、東三面被武陵山、巫山、大巴山、秦嶺、武當(dāng)山、桐柏山、大別山、幕阜山、大洪山等山地環(huán)繞，最高峰神農(nóng)頂海拔3 105.4 m。全省屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫在15～22 ℃，年降水量800～1 600 mm。主要土壤類型有黃棕壤、黃壤、石灰(巖)土、紫色土、紅壤、黃褐土、潮土和水稻土等8個土類。全省林地面積8.50×106hm2，占國土面積的45.72%；森林面積7.14×106hm2，森林覆蓋率38.40%，活立木總蓄積量3.13×108m3，森林蓄積量2.87×108m3，占活立木總蓄積量的91.47%；其中天然林面積5.19×106hm2，蓄積量2.26×108m3。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

野外樣地調(diào)查于2012年7—10月份進行，選擇在湖北省馬尾松集中分布的9個地區(qū)(表1)，一共設(shè)置樣地87塊，樣地面積為667 m2(25.82 m×25.82 m)。主要調(diào)查內(nèi)容有喬木層生物量、灌木層生物量、枯落物生物量和土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的調(diào)查。

表1 調(diào)查樣地基本情況

喬木層調(diào)查，對胸徑大于5 cm的所有植株進行每木檢尺(含枯立木的調(diào)查)，記錄樣方內(nèi)各樹種名稱、胸徑、高度。灌木層調(diào)查在喬木樣方中按梅花形設(shè)置3個2 m×2 m的灌木樣方，調(diào)查灌木優(yōu)勢種(包括起測直徑小于5 cm的幼樹)，記錄優(yōu)勢灌木名稱、蓋度、株數(shù)(高度小于50 cm不計)、平均高度等。采取全株收獲法分別測定3株(少于3株全部取樣)標(biāo)準(zhǔn)木地上干、枝、葉和地下根系鮮質(zhì)量，將各部分器官取部分樣品帶回實驗室測含水率。在每個灌木樣方中設(shè)置1 m×1 m枯落物樣方，收取全部枯落物，現(xiàn)場稱量鮮質(zhì)量，混合后取部分樣品帶回實驗室測含水率。土壤調(diào)查采樣在每個喬木樣方中挖取1個土壤刨面，按0～10、>10～30、>30～100 cm分層采取土壤樣品，帶回實驗室風(fēng)干，過0.149 mm篩，儲存?zhèn)溆茫煌瑫r用環(huán)刀取樣測定各層土壤密度。

根據(jù)本研究目的和調(diào)查數(shù)據(jù)，將湖北省馬尾松林劃分為3個齡組，分別為幼齡林、中齡林和近成過熟林(見表2)。

表2 齡組劃分基本情況

2.2 數(shù)據(jù)處理

(1)喬木層生物量測定。基于樣地每木調(diào)查結(jié)果，考慮到立木樹高的測量誤差值較大，采用主要樹種一元材積公式計算樣地單株立木蓄積量，然后根據(jù)木材密度、生物量擴展因子，計算喬木地上生物量；地下生物量通過根-莖比計算得到。其中材積計算公式采用湖北省主要樹種一元材積公式；木材密度與生物量擴展因子參照國家標(biāo)準(zhǔn)和IPCC碳計量參考值[9]，地上生物量<125(t·hm-2)根莖比為0.20，地上生物量≥125(t·hm-2)根莖比為0.24。

湖北省馬尾松一元材積公式：

鄂東馬尾松：V=0.000 060 049 144×(-0.132 103 36+0.979 870 17×d)1.871 975 3×(24.269 237-591.977 56/(24+d))0.971 802 32。

鄂西北馬尾松：V=0.000 060 049 144×(-0.128 114 77+0.986 679 91×d)1.871 975 3×(22.154 621-401.746 2/(17+d))0.971 802 32。

鄂西南馬尾松：V=0.000 060 049 144×(-0.374 652 81+0.998 431 50×d)1.871 975 3×(45.978 7-2 765.870 1/(63+d))0.971 802 32。

單株喬木生物量計算公式為：

M喬=V喬×WD×BEF×(1+R)。

式中：M喬為喬木生物量(t)，V喬為喬木蓄積(m3)，WD為木材平均密度(t·m-3)，BEF為生物量擴展因子，R為喬木平均根莖比。

根據(jù)單株立木生物量統(tǒng)計出樣地喬木層生物量，然后再換算成每公頃喬木層生物量?？萘⒛旧锪繙y定與喬木層測定相同，視為無枝葉喬木，其測定結(jié)果記入喬木層。

(2)灌木層生物量測定。根據(jù)取樣灌木各器官的含水率計算樣品各器官的干鮮比，根據(jù)干鮮比和野外調(diào)查的植株各部分的鮮質(zhì)量，計算出單株灌木各器官及全株干質(zhì)量。然后按下式計算各灌木樣方的灌木總干質(zhì)量：

標(biāo)準(zhǔn)灌木總干質(zhì)量=干鮮比×標(biāo)準(zhǔn)灌木總鮮質(zhì)量/灌木樣品總鮮質(zhì)量

樣方灌木總干質(zhì)量=株數(shù)×標(biāo)準(zhǔn)灌木總干質(zhì)量

根據(jù)樣方灌木生物量計算結(jié)果，換算成每公頃灌木層生物量。

(3)枯落物生物量測定。根據(jù)取樣枯落物的含水率得到樣品的干鮮比，按下式計算各樣方枯落物總干質(zhì)量：

樣方總干質(zhì)量=干鮮比×樣方總鮮質(zhì)量

根據(jù)樣方枯落物生物量計算結(jié)果，換算成每公頃枯落物生物量。

(4)土壤有機碳測定。采用重鉻酸鉀氧化——外加熱法[10]測定土壤不同層次有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后根據(jù)測定的各土層有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤密度、厚度、石礫質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算土壤剖面有機碳儲量。單位面積土壤碳儲量(t·hm-2)的計算公式為[11]：

式中：SOCi為單位面積土壤碳儲量，Ci為土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(g·kg-1)，Di為土壤密度(g·cm-3)，Ei為土壤厚度(cm)，Gi為直徑≥2 mm的石礫所占體積百分比(%)，k為土層數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 馬尾松林碳儲量

生物量含碳率采用國際上常用的0.5轉(zhuǎn)換系數(shù)[12-13]。從表3可知，湖北省馬尾松天然林平均碳密度為121.16 t·hm-2，以馬尾松天然林面積9.06×105hm2來進行估算，湖北省馬尾松天然林總碳儲量為1.10×108t。各層碳密度由大到小的順序為：土壤層、喬木層、枯落物層、灌木層。不同齡組其碳密度分別為幼齡林68.44 t·hm-2，中齡林138.66 t·hm-2，近成過熟林156.39 t·hm-2。幼齡林平均碳密度明顯低于中齡林和近成過熟林，但中齡林和近成過熟林的碳密度差異較小。

表3 湖北省馬尾松天然林分層碳密度 t·hm-2

3.2 喬木層碳儲量

湖北省馬尾松天然林喬木層碳儲量為4.06×107t，占總碳儲量的36.99%。由表3可知，不同齡組間碳密度相差較大，以近成過熟林的碳密度最大為64.37 t·hm-2，為幼齡林(20.36 t·hm-2)的3倍多，也遠大于中齡林(49.73 t·hm-2)。平均碳密度為44.82 t·hm-2。由表4可知，不同樣地喬木層碳密度在3.30～91.92 t·hm-2，差異極為明顯。即使在同一齡組內(nèi)，不同地區(qū)間也存在著較大的差別。幼齡林中不同地區(qū)間碳密度相差可達3倍多，近成過熟林中可相差2倍多，中齡林地區(qū)間差異較小。

表4 不同地區(qū)間喬木層各齡組的碳密度 t·hm-2

3.3 灌木層和枯落物層碳儲量

灌木層平均碳密度為1.39 t·hm-2，碳儲量為1.26×106t，占總碳儲量的1.15%。由表3可知，灌木層以近成過熟林碳密度最大，其次為幼齡林，最小的為中齡林。在幼齡階段喬木層郁閉度較低，林下光線較好，灌木大量生長；中齡階段林分郁閉度增大，林下光照條件變差，部分灌木枯死，導(dǎo)致其生物量降低；到林分成熟林后，耐陰灌木已經(jīng)充分長成，且由于部分立木枯死形成林窗，林下光照增強，因此林下灌木較中齡林豐富。

枯落物層平均碳密度為3.08 t·hm-2，碳儲量為2.79×106t，占總碳儲量的2.54%。由表3可知，不同林齡階段碳密度由大到小的順序為：近成過熟林、中林齡、幼齡林?？萋湮飳佑袡C碳主要來自于植物的落葉與枯枝，林分年齡越大，其枯落物累積就越多。

3.4 土壤層碳儲量

土壤層平均碳密度為71.87 t·hm-2，碳儲量為6.51×107t，占總碳儲量的59.32%，土壤層為森林中碳儲量最重要的部分。由表3可知，不同林齡階段土壤碳密度大小順序與枯落物層相同，以近成過熟林的最大，幼齡林的最小。土壤中有機碳主要來源于動植物的殘體和枯落物，因此土壤碳儲量與森林類型和林分年齡有很大程度的相關(guān)[14-15]。林分年齡越大，土壤碳儲量相應(yīng)增加，幼齡林的土壤碳密度明顯低于中齡林和近成過熟林，這與幼齡林中枯落物較少、分解轉(zhuǎn)化時間較短有關(guān)。近成過熟林土壤碳密度雖然最大，但與中齡林相比無明顯差異。由于近成過熟林多位于坡度較大的山坡處，土層較薄，枯落物和腐殖質(zhì)容易隨雨水流失，而難以分解轉(zhuǎn)化成土壤碳，因此，土層中累計下來的碳儲量相對較低。

4 結(jié)論與討論

湖北省2012年馬尾松天然林總碳儲量為1.10×108t，平均碳密度為121.16 t·hm-2。其中喬木層碳密度為44.82 t·hm-2，灌木層為1.39 t·hm-2，枯落物層為3.08 t·hm-2，土壤碳密度為71.87 t·hm-2。各層碳密度由大到小的順序為：土壤層、喬木層、枯落物層、灌木層，與張?zhí)锾锏萚16]、杜紅梅等[17]、徐雯等[18]研究結(jié)果相同。表明土壤碳庫和喬木層碳庫是森林生態(tài)系統(tǒng)中最重要的碳庫。森林碳儲量與林分年齡成正比，隨著林分年齡的增加而增加，但不同林層間的變化并不一致。灌木層在中齡林階段碳密度反而降低，這是由于林分郁閉后部分灌木枯死所導(dǎo)致的，這與森林的實際生長情況相符合。

湖北省馬尾松天然林平均碳密度值小于鄂西北山地森林的平均碳密度(175.812 t·hm-2)，也小于天然針葉林平均碳密度，與天然針闊混交幼齡林相當(dāng)(119.53 t·hm-2)[19]。喬木層平均碳密度值小于湖北省20～40年生天然闊葉次生林和人工針葉林碳密度(111.62 t·hm-2)[2]，與中國森林植被喬木層的碳密度(42.82 t·hm-2)和云南省的森林植被層碳密度(43.77 t·hm-2)相當(dāng)[20-21]；遠高于全國馬尾松林的平均碳密度(26.67 t·hm-2)[20]，高于相鄰的湖南省(15.81 t·hm-2)、四川及重慶市的馬尾松林平均碳密度(22.01 t·hm-2)[5，22]；中齡林喬木層碳密度相當(dāng)于18年生人工馬尾松林的碳密度(49.06 t·hm-2)[23]。

湖北省馬尾松天然林喬木層碳密度與國內(nèi)主要樹種相比處于中等水平，遠低于高山松(Pinusdensata)、冷杉(Abies)、鐵杉(Tsuga)、云杉(Picea)等樹種[20]。這與湖北省馬尾松天然林大部分由中齡林所組成有關(guān)，由于近成過熟林所占比重較小，導(dǎo)致森林的總體蓄積量偏小，從而降低了馬尾松林的碳儲量。由于大量中齡林的存在，湖北省馬尾松林在未來將擁有巨大的生長潛力和開發(fā)價值。在林業(yè)生產(chǎn)中，要通過科學(xué)的經(jīng)營管理措施，調(diào)整馬尾松的林分和林齡結(jié)構(gòu)，以提高林分的總體生產(chǎn)能力。

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Characteristics of Carbon Storage and Carbon Density ofPinusmassonianaNatural Forests in Hubei Province, China/

Pang Hongdong, Wang Xiaorong, Zhang Jialai, Zheng Lanying, Cui Hongxia(Hubei Academy of Forest, Wuhan 430075, P. R. China)//

龐宏東，男，1977年10月生，湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，助理研究員。E-mail：panghd37@163.com。

張家來，湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，研究員。E-mail：zhangjialai2008@163.com。

2013年10月5日。

S714.5

1) 林業(yè)應(yīng)對氣候變化碳匯計量監(jiān)測體系建設(shè)試點項目。

責(zé)任編輯：王廣建。