于 洋, 賈志清,2,*, 朱雅娟,2, 劉艷書,2, 劉海濤, 李清雪

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091 2 青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站, 海南藏族自治州 813000

高寒沙地烏柳防護(hù)林碳庫隨林齡的變化

于 洋1, 賈志清1,2,*, 朱雅娟1,2, 劉艷書1,2, 劉海濤1, 李清雪1

1 中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091 2 青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站, 海南藏族自治州 813000

植被恢復(fù)是改善脆弱生態(tài)系統(tǒng)的有效方式。長期的植被恢復(fù)能夠提高沙地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。以青海共和高寒沙地不同林齡烏柳(Salixcheilophila)防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，研究植被恢復(fù)過程中植被碳庫與土壤碳庫的動態(tài)變化，探討烏柳防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能。結(jié)果表明：隨林齡增加，烏柳各組分碳濃度變化規(guī)律并不顯著(P>0.05)，而碳貯量顯著增加(P<0.05)，且不同林齡烏柳各組分碳庫的分配比例不同，樹干碳貯量占林分碳貯量的百分比最高。各林齡(6、11、16、21a)烏柳林碳貯量分別為4.95、9.93、14.67 t/hm2和21.99 t/hm2。土壤碳庫隨植被恢復(fù)時間的增加而增加，各林齡土壤碳庫(0—200cm)分別為9.54、13.03、17.18和19.05 t/hm2。較之6、11a土壤碳庫增加26.78%，16a較之11a提高24.16%，21a較16a提高9.82%。地被物層(植被殘體)固碳量分別為0.27、0.29、0.33、0.43 t/hm2。不同林齡烏柳林生態(tài)系統(tǒng)碳庫分別為14.76、23.25、32.18 t/hm2和41.48 t/hm2。各林齡烏柳植被層碳庫分別占該林齡總碳庫的33.54%、42.71%、45.59%和53.01%，土壤碳庫分別占該林齡總碳庫的64.63%、56.04%、53.39%和45.93%，而地被物層分別占該林齡總碳庫的1.83%、1.25%、1.03%和1.03%。較之恢復(fù)前的，各林齡碳庫依次增加57.05%、36.52%、27.75%和22.42%。植被恢復(fù)各階段年凈碳累積速率分別為1.41、1.70、1.79、1.86 tC hm-2a-1。烏柳防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)具有“碳匯”功能。

烏柳; 高寒沙地; 碳濃度; 碳貯量; 年齡系列; 碳匯

植被恢復(fù)與重建是防治土地荒漠化的有效方式。人工固沙植被具有多種生態(tài)服務(wù)功能。其中，固碳功能是生態(tài)系統(tǒng)的一個非常重要的服務(wù)功能。通過開展治沙造林工程，改善了沙地生態(tài)系統(tǒng)惡劣的自然環(huán)境，提高了沙地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，增強了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動。尤其是在氣候變化的背景下，研究干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被的固碳功能，具有重要意義[1-4]。灌木因其地上多分枝的莖與近地的樹冠具有很強防風(fēng)固沙能力，近些年被廣泛用于干旱區(qū)與半干旱區(qū)植被恢復(fù)工程中，在生態(tài)系統(tǒng)重建過程中扮演者重要角色。灌木林在我國分布范圍較廣，占我國陸地總面積的五分之一。1982—1999年中國灌叢(215×106hm2)土壤有機碳年均增加(39.4±9.0)Tg，高于森林、草地和農(nóng)田，可見灌叢是生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳匯。同時，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，灌叢恢復(fù)被認(rèn)為是對碳匯最不確定的因素[5]。土壤是大氣二氧化碳的主要碳源，其每年釋放近75億t碳到大氣中，所以有效的管理土壤碳庫對減少大氣中二氧化碳含量有著至關(guān)重要的作用。而在生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，合理開展防護(hù)林建設(shè)與植被恢復(fù)工程，通過植被實現(xiàn)固碳，是減少碳損耗的有效方式[6]。近些年，減緩并防止生態(tài)系統(tǒng)退化，恢復(fù)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，提高生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能，受到學(xué)者們的高度關(guān)注。尤其是在脆弱的沙地生態(tài)系統(tǒng)，通過植被恢復(fù)后，生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能是如何變化的？生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能是如何改善的？還需開展更為全面的研究。在高寒沙地，通過植被恢復(fù)與重建，不僅能夠有效的防止沙化的蔓延，更能夠提高沙地生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能。當(dāng)前，諸多學(xué)者分別以中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、黃柳(Salixgordejevii)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、榆樹(Ulmuspumila)疏林、油蒿(Artemisiaordosica)為研究對象，對科爾沁、毛烏素、渾善達(dá)克沙地植被恢復(fù)過程中生物量與生產(chǎn)力的變化進(jìn)行了研究[7-10]，但圍繞海拔高、氣溫低的高寒沙地，針對典型固沙樹種固碳方面的報道較少。

烏柳(SalixcheilophilaSchneid.)為楊柳科柳屬多年生落葉灌木或小喬木，是我國特有種，其生命力較強且耐旱抗寒，主要分布于甘肅、西藏、青海、寧夏等地，尤其在環(huán)境惡劣的西部地區(qū)，發(fā)揮著重要的水土保持、防風(fēng)固沙的功能。當(dāng)前針對烏柳的報道主要圍繞在其群落特征以及水分生理特性等方面[11-12]，從生態(tài)服務(wù)角度出發(fā)，對其固碳功能的研究卻鮮有報道。在青海省海南州共和盆地，烏柳已成為該地區(qū)開展植被恢復(fù)的典型樹種，表現(xiàn)出較強的適應(yīng)性，對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善發(fā)揮著重要作用。在沙地生態(tài)系統(tǒng)中，至今未有相關(guān)報道。本文以高寒沙地植被恢復(fù)區(qū)不同林齡烏柳為研究對象，深入研究烏柳防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)碳庫特征，旨在探討高寒沙地開展植被恢復(fù)過程中植被碳庫與土壤碳庫的變化，為系統(tǒng)評價沙地生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省海南州共和縣沙珠玉鄉(xiāng)，地處共和盆地中西部(100°45′—100°30′E，36°03′—36°30′N)，海拔2871—3870 m。屬高原溫帶半干旱草原和干旱荒漠草原的過渡帶，干旱、大風(fēng)、寒冷是其主要的氣候特點。年均溫2.4 ℃；年均降水量246.3 mm，且季節(jié)分配不均，干濕季明顯，降水主要集中在5—9月，年均潛在蒸發(fā)量1716.7 mm，年均大風(fēng)日數(shù)(風(fēng)速大于17 m/s)為50.6 d，沙塵暴平均為20.7 d，氣候異常干燥；其海拔高氣溫低的氣候條件決定了該地區(qū)高寒干旱的自然特征。在植被恢復(fù)區(qū)內(nèi)沙丘與丘間地交錯分布，主要地貌類型為流動沙丘、半流動沙丘、固定沙丘、丘間低地。該區(qū)地帶性土壤類型有栗鈣土、棕鈣土，非地帶性土壤有風(fēng)沙土、草甸土等。

2 研究方法

野外取樣及樣地設(shè)置均在國家林業(yè)局青海共和荒漠生態(tài)定位觀測研究站植被恢復(fù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，選擇位于丘間低地的4個林齡(6、11、16、21a)烏柳林樣地進(jìn)行取樣，樣地特征見表1，同時選擇一塊造林前的丘間低地(ck，20m×20m)進(jìn)行對照研究。

表1 試驗地基本特征Table 1 General situation of the experimental site

數(shù)值表現(xiàn)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(每個樣方標(biāo)準(zhǔn)株為4株), 同列不同小寫字母表示差異顯著(P< 0.05)

2.1 不同林齡烏柳人工林生物量的測定

分別在各林齡烏柳林內(nèi)設(shè)置固定樣地，樣地面積均為20 m×20 m，同時在樣地內(nèi)設(shè)置3個10 m×10 m的樣方，在每木檢尺的基礎(chǔ)上，根據(jù)樹高、基徑和冠幅等測樹因子，在每個樣方內(nèi)分別選取生長良好且與林分平均測樹因子相近的標(biāo)準(zhǔn)木4株。基徑(B)范圍包括了各林齡樣地內(nèi)所有樣木的大小。實測標(biāo)準(zhǔn)株不同組分(樹干、樹枝、樹葉、樹皮)的鮮重，帶回實驗室置于烘箱內(nèi)，80 ℃烘干至恒重，計算標(biāo)準(zhǔn)株樹干、樹枝、樹葉、樹皮不同組分的含水率，進(jìn)而換算成相應(yīng)的生物量(同時按不同組分獲得烘干樣品，進(jìn)行含碳率的測定)。在此基礎(chǔ)上，利用標(biāo)準(zhǔn)木的基徑(B)和生物量(W)建立相對生長方程。

采用分層挖掘法進(jìn)行根系生物量的測定，當(dāng)前由于不同樹種根系在形態(tài)大小上都不同，甚至同一樹種在不同立地條件下也不同，對于細(xì)根劃分還并不明確，長期以來大多數(shù)根系研究者按直徑大小將根系直徑小于或等于2 mm的根系劃為細(xì)根[13-15]。所以本文結(jié)合烏柳林根系剖面分布特征，記錄粗根(直徑d≥ 5.0 mm)、中根(2.0 mm

烏柳林生物量與基徑的相對生長方程為：

W干=335.484B0.964(R2=0.9772)；W枝=88.156B1.094(R2=0.9413)

W葉=88.039B0.434(R2=0.9391)；W皮=68.273B0.518(R2=0.9182)

W根=131.875B1.173(R2=0.9767)

2.2 不同林齡烏柳人工林林下草本生物量測定

在每個樣地的對角線上離4個角各1 m處設(shè)置5個1 m×1 m 的記名樣方，進(jìn)行樣方調(diào)查。記錄每個小樣方內(nèi)草本植物的種類、高度、蓋度和密度，并統(tǒng)計各草本植物的科、屬、種。采用全挖實測法，分地上和地下部分測定其鮮重，同種植物相同器官取混合樣品，帶回實驗室80℃烘干至恒重。

2.3 土壤樣品的采集

在各標(biāo)準(zhǔn)株冠幅南緣用土鉆采集土壤樣品，每個樣點分0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—50 cm、50—100 cm、100—150 cm及150—200 cm七層進(jìn)行取樣。同一層土壤樣品四次重復(fù)，四分法取出足夠樣品，土壤樣品去除殘留的枯落物后，過0.25 mm篩(研磨后)，用于進(jìn)行土壤碳濃度的測定[18]。

2.4 各組分碳密度的測定以及碳庫的計算方法

不同林齡烏柳林各組分碳濃度采用重鉻酸鉀-水合加熱法進(jìn)行測定，各組分碳密度計算公式如下：

式中,pcd是植被碳密度，Bi是第i組分植被生物量(t/hm2)，ci是i組分的植被含碳率。

不同林齡烏柳林土壤有機碳密度計算公式如下[19]：

式中,SOC是土壤有機碳密度(t/hm2)，ECi是第i層的土壤有機碳含量，BDi是第i層的土壤容重(g/cm3)，Ti是第i層的土壤厚度(cm)

采用SAS9.2軟件PROC MIXED(混合線性模型)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，混合線性模型可不依賴方差分析表計算均方，而直接估算各項隨機效應(yīng)的方差分量。相關(guān)數(shù)據(jù)采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean ± SD)來表示，同一因素不同水平間差異顯著性采用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行檢驗(顯著性水平P< 0.05)，采用Sigmaplot12.5軟件繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏柳器官碳濃度

各林齡烏柳林各組分碳濃度變化情況如圖1所示。方差分析說明不同林齡烏柳林同一組分碳濃度差異未達(dá)到顯著水平(P> 0.05)。6、11、16a和21a各器官碳濃度變化依次為：0.4105—0.5087 gC/g、0.4523—0.5342 gC/g、0.4514—0.5485 gC/g和0.4704—0.5992 gC/g。不同林齡粗根、中根、細(xì)根碳濃度變化規(guī)律不一致。各林齡根系含碳率變化范圍依次為0.4334—0.4690 gC/g、0.4328—0.4717 gC/g、0.4211—0.5030 gC/g和0.4563—0.4784 gC/g。

3.2 植被碳庫

烏柳林各組分碳貯量特征見表2。隨植被恢復(fù)時間的增加，烏柳林各組分碳貯量呈增加趨勢。各林齡烏柳碳貯量分別為4.95、9.93、14.67 t/hm2和21.99 t/hm2。各組分碳庫分配比例情況見圖2。雖然烏柳林各組分碳貯量變化隨植被恢復(fù)時間的增長而增加，但是各林齡不同組分碳庫的分配比例并不一致。6a烏柳樹干、樹根、樹枝、樹葉、樹皮各組分碳庫所占比例分別為36.96%、25.66%、22.42%、8.28%和6.66%。其他3個林齡，樹干碳貯量所占比例在50%左右，樹根碳貯量所占比例在20%上下，樹枝則占10%左右，樹皮和樹葉碳貯量所占林分碳貯量的百分比則不足10%。各林齡樹干碳貯量占林分碳貯量的百分比最高。

圖1 不同林齡烏柳人工林各組分碳濃度變化 Fig.1 Variation of carbon concentration of different components in different stand ages of S.cheilophila plantation

圖2 不同林齡烏柳人工林各組分碳庫分配比例 Fig.2 Carbon storage proportion of different stand ages in S.cheilophila plantation

表2 不同林齡烏柳人工林各組分碳庫特征 (t/hm2)Table 2 Carbon storage of different components in different stand ages of S.cheilophila plantation

不同大寫字母表示同一組分不同林齡差異顯著, 不同小寫字母表示同一林齡不同組分差異顯著 (P<0.05)

3.3 土壤有機碳濃度

各林齡烏柳林土壤有機碳濃度差異顯著(P< 0.05)，且同一林齡不同深度變化不同(圖3)。具體來說，土壤表層隨植被恢復(fù)時間的增加，16a與21a之間無顯著差異(P> 0.05)，但是兩林齡顯著高于6a和11a(P< 0.05)，而11a與6a之間差異顯著(P< 0.05)，這也與10— 20 cm深度變化相同。20—30 cm各林齡之間差異顯著(P< 0.05)，21a烏柳林土壤有機碳濃度顯著高于其他林齡(P< 0.05)。30—50 cm，21a與16a之間無顯著差異(P> 0.05)，但是顯著高于6a和11a(P< 0.05)，16a與6a之間差異亦顯著(P< 0.05)，但是與11a之間無顯著差異。50—100 cm，21a顯著高于6a(P< 0.05)但是與11a和16a之間無顯著差異(P> 0.05)，而6、11a和16a之間差異亦不顯著(P> 0.05)。100—150 cm，16a與21a顯著高于6a和11a(P< 0.05)，但是兩者之間無顯著差異(P> 0.05)，而11a亦顯著高于6a(P< 0.05)，這也與150—200 cm深度變化相同。

3.4 土壤碳庫

不同林齡烏柳土壤容重隨深度變化差異顯著(P< 0.05)，且同一林齡不同深度表現(xiàn)不同(圖4)。21a烏柳各深度土壤容重均低于其他林齡。隨植被恢復(fù)時間的增長，土壤容重逐漸降低。

烏柳林土壤有機碳分布特征見表4?？傮w來說，土壤碳庫隨植被恢復(fù)時間的增加而增加，較之6、11a土壤碳庫增加26.78%，16a較之11a提高24.16%，21a較16a提高9.82%。同一深度不同林齡土壤有機碳密度總體差異顯著(P< 0.05)。由于在計算土壤有機碳庫時，50 cm以下土層每隔50 cm進(jìn)行取樣，故深層碳密度因取樣深度的增加有機碳的含量較高，但若平均到單層，土壤有機碳密度是很小的。具體來說，在0—10 cm，21a顯著高于6a和11a(P< 0.05)，但是與16a無顯著差異(P> 0.05)，而16a亦高于6a和11a(P< 0.05)，這也與10—20 cm變化相同。20—30 cm，隨植被恢復(fù)時間的增加，各林齡土壤碳庫均差異顯著(P< 0.05)。30—50 cm由于取樣深度達(dá)200 cm，所以整體有機碳庫有所增加，21a顯著高于6a和11a(P< 0.05)但是與16a無顯著差異(P> 0.05)，而16a、11a和6a之間亦無顯著差異(P> 0.05)。深層土壤有機碳庫也有顯著差異，50—100 cm，21a顯著高于6a(P< 0.05)，但是與11a和16a之間無顯著差異(P> 0.05)，而6a、11a和16a之間亦無顯著差異(P>0.05)。100—150 cm，21a顯著高于6a和11a(P< 0.05)但是與16a無顯著差異(P> 0.05)，而6a與11a之間差異亦顯著(P< 0.05)，這也與150—200 cm深度變化相同。

圖3 不同林齡烏柳人工林土壤有機碳濃度特征 (g C/kg)Fig.3 Carbon concentration of different depth in different stand ages of S.cheilophila plantation

圖4 不同林齡烏柳人工林土壤容重 (g/cm3)Fig.4 Soil bulk density of different depth in different stand ages at different soil depth

表4 不同林齡烏柳人工林土壤有機碳庫特征Table 4 Carbon storage of different depth in different stand ages of S.cheilophila plantation

不同大寫字母表示同一深度不同林齡之間差異顯著(P<0.05)

3.5 生態(tài)系統(tǒng)碳庫分配與凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力

隨植被恢復(fù)時間的增加，不同林齡烏柳林碳庫變化特征見表5，各林齡碳庫分別為14.76、23.25、32.18 t/hm2和41.48 t/hm2。其中烏柳植被層碳庫分別為4.95、9.93、14.67 t/hm2和21.99 t/hm2；林下草本層碳庫分別為0.27、0.29、0.33、0.43 t/hm2；土壤層(0—200 cm)碳庫分別為9.54、13.03、17.18 t/hm2和19.05 t/hm2。各林齡植被層碳庫分別占該林齡總碳庫的33.54%、42.71%、45.59%和53.01%，各林齡土壤碳庫分別占該林齡總碳庫的64.63%、56.04%、53.39%和45.93%。而地被物層分別占該林齡碳庫的1.83%、1.25%、1.03%和1.03%。較之恢復(fù)前(ck)，各林齡碳庫分別增加57.05%、36.52%、27.75%和22.42%。烏柳林生態(tài)系統(tǒng)具有“碳匯”功能。據(jù)青海省治沙實驗站的記載，植被恢復(fù)區(qū)烏柳造林總面積為223.2 hm2，按照各林齡生物量碳庫的平均值12.795 t/hm2進(jìn)行計算，則植被恢復(fù)區(qū)烏柳林固碳量為2855.844 Mg C。

6a、11a、16a和21a烏柳人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量隨林齡逐漸增加，各林齡凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力分別為2.46、2.11、2.01、1.98 tC hm-2a-1。植被恢復(fù)各階段年凈碳累積速率分別為1.41、1.70、1.79、1.86 tC hm-2a-1。各林齡生態(tài)系統(tǒng)碳貯量與植被恢復(fù)各階段的凈碳累積速率均逐漸增加。

表5 不同林齡烏柳人工林碳貯量的空間分布及變化(t/hm2)Table 5 Spatial distribution of carbon storage and variation in different stand ages of S.cheilophila

4 結(jié)論與討論

灌木是世界上分布最廣的植被類型之一，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，尤其是在高寒沙地，灌木是開展生態(tài)恢復(fù)與防風(fēng)固沙的首選植被類型。植被的固碳功能是植物能量消耗與累積的主要體現(xiàn)之一，在各器官中的分配方式不僅僅受外界環(huán)境影響，同時也與林齡關(guān)系密切。不同林齡烏柳林各組分碳貯量不同，說明在高寒沙地，烏柳在不同生長階段能量積累能力不同，隨林齡的增加，能量在烏柳各器官的積累逐漸增加。

隨著烏柳林林齡的增加，各組分碳密度變化規(guī)律并不明顯。各器官碳濃度變化依次為：0.4105—0.5087 gC/g、0.4523—0.5342 gC/g、0.4514—0.5485 gC/g和0.4704—0.5992 gC/g。研究結(jié)果與相關(guān)學(xué)者對我國南方不同喬木類型各器官的碳密度變化范圍一致，大都在0.45—0.55 gC/g之間[20]。此外，不同林齡粗根、中根和細(xì)根碳濃度變化并不一致。對6a來說，粗根含碳率較高，而11a細(xì)根碳密度較大，16a根系含碳率粗根>中根>細(xì)根，而21a中根>細(xì)根>粗根?？梢娭脖换謴?fù)的不同階段，根系碳密度的變化并不一致。不同林齡根系生物量的置信區(qū)間分別為(2.82 ± 0.15)t/hm2、(3.63 ± 0.11)t/hm2、(8.12 ± 0.62)t/hm2和(11.21 ± 0.55)t/hm2，根系的周轉(zhuǎn)會導(dǎo)致植被地下部分碳密度的變化[21]。隨生物量的增加，地下部分碳貯量亦逐漸增加。

再來看土壤有機碳的變化，不同林齡烏柳土壤有機碳濃度差異顯著(P< 0.05)，且同一林齡不同深度變化不同。土壤碳庫隨植被恢復(fù)時間的增加而增加。在干旱半干旱區(qū)通過造林以及后續(xù)的改進(jìn)，輔以當(dāng)年凋落物的分解能夠使生態(tài)系統(tǒng)碳貯量增加，已經(jīng)得到廣泛的共識[22-23]。本文的研究與Su等人在半干旱區(qū)研究固沙灌木錦雞兒使土壤有機碳顯著增加的結(jié)果一致，也與Li等學(xué)者在科爾沁沙地對蒙古利亞松人工防護(hù)林進(jìn)行的研究一致[24-25]。而對于因土地利用方式改變而造成的土壤有機碳庫的變化，不同地區(qū)不同學(xué)者也開展了相應(yīng)的研究，人們在阿根廷半干旱區(qū)發(fā)現(xiàn)土壤有機碳不受造林影響[26]，而還有學(xué)者在科爾沁沙地研究發(fā)現(xiàn)在沙質(zhì)草地進(jìn)行小葉楊造林后，土壤有機碳先減小并在15a以后才回到之前草地的水平[27]。此外，人們還發(fā)現(xiàn)的當(dāng)沙地草場轉(zhuǎn)化為森林后并不會導(dǎo)致土壤有機碳的顯著增加，直到森林成熟時，才會發(fā)生變化[28]。所以不同地區(qū)土壤有機碳的變化與不同的生態(tài)系統(tǒng)以及所營建的植被類型都密切相關(guān)。相關(guān)結(jié)果表明，土壤有機碳的積累在造林后前幾年會逐漸增加，而后增速逐漸減慢，并最終達(dá)到平衡[29], 由于本文只選擇4個林齡，對烏柳老齡林土壤有機碳庫特征需在今后的實驗中展開。

在海拔高氣溫低的高寒沙地，不僅僅在土壤表層，而在深層土壤，土壤有機碳隨著植被恢復(fù)時間的增長，也發(fā)生著相應(yīng)的改變。這是根系與土壤交互作用的體現(xiàn)。在土壤異質(zhì)性較強的高寒沙地，土壤容重能夠影響土壤入滲、土壤環(huán)境以及植株的生長，通過改變土壤結(jié)構(gòu)和機械組成來影響土壤有機質(zhì)和土壤有機碳含量的改變[30]。由于不同林齡烏柳林的根系隨植被恢復(fù)時間的增加呈深根性發(fā)展，而根系的生長改變了土壤的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致了土壤容重發(fā)生了改變，而土壤容重對土壤有機碳和有機質(zhì)含量都會產(chǎn)生影響。以土壤容重作為解釋變量，土壤有機碳作為響應(yīng)變量，進(jìn)行線性回歸，土壤容重的變化顯著影響土壤有機碳含量，土壤有機碳含量與土壤容重之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，回歸方程可表示為：

y=39.129-22.187x(R2=0.247，P<0.001)

不同林齡烏柳林地上部分與地下部分碳庫隨植被恢復(fù)時間的增長而增加。Woodwell對全球2.65×109hm2灌木林以及沙漠灌叢的植被碳貯量的估算結(jié)果為27.9 Pg C，平均碳密度為10.5 Mg C/hm2[31]。胡會峰等人對我國主要六種灌叢類型平均碳密度估算結(jié)果為10.88 Mg C/hm2[32]。不同灌叢類型之間碳密度差異較大，亞熱帶、熱帶酸性土常綠落葉闊葉灌叢碳密度達(dá)到17.00 Mg C/hm2，而熱帶海濱硬葉常綠闊葉灌叢碳密度為5.92 Mg C/hm2。本文對高寒沙地烏柳林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度計算結(jié)果為12.795 Mg C/hm2，略高于全球灌木林的平均值。較之我國六種典型灌木類型，沙地烏柳林的平均碳密度介于亞熱帶、熱帶酸性土常綠落葉闊葉灌叢和熱帶海濱硬葉常綠闊葉灌叢之間。各林齡烏柳林生態(tài)系統(tǒng)碳庫分別為14.76、23.25、32.18 t/hm2和41.48 t/hm2，主要由植被層、植被殘體以及土壤層組成。植被恢復(fù)各階段年凈碳累積速率分別為1.41、1.70、1.79、1.86 tC hm-2a-1。各林齡生態(tài)系統(tǒng)碳貯量與植被恢復(fù)各階段的凈碳累積速率均逐漸增加。烏柳林具有“碳匯”功能。

圖5 不同林齡不同深度烏柳人工林土壤有機碳與土壤容重的關(guān)系Fig.5 Relationship between SOC and BD of different stand ages of S.cheilophila plantation

在高寒沙地開展植被恢復(fù)與重建，一方面有效的防止了沙化，另一方面增強了沙地生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能。干旱、半干旱地區(qū)沙地生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能對未來氣候變化影響重大。而灌木是開展植被恢復(fù)的主要植被類型，在碳循環(huán)過程中，灌木也被認(rèn)為是不確定的碳匯[33]，因此，對干旱半干旱地區(qū)灌叢植被的固碳功能進(jìn)行研究具有重要的意義。在高寒沙地開展植被恢復(fù)與重建，有助于提高該地區(qū)的碳匯功能，同時為揭示沙地生態(tài)系統(tǒng)典型植被類型生物量和生產(chǎn)力，準(zhǔn)確的評估沙地生態(tài)系統(tǒng)碳源、碳匯以及固碳潛力提供科學(xué)依據(jù)。

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Changes of carbon pools of alpine sandySalixcheilophilashelterbelts with stand age

YU Yang1, JIA Zhiqing1,2,*, ZHU Yajuan1,2, LIU Yanshu1,2, LIU Haitao1, LI Qingxue1

1InsitituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2QinghaiGongheDesertEcosystemResearchStation,HainanTibetanAutonomousPrefecture813000,China

Re-vegetation is an effective way to eliminate the fragile ecosystems. Long-term vegetation restoration can promote the ecosystem services of the sandy land. In the present study,Salixcheilophila, a typical sand-fixing shrub species in the Gonghe Basin, Qinghai Province, was used to investigate the variations of biomass and carbon concentrations in different plant organs and soil depth. Meanwhile, the changes of carbon pools with different stand age (6-,11-,16-,and 21-year old,) were calculated during the re-vegetation process. Characteristics of carbon sequestration ofSalixcheilophilaplantation ecosystem were discussed. The results indicated that: (1) The total tree biomass increased with the increasing of stand ages. The carbon concentrations among each component showed no significant difference with the increment of restoration time (P>0.05), while the carbon storage increased significantly with stand ages (P<0.05). The proportions of carbon pools of different components varied in different stand ages. The carbon storage in the trunk took up the highest percentage compared with all the other components. The carbon storage of 6-, 11-, 16-, and 21-year old stand were 4.95, 9.93, 14.67 and 21.99 t/hm2, respectively. The variation of carbon density in different organs ranged from 0.4105 to 0.5087 gC/g for 6-year old stand, from 0.4523 to 0.5342 gC/g for11-year old stand, from 0.4514 to 0.5485gC/g for 16-year old stand, and from 0.4704 to 0.5992 gC/g for 21-year old plantation. The variations of carbon density among the coarse root, middle root and fine root were different in different stand ages. The root biomass of each stands was 2.82, 3.63, 8.12 and 11.21 t/hm2, respectively. The carbon storage underground also increased gradually with the increasing of biomass. (2) The soil organic carbon pools exhibited significant difference in the same depth of different ages (P<0.05). The soil carbon pools were 9.54, 13.03, 17.18 and 19.05 t/hm2, increased with the restoration time. The soil carbon pools of 11-year old stand increased 26.78% compared to the 6-year old stand; the 16-year old stand increased 24.16% compared to the 11-year old stand; and the 21-year old stand increased 9.82% compared to the 16-year old stand. The carbon storage of litter layers were 0.27, 0.29, 0.33 and 0.43 t/hm2for each stands, respectively. The ecosystem carbon pools were 14.76, 23.25, 32.18 and 41.48 t/hm2for each stands. (3) The vegetation layer accounted for 33.54%, 42.71%, 45.59% and 53.01% of the total carbon pools; the soil layer accounted for 64.63%, 56.04%, 53.39% and 45.93% and the litter layer accounted 1.83%, 1.25%, 1.03% and 1.03%, respectively. (4) The carbon pools increased 57.05%, 36.52%, 27.75% and 22.42% compared with those before re-vegetation. The net carbon accumulation rates were 1.41, 1.70, 1.79 and 1.86 tC hm-2a-1. As a result, the artificial shelterbelt ofS.cheilophilaplantation could be considered as a “carbon sink”. The study may provide scientific references for sustainable shelterbelts resource management and carbon sink shrubland development during vegetation restoration in the fragile alpine sandy ecosystem.

Salixcheilophila; alpine sandy; carbon concentration; carbon storage; stand age; carbon sink

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201204203)

2013-05-27;

日期:2014-07-18

10.5846/stxb201305271202

*通訊作者Corresponding author.E-mail: Jiazq@caf.ac.cn

于洋, 賈志清, 朱雅娟, 劉艷書, 劉海濤, 李清雪.高寒沙地烏柳防護(hù)林碳庫隨林齡的變化.生態(tài)學(xué)報,2015,35(6):1752-1760.

Yu Y, Jia Z Q, Zhu Y J, Liu Y S, Liu H T, Li Q X.Changes of carbon pools of alpine sandySalixcheilophilashelterbelts with stand age.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1752-1760.