崔秋芳，趙佳寶，陳家林，郭二輝，楊喜田

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002

不同林齡階段的松櫟混交人工林碳儲量研究

崔秋芳，趙佳寶，陳家林，郭二輝，楊喜田*

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河南 鄭州 450002

以不同林齡的馬尾松-麻櫟（Pinus massoniana-Quercus acutissima）人工林為研究對象，為盡可能減少樣木法測定生物量對森林資源的破壞，采取估算和實(shí)驗(yàn)測定相結(jié)合的方法，探討了不同生長發(fā)育階段生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的時(shí)空變化規(guī)律。結(jié)果表明：人工混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨著林齡的增加而增加，且主要分布在喬木層和土壤層。隨著林齡的增大，喬木層碳儲量增加，馬尾松碳儲量占喬木層的比重呈先增加后降低趨勢，20年生所占比重最大，可達(dá)61.53%，而麻櫟則相反，35年生麻櫟碳儲量高達(dá)80.30 t·hm-2，占比重的55.33%，二者生長呈現(xiàn)互補(bǔ)趨勢；灌木層和枯落物層碳儲量隨著林齡的增大呈現(xiàn)“n”型，20年生達(dá)到最高值，分別為13.00和1.87 t·hm-2；8年生林齡的草本層碳儲量最大，為0.15 t·hm-2，隨著林齡的增加而減??；土壤有機(jī)碳儲量隨著林齡的增大而增加，同一林齡土壤機(jī)碳碳儲量在垂直分布上表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加，碳儲量減少，有機(jī)碳碳儲量主要集中在0～20 cm的土層。植被層碳儲量的空間分布序列是：喬木層>灌木層>枯落物層>草本層，混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分布情況為8～20年生林碳儲量分布一致：土壤>喬木>灌木>枯落物>草本，25～35年生分布一致：喬木>土壤>灌木>枯落物>草本。該研究認(rèn)為馬尾松-麻櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨林齡增加的變化規(guī)律明顯，碳匯潛力巨大，為該區(qū)人工碳匯林業(yè)的經(jīng)營提供了依據(jù)。

人工混交林；林齡；時(shí)空變化；碳儲量，

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森林生態(tài)系統(tǒng)在應(yīng)對全球氣候變暖中扮演著重要的角色，其碳匯功能成為溫室氣體減排的手段越來越受到人們的重視。人工林在CO2的吸收和固定及減緩全球氣候變化等方面占據(jù)了越來越重要的地位（吳鵬飛等，2008；Winjum et al.，1997）。徐新良等（2007）提出中國森林的植被碳匯功能主要來自于人工林的貢獻(xiàn)。森林植被地上和地下之間的碳分配過程是森林生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的主要過程（Chen et al.，2015）。Fahey et al.（2010）提出生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳庫，林木的生物量包括樹干、樹枝、葉片、根系。Montané et al.（2010）認(rèn)為枯落物的數(shù)量和質(zhì)量影響土壤有機(jī)碳的集聚，是土壤物質(zhì)和能量的來源，在碳循環(huán)過程中起著重要的作用（Kumada et al.，2008，2009；Montané et al.，2010）。Wang et al.（2013）提出林地土壤的碳儲量約占整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的三分之二，對全球碳循環(huán)意義重大。碳儲量受到地形、氣候、土壤特性、林木種類以及林齡等多種因子影響（Delcuca et al.，2012），樹種組成及樹齡對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響尤為重要（He et al.，2013）。不合理的人工林組成與林齡結(jié)構(gòu)將會導(dǎo)致一系列的生態(tài)問題，最終影響碳匯林業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展（魏曉華等，2015）。Powers et al.（2013）研究表明柳葉桉（Eucalyptus saligna Smith）人工純林的地下部分碳儲量隨著林齡的增長呈下降趨勢。豫中南低山丘陵區(qū)位于暖溫帶和亞熱帶過渡區(qū)，屬于氣候變化敏感區(qū)域，馬尾松-麻櫟（Pinus massoniana-Quercus acutissima）混交林是這一地區(qū)重要的森林資源，也是森林碳庫的重要組成部分，因此對不同林齡混交林的固碳潛力及碳儲量研究尤為重要。

本研究以駐馬店南部低山丘陵區(qū)的馬尾松-麻櫟人工混交林為研究對象，為盡可能減少樣木法測定生物量對森林資源的破壞，采取估算和實(shí)驗(yàn)測定相結(jié)合的方法，基于對不同林齡的松櫟人工林碳儲量的調(diào)查評估，探討人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的時(shí)空分布特征，旨在為區(qū)域尺度上估算人工林生態(tài)系統(tǒng)碳庫及碳平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1　研究地區(qū)概況

本研究位于河南省駐馬店市南部，是桐柏山和伏牛山余脈的淺山丘陵地，地處東經(jīng) 113°24′～114°30′，北緯32°34′～32°44′。該區(qū)氣候?qū)儆趤啛釒?、暖溫帶的過渡區(qū)，年平均氣溫為 15.1 ℃，降雨量為971 mm，日照的時(shí)長為2145.9 h，無霜期約為220 d。植被中喬木樹種以麻櫟（Q. acutissima）、馬尾松（P. massoniana）等為主，灌木以構(gòu)樹（Broussonetia papyrifera）、和柘桑（Cudrania tricuspidata）、麻櫟更新層等為代表，草本植物以柳葉箬（Isachne globosa）和狗牙根（Cynodon dactylon (Linn.)Pers.）等為主；土壤為黃棕壤。

2　研究方法

2.1樣地選擇

2014年7月，采用樣地調(diào)查法先后于河南省駐馬店市確山縣薄山林場、泌陽縣馬道林場，分別選取8、10、20、25、30、35年生馬尾松-麻櫟人工林為研究對象，同一林齡的兩個(gè)樹種年齡相同，均為人工栽植樹種，但由于初植時(shí)成活率不同，以及中間撫育、盜伐程度不同等原因，不同林齡的兩個(gè)樹種差異較大，其中，8～25年生林馬尾松-麻櫟混植比例為1∶3，30～35年生林馬尾松-麻櫟混植比例約為1∶1.5。采用羅盤儀閉合導(dǎo)線測量方法（導(dǎo)線閉合差≤1/200），設(shè)置面積為400 m2（20 m×20 m）大小的標(biāo)準(zhǔn)樣地 16個(gè)。記錄調(diào)查樣地的名稱、經(jīng)緯度、海拔、坡向、坡度等信息。對樣地內(nèi)胸徑大于1 cm的林木進(jìn)行每木調(diào)查并記錄其胸徑、樹高、冠幅、郁閉度等信息。用胸徑尺測定胸徑（1.3 m處），精確到0.1 cm。樣地基本情況見表1。

表1　樣點(diǎn)基本情況Table 1 Basic information of plots

2.2植被生物量調(diào)查

（1）喬、灌木生物量及碳儲量的估算：為了減少樣木法測定林木生物量帶來的破壞性，借鑒已發(fā)表的適合試驗(yàn)地的生物量方程對喬木層樹種馬尾松、麻櫟生物量進(jìn)行估算（見表 2）。馬尾松的生物量采用張國斌等（2012）的一元樹干生物量模型進(jìn)行估算，麻櫟的生物量測算則采用劉玉萃等（1998）、馮萬富等（2015）關(guān)于櫟類的一元樹干生物量模型。本研究中將林下更新層中直徑≤4 cm的幼苗均歸為灌木類，主要為麻櫟。因此，灌木層生物量的測算主要采用以 D2H為自變量的林下灌木生物量回歸模型（見表2）。

表2　喬木和灌木生物量相對生長方程Table 2 Allometric equations of tree and shrub biomass

（2）草本層生物量的估測：在每個(gè)樣地按對角線法，設(shè)置4個(gè)面積為1 m2（1 m×1 m）的草本樣方，采用挖掘法獲得樣方內(nèi)草本（地上部、地下部）樣品，把采集的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室在 80 ℃條件下烘干至恒重，用于計(jì)算生物量。

（3）收集枯落物的樣方設(shè)置同草本，收集所有枯落物，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 80 ℃條件下烘干至恒量，測定枯落物的現(xiàn)存量。

2.3碳儲量的測定方法

根據(jù)碳-生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)將植被生物量轉(zhuǎn)換為碳儲量。轉(zhuǎn)換系數(shù)均來自已發(fā)表文章，本文選定的馬尾松和麻櫟轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.54和0.5（李?？?，2010）；灌木、草本和枯落物的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為0.49（劉迎春等，2011；馬欽彥等，2002）、0.40和0.39（劉迎春等，2011；羅云建，2007）。

2.4土壤有機(jī)碳儲量測定

每個(gè)樣地按對角線法設(shè)定3個(gè)土壤取樣點(diǎn)，分別在0～10、10～20、20～30、30～40 cm土層采集土壤容重（環(huán)刀取樣法）和有機(jī)碳含量樣品。由于樣地40 cm以下土層石塊較多，及植被對土壤有機(jī)質(zhì)的影響主要集中在 40 cm以上土層（吳鵬飛等，2008；Tolbert et al.，2002），故本研究僅取0～40 cm的土樣。土壤容重用烘干法測定。采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機(jī)碳。土壤有機(jī)碳儲量的計(jì)算公式（張國慶等，2007）：

式中，C為土壤有機(jī)碳儲量（t·hm-2）；Hi是第i層土壤的平均厚度（cm），Bi是第i層土壤的平均容重（g·cm-3），Oi是第i層土壤的平均有機(jī)碳含量（g·kg-1），0.1為單位換算系數(shù)。

2.5數(shù)據(jù)分析

采用Origin 7.5繪制喬木層生物量和碳儲量分布圖、兩個(gè)喬木樹種碳儲量百分比分配圖以及馬尾松-麻櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量空間分布圖，用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析（One Way ANOVA）進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，并用最小顯著差異法（LSD）（方差齊性）進(jìn)行多重比較。

3　結(jié)果與分析

3.1馬尾松-麻櫟人工林喬木層的生物量和碳儲量

由圖1可以看出，馬尾松和麻櫟的生物量和碳儲量整體表現(xiàn)為隨著林齡的增加而增加。8～30年生人工林，馬尾松生物量和碳儲量在不同林齡間均呈現(xiàn)出極顯著差異，而30年生林和35年生林僅表現(xiàn)為顯著差異。麻櫟的8年生林和10年生林的生物量和碳儲量呈現(xiàn)出顯著差異，其余林齡均呈極顯著差異。8年生林和10年生林喬木層的總生物量無顯著差異，而不同林齡間的喬木層碳儲量差異則極其顯著。

圖1　喬木層的生物量和碳儲量Fig. 1 Biomass and carbon storage of trees in plantations

圖2顯示，隨著林齡的增加，馬尾松碳儲量呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，而麻櫟則相反。馬尾松在8～20年處于快速生長期，其生物量和碳儲量在喬木層中所占的比重增加，20年以后生長速度減慢，生物量和碳儲量的貢獻(xiàn)率減小。20年生馬尾松的生物量和碳儲量在喬木層中所占的比重均達(dá)到最大值，高達(dá)61.53%。麻櫟前期生長較緩慢，35年生麻櫟的生物量和碳儲量均達(dá)到最大值，表明麻櫟在后期仍有很強(qiáng)的生長潛力。

3.2林下植被層生物量和碳儲量

從表3可知，對于灌木層的生物量和碳儲量，其變化均呈“n”型特點(diǎn)，先隨著林齡的增大而明顯增加，8年生林生物量和碳儲量最少，20年達(dá)到最大值，分別為26.54和13.00 t·hm-2，然后隨林齡增加而降低。草本植物的生物量和碳儲量均隨著林齡的增加而減小，其中8年生林下草本植物的碳儲量百分比為1.12%，分別比其他林齡高出1020.00%、2053.85%、2053.85%、2073.08%、3400.00%。林下枯落物的現(xiàn)存量和碳儲量隨著林齡的增大呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中 20年生混交林林下枯落物的現(xiàn)存量和碳儲量最多。

圖2　喬木層兩樹種碳儲量的比例分配Fig. 2 Carbon storage distribution of trees

3.3土壤有機(jī)碳儲量

本調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同林齡的混交林內(nèi)土壤層有機(jī)碳儲量在垂直分布上表現(xiàn)出一定的規(guī)律性（表4）。隨著土壤深度的增加，有機(jī)碳碳儲量減少。各林齡0～20 cm土層中有機(jī)碳碳儲量明顯高于20～40 cm的土層。土壤總的有機(jī)碳碳儲量呈現(xiàn)出隨著林齡的增加而增加，20年生和25年生林地土壤有機(jī)碳碳儲量差異不顯著，其余均顯著（P＜0.05）。

表3　林下植被層和枯落物的生物量和碳儲量Table 3 Biomass and carbon storage of understory and litter t·hm-2

表4　不同林齡土壤有機(jī)碳儲量Table 4 Organic carbon storage in soil for different stand age t·hm-2

圖3　馬尾松-麻櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量空間分布Fig. 3 Ecosystem carbon storage and spatial distribution of P. massoniana and Q. acutissima mixed plantation

3.4人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的時(shí)空分布

從圖3可以看出，不同林齡的人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨著林齡的增加而增加，各林齡間生態(tài)系統(tǒng)碳儲量差異極其顯著。相同林齡的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分布亦不同，其中 8～20年生混交林碳儲量分布情況為：土壤>喬木>灌木>枯落物>草本，25～35年生為：喬木>土壤>灌木>枯落物>草本。由此可知，喬木和土壤是生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的主要來源，草本和枯落物碳儲量極低（在圖2中沒有表達(dá)）。植被和土壤有機(jī)碳碳儲量在生態(tài)系統(tǒng)中所占比例隨林齡的增加而發(fā)生變化。在8、10、20、25、30和35年階段，植被碳儲量所占比例依次為20.45%、26.63%、50.73%、54.03%、55.26%和 55.94%，土壤有機(jī)碳碳儲量分別為79.55%、73.37%、49.27%、45.97%、44.74%和44.06%。由此表明，隨著林齡的增加，植被碳儲量對整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的貢獻(xiàn)率也在增加，而土壤機(jī)碳碳儲量則相反。

4　結(jié)論和討論

馬尾松-麻櫟人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量及碳儲量均隨著林齡的變化而變化，并且碳儲量主要分布在喬木層和土壤層，這和前人研究相符合。

4.1討論

在喬木層生物量和碳儲量累積的過程中，由于10～20年生為馬尾松的速生期，胸徑和樹高生長迅速（林劍榕，2007），期間生物量累積迅速，20年以后的馬尾松生長速度趨于平緩，而4～10年生是麻櫟的速生豐產(chǎn)期，并且 27年生的麻櫟還具有一定的生長潛力（魏國余等，2014）。因此前 20年馬尾松碳儲量對喬木層總碳儲量的貢獻(xiàn)大，麻櫟后來者居上。林下植被層碳儲量受人工撫育、林齡和林分郁閉度影響較大。20年生林分郁閉度較小，林下光照充足、濕度適宜，利于麻櫟種子萌發(fā)和幼苗生長；另外，在林下天然更新層中直徑≤4 cm的麻櫟幼苗數(shù)量增多，且被歸為灌木類，因此 20年生林林下植被高于其他林分。隨著林齡和郁閉度的增加松櫟混交林林下灌木層和草本層的生物量和碳儲量的變化趨勢，充分反映了林分郁閉度的變化和人工撫育的影響。枯落物的現(xiàn)存量和碳儲量隨著林齡的變化和灌木層保持一致，可能受到林下植被豐富度的影響，在生長后期，隨著枯落物分解增加，現(xiàn)存量減少，碳儲量降低。

本研究中林分土壤層有機(jī)碳儲量低于我國森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層碳儲量的平均值（193.55 t·hm-2）（周玉榮等，2000）。主要考慮以下兩個(gè)原因：一是所選取林分的林齡不同，碳儲量不同；二是由于林地土壤條件限制，只能選取0～40 cm的土壤剖面，而多數(shù)研究者采用的是0～100 cm土層進(jìn)行估算。土壤表層有機(jī)碳儲量顯著高于下土層，具有明顯的表聚性，可能是因?yàn)樯锓纸獾挠袡C(jī)質(zhì)主要積聚在表土，這與巫濤等（2012）的研究結(jié)論一致。一些學(xué)者認(rèn)為土壤有機(jī)碳儲量和林齡沒有顯著關(guān)系，也有人認(rèn)為土壤碳含量隨著林齡的增長而增加，本研究結(jié)果和后者一致。這些差異可能是由于土壤有機(jī)碳儲量受到土壤理化性質(zhì)、林地管理水平、枯落物輸入以及根系代謝等多因素的影響（劉苗等，2014； Zeng et al.，2013）。本研究認(rèn)為，隨著林齡的增加，枯落物的輸入利于增加林有機(jī)碳的含量。

4.2結(jié)論

馬尾松-麻櫟人工混交林生態(tài)系統(tǒng)可以比較迅速的積累大量的生物量碳，喬木和土壤是碳匯的主要場所，隨著林齡的增加，喬木層逐漸成為該人工林生態(tài)系統(tǒng)碳匯的主導(dǎo)。同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)馬尾松和麻櫟速生期互補(bǔ)，此時(shí)加強(qiáng)人工撫育和管理是實(shí)現(xiàn)和促進(jìn)其碳匯功能的重要手段（成向榮等，2012）。本研究下一步工作將結(jié)合對不同林齡林木的撫育管理，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)木采樣，測算碳儲量，同時(shí)建議對30年馬尾松和35年生麻櫟進(jìn)行必要的間伐甚至是全伐管理，并在清除原有植株后，重新補(bǔ)植幼樹，以維持碳匯平衡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人工林的多功能可持續(xù)發(fā)展。

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Study on Carbon Storage of A Mixed Pine-oak Plantation Based on Different Ages

CUI Qiufang, ZHAO Jiabao, CHEN Jialin, GUO Erhui, YANG Xitian*
College of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China

In this paper, Pinus massoniana and Quercus acutissima mixed plantation ranging from 8 to 35 years in representative are selected as the research object. The paper mainly discussed temporal-spatial pattern of community biomass and carbon storage in different stand structures, (e.g.the tree, the shrub, the herb and the stand) and different age group，adopting estimates and experiment ways to minimize the destruction of standard tree method of biomass to the forest resources. The results showed that the ecological system carbon storage in mixed plantations increased continually with the ages increasing, mainly distributed in the tree layer and soil layer. The carbon storage percentage of P. massoniana increased first and then decreased with the increasing of age, 20 years accounted for the largest, reached 61.53%, while Q. acutissima is just the opposite, carbon storage of 35 year-old Q. acutissima reached up to 80.30 t·hm-2and accounted for 55.33%, Showing a trend of growth complementary between them. With the increasing of stand age, the carbon storage of shrub layer and litter layer showed “n” type, peaked at 20 years were 13.00 and 1.87 t·hm-2, but herb layer reduced, peaked at 8 years was 0.15 t·hm-2. To the soil layer, Organic Carbon storage increased with the increasing of age and focused on 0～20 cm and decreased with soil depth in same aged plantation. Carbon storage in vegetable layer was in sequence of arbor, shrub, liter, herb. Carbon storage in mixed plantations ecological system in 8～20 years was in the same sequence of soil>tree>shrub>litter>herb, while in 25～35 years was tree>soil>shrub>litter>herb. In conclusion, our study shows that carbon storage and distribution patterns in P. massoniana and Q. acutissima mixed plantation expressed obvious dynamic variations with stand age and had huge carbon storage potential in the future. It can facilitate the management of the forest as a carbon sink.

multi-function plantation; stand age; temporal-spatial pattern; carbon storage

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.003

S718.55; X171.1

A

1674-5906（2015）12-1944-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31170580）

崔秋芳（1981年生），女，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹脖换謴?fù)，林木生理生態(tài)研究。E-mail: cqf1981@163.com *通信作者：楊喜田，男，教授，博士導(dǎo)師，主要從事植被恢復(fù)，林木生理生態(tài)研究

2015-09-28

引用格式：崔秋芳, 趙佳寶, 陳家林, 郭二輝, 楊喜田. 不同年齡階段的松櫟混交人工林碳儲量研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(12): 1944-1949.