董 波, 萬福緒, 嚴(yán) 妍, 蔣丹丹, 劉建中, 劉天池

(1.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院, 江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,

江蘇 南京 210037; 2.徐州市銅山區(qū)林業(yè)局, 江蘇 徐州 221116)

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徐州市石灰?guī)r山地不同植被恢復(fù)模式的碳儲(chǔ)量

董 波1, 萬福緒1, 嚴(yán) 妍1, 蔣丹丹1, 劉建中2, 劉天池2

(1.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院, 江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,

江蘇 南京 210037; 2.徐州市銅山區(qū)林業(yè)局, 江蘇 徐州 221116)

摘要：[目的] 研究不同造林模式的碳儲(chǔ)量，為區(qū)域碳匯森林的營建提供理論依據(jù)。 [方法] 以江蘇省徐州市石灰?guī)r山地分布普遍的6種植被恢復(fù)模式為研究對(duì)象，對(duì)其碳儲(chǔ)量及其分配格局進(jìn)行了計(jì)算。 [結(jié)果] 6種植被恢復(fù)模式總碳儲(chǔ)量的變化范圍在28.379～46.561 t/hm2之間，表現(xiàn)為側(cè)柏(Platyclatdusorientalis)×梧桐(Firmianasimplex)>側(cè)柏×女貞(Ligustrumlucidum)>側(cè)柏×楓香(Liquidambarformosana)>側(cè)柏>側(cè)柏×欒樹(Koelreuteriapaniculata)>側(cè)柏×黃櫨(Cotinuscoggygria)。土壤碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的54.333%～78.290%。植被碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的20.213%～44.414%。枯落物碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的0.582%～3.897%。 [結(jié)論] 土壤碳儲(chǔ)量是不同植被恢復(fù)模式總碳儲(chǔ)量的主體。保護(hù)石灰?guī)r山地現(xiàn)有土層，防治水土流失及頻繁的人為擾動(dòng)對(duì)于維持土壤碳儲(chǔ)量具有重要作用。加強(qiáng)對(duì)側(cè)柏的養(yǎng)護(hù)管理，配置適宜的闊葉樹種可以有效地增加植被的固碳潛力。

關(guān)鍵詞：碳儲(chǔ)量; 側(cè)柏; 植被恢復(fù)模式; 石灰?guī)r山地

森林生態(tài)系統(tǒng)是地球生物圈的重要組成部分，儲(chǔ)存了陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳地上部分的80%，地下部分的40%[1]，其在調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升和維護(hù)全球氣候等方面具有不可替代的作用[2]。人工林作為陸地森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，其碳匯作用被認(rèn)為是減緩全球變化的一種可能機(jī)制和最有希望的選擇[3]，提高人工林碳匯功能的關(guān)鍵在于選擇適宜的造林模式及樹種。近年來，許多學(xué)者在森林植被碳儲(chǔ)量、碳密度和固碳潛力等方面開展大量研究工作[4-10]，但由于研究方法、對(duì)象和區(qū)域的差異，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量研究結(jié)果存在較大差異。側(cè)柏(Platycladusorientalis)人工林是黃、淮河平原東部石灰?guī)r殘丘分布的一種重要植被類型，分布范圍廣、面積大，是徐州市丘陵地區(qū)的主要森林類型。近年來，徐州大力實(shí)施“市區(qū)山地綠化工程”和“二次進(jìn)軍荒山綠化工程”，通過不同的樹種配置，對(duì)現(xiàn)有的大面積側(cè)柏純林進(jìn)行更新改造，高標(biāo)準(zhǔn)營造生態(tài)風(fēng)景林，促進(jìn)人工側(cè)柏林向地帶性落葉闊葉林的演替。以往關(guān)于側(cè)柏生物量和碳儲(chǔ)量的研究主要集中在側(cè)柏純林[11-13]，缺乏對(duì)側(cè)柏與闊葉樹混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究。對(duì)徐州石灰?guī)r山地不同植被恢復(fù)模式的碳儲(chǔ)量進(jìn)行研究，有助于客觀認(rèn)識(shí)不同造林模式的碳儲(chǔ)量及其分配特征，從而選擇出最適宜的配置模式，為區(qū)域碳匯森林的營建提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于徐州市呂梁林場(chǎng)(117°28′34″—117°28′41″E，34°10′42″—34°10′51″N)，海拔95～136 m。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，光照充足，降水量較為充沛，四季分明。年均氣溫13.9 ℃，全年無霜期200～220 d，年日照時(shí)數(shù)為2 284～2 495 h，年均降水量800～930 mm，雨季降水量占全年的56%。研究區(qū)土層含石率達(dá)30%，土壤類型為石灰?guī)r發(fā)育而成的粗骨褐土和淋溶褐土，土層薄，腐殖質(zhì)少，保水保肥能力差。

側(cè)柏與闊葉樹混交林是研究區(qū)山體的主要林分類型，林分密度1 224～2 250株/hm2，常采用行間混交或塊狀混交種植模式。林下灌草稀少，發(fā)育較差。灌木主要有火棘(Pyracanthafortuneana)、柘樹(Cudraniatricuspidata)、牡荊(Vitexnegundo)、酸棗(Ziziphusjujuba)等，草本主要有狗尾草(Setariaviridis)、鬼針草(Bidenspilosa)、茅莓(Rubusparvifolius)、馬兜鈴(Aristolochiadebilis)等。

2研究方法

2.1　樣地設(shè)置

2013年10月，選擇側(cè)柏純林、側(cè)柏×黃櫨混交林、側(cè)柏×女貞混交林、側(cè)柏×梧桐混交林、側(cè)柏×欒樹混交林和側(cè)柏×楓香混交林等6種植被恢復(fù)模式作為研究對(duì)象。每種模式各設(shè)3塊20 m×20 m喬木樣方，每個(gè)喬木樣方內(nèi)沿對(duì)角線布設(shè)3個(gè)5 m×5 m灌木樣方，每個(gè)灌木樣方內(nèi)布設(shè)1個(gè)1 m×1 m草本樣方，每個(gè)草本樣方內(nèi)布設(shè)1個(gè)0.25 m×0.25 m枯落物樣方。在枯落物樣方內(nèi)采集土壤樣品。樣地基本情況見表1。

表1　樣地基本情況

2.2　碳儲(chǔ)量計(jì)算

2.2.1喬木碳儲(chǔ)量計(jì)算記錄喬木樣方內(nèi)胸徑(DBH)≥3 cm的所有喬木樹種的株數(shù)、樹高、胸徑等，利用李朝[13]的側(cè)柏各器官生物量模型，計(jì)算側(cè)柏的生物量。其他5種闊葉喬木樹種則在樣地內(nèi)根據(jù)測(cè)定的平均胸徑和平均樹高選取1株標(biāo)準(zhǔn)木，共選取標(biāo)準(zhǔn)木5株，采用全挖實(shí)測(cè)法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)木的生物量，按林木的根、干、枝、葉等部分分別稱量鮮重，每部分取一定量樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在60 ℃下烘干稱量得干重，根據(jù)干重/鮮重比計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)木的生物量，依據(jù)樣方內(nèi)每種闊葉樹的數(shù)量可得到樣方內(nèi)闊葉樹種的生物量。喬木層生物量乘以0.5的碳轉(zhuǎn)化率[14]，得到喬木層碳儲(chǔ)量。

2.2.2林下灌、草層碳儲(chǔ)量計(jì)算林下灌、草層生物量的測(cè)定采用全部收獲法。稱量鮮重后，將一定量樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在60 ℃下烘干稱量得干重，根據(jù)干重/鮮重比計(jì)算得到單位面積內(nèi)灌、草層生物量。林下灌草層采用0.45為碳轉(zhuǎn)化率[15]，碳儲(chǔ)量是根據(jù)單位面積灌草層生物量乘以其碳含量而求得。

2.2.3枯落物碳儲(chǔ)量計(jì)算采用全部收獲法對(duì)枯落物樣方內(nèi)的枯落物進(jìn)行收集，將全部樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在60 ℃下烘干，稱量得干重，計(jì)算單位面積內(nèi)枯落物量。不同植被恢復(fù)模式枯落物含碳率測(cè)定采用重鉻酸鉀加熱法，結(jié)果見圖1。枯落物干重再乘以相應(yīng)含碳率得到枯落物碳儲(chǔ)量。

注：植被恢復(fù)模式中1指?jìng)?cè)柏； 2指?jìng)?cè)柏×黃櫨； 3指?jìng)?cè)柏×女貞；

4指?jìng)?cè)柏×梧桐； 5指?jìng)?cè)柏×欒樹； 6指?jìng)?cè)柏×楓香。下同。

圖16種植被恢復(fù)模式的枯落物含碳率

圖2　6種植被恢復(fù)模式的土壤有機(jī)碳含量

2.2.4土壤碳儲(chǔ)量測(cè)定在實(shí)驗(yàn)室將土壤樣品風(fēng)干，研磨過0.149 mm土壤篩，采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定不同植被恢復(fù)模土壤有機(jī)碳含量C(g/kg)，結(jié)果見圖2。同時(shí)用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重θ(g/cm3)。D為土層厚度(cm)，δ為>2 mm礫石含量(體積%)。因本區(qū)屬于石灰?guī)r山地，礫石含量較高，δ值統(tǒng)一采用30%。土層較薄，平均土層厚度只有10 cm，所以未對(duì)土壤做分層處理。土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量SOC(t/hm2)的計(jì)算式公式參考徐艷等[16]的方法，略作修改：

SOC=10-1×D×θ×C×(1-δ)

2.2.5不同植被恢復(fù)模式總碳儲(chǔ)量的計(jì)算不同植被恢復(fù)模式總碳儲(chǔ)量為植被碳儲(chǔ)量、枯落物碳儲(chǔ)量和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量之和。

2.3　數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過SPSS 18.0軟件的單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)不同植被恢復(fù)模式間碳儲(chǔ)量的差異(α=0.05)。圖表用Origin 9.0進(jìn)行繪制。

3結(jié)果與分析

3.1　植被碳儲(chǔ)量

植被碳儲(chǔ)量包括喬木、灌木和草本碳儲(chǔ)量(表2)。6種恢復(fù)模式的植被碳儲(chǔ)量差異顯著，平均為12.278 t/hm2。最大的為側(cè)柏×梧桐模式，達(dá)20.680 t/hm2；其次是側(cè)柏×女貞模式，為16.911 t/hm2；最小的是側(cè)柏×黃櫨模式，僅為6.823 t/hm2，只占側(cè)柏×梧桐模式植被碳儲(chǔ)量的32.993%。從植被碳儲(chǔ)量的組成來看，喬木碳儲(chǔ)量占總植被碳儲(chǔ)量的82.788%～95.775%，具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這是由于石灰?guī)r山地立地條件惡劣，林下灌草稀少所致。在5種針闊混交林模式中，側(cè)柏碳儲(chǔ)量占喬木碳儲(chǔ)量的59.042%～96.845%，明顯高于其他闊葉樹，這是由于側(cè)柏為5種針闊混交林模式中的優(yōu)勢(shì)樹種，其樹齡高于其他闊葉樹，生長(zhǎng)情況也優(yōu)于闊葉樹種。不同植被恢復(fù)模式中灌木和草本的碳儲(chǔ)量間差異顯著，平均僅為0.066 t/hm2和0.802 t/hm2。這與研究區(qū)裸巖率高及較為頻繁的人工撫育有密切關(guān)系。灌木碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為側(cè)柏>側(cè)柏×女貞>側(cè)柏×楓香>側(cè)柏×欒樹>側(cè)柏×黃櫨>側(cè)柏×梧桐模式。草本的碳儲(chǔ)量以側(cè)柏×女貞模式最高，為1.420 t/hm2；側(cè)柏×楓香模式最小，碳儲(chǔ)量?jī)H為0.379 t/hm2。

表2　6種植被恢復(fù)模式的碳儲(chǔ)量　t/hm2

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差； 同列不同字母代表模式間差異顯著，p<0.05。

3.2　枯落物碳儲(chǔ)量

由表3可知，6種植被恢復(fù)模式枯落物碳儲(chǔ)量的變化范圍在0.213～1.106 t/hm2之間，表現(xiàn)為：側(cè)柏×黃櫨>側(cè)柏×女貞>側(cè)柏×梧桐>側(cè)柏×欒樹>側(cè)柏×楓香>側(cè)柏。5種針闊混交林模式的枯落物碳儲(chǔ)量普遍大于側(cè)柏純林，側(cè)柏純林的枯落物碳儲(chǔ)量只占5種針闊混交林模式的19.259%～45.127%。由于針闊混交林相對(duì)于側(cè)柏純林模式枯落物輸入多，所以其碳儲(chǔ)量也較高。5種針闊混交林模式間枯落物碳儲(chǔ)量的差異主要取決于闊葉樹枯落物生物量和分解速率。

3.3　土壤碳儲(chǔ)量

6種植被恢復(fù)模式的土壤碳儲(chǔ)量(見表3)平均為24.756 t/hm2。最大的是側(cè)柏×楓香模式，為28.125 t/hm2；側(cè)柏×黃櫨模式的碳儲(chǔ)量最小，為20.450 t/hm2。6種植被恢復(fù)模式的土壤碳儲(chǔ)量的差異主要取決于不同植被恢復(fù)模式的土壤含碳率和土壤容重。

3.4　不同配置模式的總碳儲(chǔ)量及分配格局

由表3可知，6種植被恢復(fù)模式總碳儲(chǔ)量差異顯著，變化范圍在28.379～46.561 t/hm2，平均為37.625 t/hm2，表現(xiàn)為：側(cè)柏×梧桐>側(cè)柏×女貞>側(cè)柏×楓香>側(cè)柏>側(cè)柏×欒樹>側(cè)柏×黃櫨。植被碳儲(chǔ)量對(duì)總碳儲(chǔ)量的排序貢獻(xiàn)較大，除側(cè)柏模式外的其余5種針闊混交林總碳儲(chǔ)量和其植被碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)一致。這是由于各植被恢復(fù)模式間土壤碳儲(chǔ)量差異相對(duì)較小，而枯落物的碳儲(chǔ)量在總碳儲(chǔ)量中所占比例相對(duì)較少所致。側(cè)柏純林的碳儲(chǔ)量大于側(cè)柏×欒樹和側(cè)柏×黃櫨模式，小于其余3種植被恢復(fù)?？梢姡F(xiàn)階段針闊混交林相比針葉純林在總碳儲(chǔ)量方面并無優(yōu)勢(shì)。這是由于研究對(duì)象處于幼齡林階段，而闊葉樹種多在中后期進(jìn)入快速生長(zhǎng)階段，進(jìn)而才能在生物量和碳儲(chǔ)量方面顯示出較大的優(yōu)勢(shì)。從總碳儲(chǔ)量的分配來看，表現(xiàn)為土壤層>植被層>枯落物層。土壤碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的54.333%～78.290%，是不同植被恢復(fù)模式總碳儲(chǔ)量的主體。其次是植被層，占總碳儲(chǔ)量的20.213%～44.414%。枯落物碳儲(chǔ)量對(duì)總碳儲(chǔ)量貢獻(xiàn)較小，只占總碳儲(chǔ)量的0.582%～3.897%。

表3　6種植被恢復(fù)模式的碳儲(chǔ)量

4結(jié) 論

6種恢復(fù)模式的植被碳儲(chǔ)量差異顯著，表現(xiàn)為：側(cè)柏×梧桐>側(cè)柏×女貞>側(cè)柏>側(cè)柏×楓香>側(cè)柏×欒樹>側(cè)柏×黃櫨。喬木碳儲(chǔ)量占總植被碳儲(chǔ)量的82.788%～95.775%，具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。側(cè)柏碳儲(chǔ)量占5種針闊混交林模式中喬木碳儲(chǔ)量的59.042%～96.845%，明顯高于其他闊葉樹。不同植被恢復(fù)模式中灌木和草本的碳儲(chǔ)量間差異顯著，平均僅為0.066 t/hm2和0.802 t/hm2。6種植被恢復(fù)模式枯落物碳儲(chǔ)量的變化范圍在0.213～1.106 t/hm2之間，表現(xiàn)為：側(cè)柏×黃櫨>側(cè)柏×女貞>側(cè)柏×梧桐>側(cè)柏×欒樹>側(cè)柏×楓香>側(cè)柏，5種針闊混交林模式的枯落物碳儲(chǔ)量均高于側(cè)柏純林。土壤碳儲(chǔ)量最大的是側(cè)柏×楓香模式，為28.125 t/hm2；最小的是側(cè)柏×黃櫨模式，為20.450 t/hm2。土壤碳儲(chǔ)量的差異主要取決于不同植被恢復(fù)模式的土壤含碳率和土壤容重。6種植被恢復(fù)模式的總碳儲(chǔ)量差異顯著，變化范圍在28.379～46.561 t/hm2，表現(xiàn)為：側(cè)柏×梧桐>側(cè)柏×女貞>側(cè)柏×楓香>側(cè)柏>側(cè)柏×欒樹>側(cè)柏×黃櫨。

從總碳儲(chǔ)量的分配來看，土壤碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的54.333%～78.290%，是不同植被恢復(fù)模式總碳儲(chǔ)量的主體。因此，保護(hù)石灰?guī)r山地現(xiàn)有土層，防治水土流失及頻繁的人為擾動(dòng)對(duì)于維持土壤碳儲(chǔ)量具有重要作用。林下灌草清理、整地等頻繁的人為擾動(dòng)雖有利于林木的成活與快速生長(zhǎng)，但這些措施使土壤微生物類群與活動(dòng)增加，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳大量釋放[5]。植被碳儲(chǔ)量占總碳儲(chǔ)量的20.213%～44.414%，對(duì)總碳儲(chǔ)量的影響僅次于土壤碳儲(chǔ)量。側(cè)柏碳儲(chǔ)量在植被碳儲(chǔ)量中占有舉足輕重的地位。因此，加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有側(cè)柏的養(yǎng)護(hù)管理對(duì)于維持植被碳儲(chǔ)量具有重要作用。現(xiàn)階段，雖然闊葉樹種在在植被碳儲(chǔ)量中貢獻(xiàn)較小，但配置適宜的闊葉樹種可以增加石灰?guī)r山地植被的固碳潛力。從研究結(jié)果來看，梧桐和女貞相比黃櫨和楓香具有更好的固碳潛力?？萋湮锾純?chǔ)量對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量貢獻(xiàn)較小，只占總碳儲(chǔ)量的0.582%～3.897%。但其在生物碳庫向土壤碳庫轉(zhuǎn)移過程中具有關(guān)鍵作用，還可有效保持水土，對(duì)維持人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫也有重要的作用。

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Carbon Storage of Different Forest Restoration Patterns in Limestone Mountains of Xuzhou City

DONG Bo1, WAN Fuxu1, YAN Yan1, JIANG Dandan1, LIU Jianzhong2, LIU Tianchi2

(1.CollegeofForestResourcesandEnvironment,NanjingForestryUniversity,JiangsuKeyLaboratoryofForestryEcologicalEngineering,Nanjing，Jiangsu210037,China; 2.ForestryBureauofTongshanDistrict,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Abstract：[Objective] To investigate the carbon storage of different forest restoration patterns in order to provide theoretical basis for the construction of regional forest carbon sinks. [Methods] The storage and distribution was calculated based on different forest restoration patterns that widely distributed in limestone mountains of Xuzhou City. [Results] The carbon storage of different forest restoration patterns was in the range of 28.379～46.561 t/hm2, followed a sequence ofPlatyclatdusorientalis×Firmianasimplex>P.orientalis×Ligustrumlucidum>P.orientalis×Liquidambarformosana>P.orientalis>P.orientalis×Koelreuteriapaniculata>P.orientalis×Cotinuscoggygria. The carbon storage of soil occupied 54.333%～78.290% of the total carbon storage. The carbon storage of vegetation occupied 20.213%～44.414% of the total carbon storage, and the carbon storage of litter only occupied 0.582%～3.897% in total carbon storage. [Conclusion] Soil carbon storage is an important component of the total carbon storage. It is an effective way to maintain soil carbon storage by protecting surface soil, controlling soil and water losses, and reducing artificial disturbance on limestone mountains. Furthermore, strengthening maintenance forPlatyclatdusorientalisand selecting the suitable broadleaved tree species can effectively increase the carbon sequestration potential.

Keywords:carbon storage;Platyclatdusorientalis; forest restoration pattern; limestone mountain

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)03-0288-05

中圖分類號(hào)：S718.55

通信作者：萬福緒(1952—),男(漢族),江蘇市贛榆縣人,教授,碩士,博士生導(dǎo)師,從事林業(yè)生態(tài)工程研究。E-mail:Fxwan@njfu.edu.cn。

收稿日期：2014-05-13修回日期：2014-05-16

資助項(xiàng)目：國家林業(yè)局“948”項(xiàng)目“用于石灰?guī)r山地植被恢復(fù)及石漠化治理的墨西哥柏良種引進(jìn)”(2009-4-17); 江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

第一作者：董波(1981—),男(漢族),陜西省寶雞市人,博士研究生,研究方向?yàn)榱謽I(yè)生態(tài)工程。E-mail:78691217@qq.com。