李 銀 侯 琳 陳軍軍 白 娟 張碩新

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100)

秦嶺松櫟混交林碳密度空間分布特征1)

李 銀 侯 琳 陳軍軍 白 娟 張碩新

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100)

通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)分析，對(duì)秦嶺松櫟混交林碳密度的空間分布特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：(1)松櫟混交林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為(231.79±8.46)t·hm-2，其中植被層、土壤層、凋落物層碳密度分別為(111.72±6.55)、(110.74±6.72)、(9.33±0.75)t·hm-2，分別占整個(gè)松櫟混交林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的48.20%、47.77%、4.03%。(2)喬木層碳密度為(97.54±5.67)t·hm-2，占植被層碳密度的87.31%，占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳密度的42.08%；喬木層碳密度中，樹干所占比例最大，為47.32%。(3)松櫟混交林喬木層年凈生產(chǎn)力為(5.55±0.54)t·hm-2·a-1，年凈固碳量為(3.04±0.32)t·hm-2·a-1，年凈吸收CO2量為(11.14±0.75)t·hm-2·a-1。

碳密度；空間分布；松櫟混交林；秦嶺

森林是陸地最大的碳儲(chǔ)存庫(kù)，雖然面積僅占陸地總面積的26%，但全球陸地生態(tài)系統(tǒng)77%的碳儲(chǔ)存于森林生態(tài)系統(tǒng)中[1-3]。森林生態(tài)系統(tǒng)在維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境、全球碳平衡以及減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升等方面起著不可替代的作用[4-6]。20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球、區(qū)域或國(guó)家尺度上森林生態(tài)系統(tǒng)的碳密度及其對(duì)全球碳平衡的影響研究取得了顯著進(jìn)展[7-9]。然而，已有的大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的研究，絕大多數(shù)依賴于森林資源清查資料，但由于森林資源清查資料中林下植被的詳細(xì)數(shù)據(jù)缺乏，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的估計(jì)不夠精確[10]。因此，開展多地散點(diǎn)森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度空間分布的研究，將散點(diǎn)研究綜合起來(lái)，有利于提高大尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的估計(jì)精度。

秦嶺是我國(guó)南北氣候帶的天然分界線，位于我國(guó)關(guān)鍵生態(tài)區(qū)。松櫟混交林是秦嶺中山地帶主要的林分類型，在固碳、理水等方面發(fā)揮著重要作用[11]，但國(guó)內(nèi)有關(guān)松櫟混交林碳密度的空間分布的研究鮮見報(bào)道。本研究以秦嶺中山地帶松櫟混交林為研究對(duì)象，探討了碳密度及其空間分布，目的是為本區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的精確估計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在陜西秦嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)研究站(33°18′～33°28′N，108°21′～108°39′E)。實(shí)驗(yàn)地位于秦嶺中段南坡，地處北亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡帶。海拔1 500～2 500 m，研究區(qū)坡度較陡，多在30°左右。年均氣溫9 ℃，年降水量900～1 200 mm，年蒸發(fā)量800～950 mm，相對(duì)濕度77.1%，1月平均氣溫-3.8 ℃，7月平均氣溫16.3 ℃。土壤主要是在沉積巖和變質(zhì)巖母質(zhì)上發(fā)育起來(lái)的山地棕壤，土層厚度在60 cm左右，土壤中砂礫、粉粒和黏粒所占比例較大，密度1.05～1.29 g/cm3，凋落物厚度2～6 cm。研究區(qū)內(nèi)的松櫟混交林為20世紀(jì)70年代間伐后，天然更新起來(lái)的次生林，優(yōu)勢(shì)樹種為油松(Pinustabulaefomis)、華山松(Pinusarmandi)和銳齒櫟(Quercusalienavar.acutesrrata)。林間空地為人工栽植的華北落葉松(Larixprincipis)，平均林齡42a。林下植被發(fā)育良好。灌木主要有：白檀(Symplocospaniculata)、毛榛(Corylusmandshurica)、木姜子(Litseapungens)、三椏烏藥(Lauraceaeobtusiloba)、小葉六道木(Abeliaparvifolia)等；草本主要有：披針葉苔草(Carexlanceolata)、野青茅(Deyeuxiasylvatica)、青菅(Darexleucochlora)、升麻(Astilbechinensis)等。

2 研究方法

2.1 群落調(diào)查

2012年7月在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，選取林分狀況和立地條件基本一致的林分，布設(shè)了13塊面積為20 m×20 m的松櫟混交林樣地。調(diào)查記錄各樣地內(nèi)樹種、樹高、胸徑和林分郁閉度。松櫟混交林樹木組成為5油3華1銳1落，油松、華山松、銳齒櫟和華北落葉松平均密度分別為575、400、350、175株/hm2，平均樹高分別為13.7、13.6、8.4、10.2 m，平均胸徑分別為25.4、22.4、9.9、12.8 cm。在喬木樣地中，按照對(duì)角線法布設(shè)5個(gè)2 m×2 m的灌木樣方和5個(gè)1 m×1 m的草本樣方，記錄灌木(包括幼樹幼苗)、草本的種類和生長(zhǎng)狀況。

2.2 樣品采集與處理

喬木層各樹種按樹干、樹枝、樹葉、樹皮、樹根分別取樣，采集樣品各500 g；灌木和草本分為地上和地下部分，按收獲法采集灌木和草本樣方內(nèi)植株樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室分種類保存。收集草本樣方內(nèi)所有凋落物，分為未分解、半分解和已分解，將鮮樣稱質(zhì)量，并分別采集分析樣品帶回實(shí)驗(yàn)室。將所有植物樣品置于恒溫烘箱內(nèi)105 ℃烘至恒質(zhì)量。將烘干樣品粉碎，過(guò)0.15 mm篩，用于含碳率分析。在各樣地內(nèi)，根據(jù)“S”型取樣法，設(shè)置5個(gè)土壤采樣點(diǎn)，用土鉆每15 cm為一層采集土樣至巖石層，每層采集土樣500 g，將采集土樣風(fēng)干，研磨，過(guò)0.15 mm篩，用于含碳率分析；用環(huán)刀每層采集原狀土樣1個(gè)，置于烘箱內(nèi)105 ℃烘至恒質(zhì)量，測(cè)定每層土壤密度及礫石含量。

植物樣品采用重鉻酸鉀-硫酸容量法測(cè)定其有機(jī)碳含量，土壤樣品采用重鉻酸鉀-水合加熱法測(cè)定其有機(jī)碳含量[12]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

3 結(jié)果與分析

3.1 松櫟混交林植被層碳密度

松櫟混交林喬木層碳密度為(97.54±5.67)t·hm-2。各器官碳密度由大到小的順序?yàn)椋簶涓伞渲?、樹根、樹葉、樹皮(見表1)。其中：樹干碳密度為(46.16±5.02)t·hm-2，所占比例最大為47.32%；樹皮碳密度為(4.22±0.68)t·hm-2，所占比例最小為4.33%。

林下灌木層碳密度為(11.31±1.28)t·hm-2。其中：地上部分為(8.50±0.91)t·hm-2，地下部分為(2.81±0.34)t·hm-2。草本層碳密度為(2.87±0.43)t·hm-2。其中：地上部分為(1.81±0.12)t·hm-2，地下部分為(1.06±0.21)t·hm-2(見表1)。

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

3.2 松櫟混交林凋落物層碳密度

凋落物層不僅是森林土壤有機(jī)碳的主要來(lái)源，而且其覆蓋地面，減緩及減少了地表徑流，最終有效地減少或防止了土壤碳的流失[6]。松櫟混交林凋落物層碳密度為(9.33±0.75)t·hm-2。其中：未分解為(5.94±0.31)t·hm-2，半分解為(1.58±0.43)t·hm-2，已分解層為(1.81±0.45)t·hm-2(見表2)。

3.3 松櫟混交林土壤層碳密度

松櫟混交林土壤碳密度為(110.74±6.72)t·hm-2，各層次土壤碳密度表現(xiàn)為隨土層深度的增加而減小(見表3)。松櫟混交林表層土壤(0～30 cm)碳密度為(71.85±5.78)t·hm-2，占土壤碳密度的64.88%，是森林土壤碳密度的主體。

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

表3 土壤層碳密度

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

3.4 松櫟混交林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的空間分布

松櫟混交林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為(231.79±8.46)t·hm-2(見表4)。從空間上可為3個(gè)部分：植被層、凋落物層、土壤層。松櫟混交林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的空間分布特征為：植被層>土壤層>凋落物層。植被層碳密度為(111.72±6.55)t·hm-2，占生態(tài)系統(tǒng)碳密度的48.20%，而喬木層碳密度為(97.54±5.67)t·hm-2，占植被層碳密度的87.31%，可見植被層碳密度主要取決于喬木層碳密度。林下植被層碳密度為(14.18±1.56)t·hm-2，占植被層的12.69%，占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的6.12%。凋落物層碳密度為(9.33±0.75)t·hm-2，僅占松櫟混交林碳密度的4.03%。土壤層碳密度為(110.74±6.72)t·hm-2，占松櫟混交林碳密度的47.77%，也是森林生態(tài)系統(tǒng)極其重要的碳庫(kù)。

表4 松櫟混交林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的空間分布

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

3.5 松櫟混交林喬木層年凈固碳量

確定系統(tǒng)同化CO2的能力是森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力研究的主要內(nèi)容之一[14]。松櫟混交林喬木層年凈生產(chǎn)力為(5.55±0.54)t·hm-2·a-1，年凈固碳量為(3.04±0.32)t·hm-2·a-1，年凈固定CO2量為(11.14±0.75)t·hm-2·a-1(見表5)。其中以樹干的年凈固碳量最高，占喬木層年凈固碳量的40.13%；樹皮最低，占喬木層年凈固碳量的3.62%。

表5 喬木層年凈固碳量

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

4 結(jié)論與討論

本研究中松櫟混交林植被層的碳密度為(111.72±6.55)t·hm-2，遠(yuǎn)高于陜西省森林植被的碳密度(30.92 t·hm-2)[16]，也高于我國(guó)森林植被平均碳密度(57.07 t·hm-2)和針葉、針闊混交林的平均碳密度(64.76 t·hm-2)[9]；高于相鄰地區(qū)甘肅省小隴山森林植被的碳密度(39.43 t·hm-2)[17]，高于黃土高原子午嶺林區(qū)遼東櫟天然次生林的碳密度(36.41 t·hm-2)[18]；略高于中亞熱帶馬尾松闊葉樹混交林的碳密度(110.98 t·hm-2)[15]，低于南亞熱帶馬尾松針闊混交林的碳密度(144.04 t·hm-2)[19]。表明林分類型、土壤類型、氣候可能是引起植被碳密度差異的主要原因。

松櫟混交林喬木層碳密度為(97.54±5.67)t·hm-2，占植被層的87.31%，占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的42.08%，植被層碳密度主要取決于喬木層生物量。馬明東等[20]對(duì)楠木人工林的研究表明，楠木人工林喬木層碳密度為91.33 t·hm-2，占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的40.13%，其喬木層碳密度對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳密度的貢獻(xiàn)與本研究相似。

林下植被層碳密度為(14.18±1.56)t·hm-2，占整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的6.12%，高于中亞熱帶馬尾松闊葉樹混交林的碳密度(3.85 t·hm-2)[18]和南亞熱帶杉木人工林的碳密度(1.76 t·hm-2)[14]。究其原因可能是本研究林分郁閉度較以上研究小，喬木層林冠間隙較大，林下植被可獲得充足的水分和光照條件，促進(jìn)了林下植被的生長(zhǎng)發(fā)育[21]。

林下凋落物層碳密度為(9.33±0.75)t·hm-2，高于全國(guó)凋落物平均碳密度(8.21 t·hm-2)[9]，遠(yuǎn)高于方云霆等[19]對(duì)南亞熱帶馬尾松針闊葉林碳密度的統(tǒng)計(jì)值(3.22 t·hm-2)，高于中亞熱帶馬尾松闊葉樹混交林的碳密度(3.13 t·hm-2)[18]。凋落物層碳密度很大程度取決于水熱條件、地域特點(diǎn)和凋落物的化學(xué)組成，一般隨水熱因子改善而減少，同時(shí)凋落物中難分解化合物含量較高，也會(huì)增加其碳密度[9]，南亞熱帶和中亞熱帶地區(qū)水熱條件優(yōu)于本區(qū)域，凋落物分解較快，現(xiàn)存凋落物較少，因而以上區(qū)域凋落物碳密度相對(duì)本地區(qū)要低。

森林土壤有機(jī)碳密度的分布存在很強(qiáng)的空間異質(zhì)性[22]。本研究松櫟混交林土壤碳密度為(110.74±6.72)t·hm-2，低于世界土壤平均碳密度(189.00 t·hm-2)和我國(guó)森林土壤的碳密度(193.55 t·hm-2)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于全國(guó)針闊混交林的碳密度(335.58 t·hm-2)[9]，也低于秦嶺火地塘55年生油松群落林的碳密度(130.37 t·hm-2)[23]和65年生銳齒櫟林的碳密度(167.81 t·hm-2)[24]，可能是由于本地區(qū)松櫟混交林土層較薄(60 cm左右)，低于其他研究計(jì)算所采用的土層深度(100 cm左右)，同時(shí)不同森林類型和林齡的不同，也造成了土壤碳密度的差異。

松櫟混交林生態(tài)系統(tǒng)碳密度為(231.97±8.46)t·hm-2，低于周玉榮等[9]對(duì)中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度的估計(jì)值(258.83 t·hm-2)，遠(yuǎn)低于我國(guó)針闊混交林的碳密度(408.00 t·hm-2)[9]。松櫟混交林碳密度空間分布特征表現(xiàn)為：植被層>土壤層>凋落物層。與中亞熱帶馬尾松闊葉樹混交林和南亞熱帶針闊混交林碳密度的空間分布特征一致[18-19]。Dixion等[1]對(duì)全球森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的研究表明，全球土壤與植被碳密度比為2.20，中國(guó)(按其劃分屬于中緯度地區(qū))為1.19。周玉榮等[9]對(duì)我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度研究表明，土壤碳密度約是植被碳密度的3.4倍，而本研究松櫟混交林土壤碳密度約是植被碳密度的0.99倍，低于以上研究的估計(jì)值，這可能是因?yàn)樗蓹祷旖涣滞翆虞^薄，土壤碳密度相對(duì)較小，植被層碳密度相對(duì)較大。

松櫟混交林喬木層年凈生產(chǎn)力為(5.55±0.54)t·hm-2·a-1，有機(jī)碳年凈固定量為(3.04±0.32)t·hm-2·a-1，折合成CO2為(11.14±0.75)t·hm-2·a-1，低于南亞熱帶杉木人工林年凈固碳量(4.67 t·hm-2·a-1)[14]和四川32年生楠木人工林年凈固碳量(4.25 t·hm-2·a-1)[20]。本研究有機(jī)碳年凈固定量較以上地區(qū)偏低，究其原因可能是沒(méi)有將年凋落物量計(jì)入凈生產(chǎn)力。

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Spatial Distribution of Carbon Density in Pine-Oak Mixed Forest of Qinling Mountain/

Li Yin, Hou Lin, Chen Junjun, Bai Juan, Zhang Shuoxin(Northwest Agriculture & Forestry University, Yangling 712100, P. R. China)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(1).-47～50

Carbon density; Spatial distribution; Pine-oak mixed forest; Qinling Mountain

李銀，男，1988年7月生，西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail：lijiang413508@126.com。

侯琳，西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，副研究員。E-mail：houlin_1969@nwsuaf.edu.cn。

2013年5月 5日。

S718.55

1) 國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201004036)。

責(zé)任編輯：王廣建。

Plot investigation combined with biomass measurement was conducted to test the spatial distribution of carbon density in an pine-oak mixed forest in the Qinling Mountain. The total carbon density (TCD) in the pine-oak mixed forest is (231.79±8.46)t·hm-2, (111.72±6.55)t·hm-2in the vegetation, (110.74±6.72)t·hm-2in soil layer and (9.33±0.75)t·hm-2in litter layer accounting for 48.20%, 47.77% and 4.03% of the TCD in the whole ecosystem, respectively. Carbon stock of trees is (97.54±5.67)t·hm-2accounting for 87.31% of the vegetation and 42.08% of the whole ecosystem. The stem accumulates 47.32% of the tree TCD in tree layer. The annual net primary productivity in pine-oak mixed forest ecosystem is (5.55±0.54)t·hm-2·a-1, annual carbon stock is (3.04± 0.32)t·hm-2·a-1, and the CO2uptake is (11.14±0.75)t·hm-2·a-1.