余　蓉, 項(xiàng)文化,3,*,寧　晨, 羅趙慧

1. 中南林業(yè)科技大學(xué),長沙　410004 2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,長沙　410004 3. 湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,會同　418307

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長沙市4種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量與分布特征

余蓉1,2, 項(xiàng)文化1,2,3,*,寧晨1,2, 羅趙慧1,2

1. 中南林業(yè)科技大學(xué),長沙410004 2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室,長沙410004 3. 湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站,會同418307

摘要:采用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和生物量實(shí)測方法,研究了長沙市區(qū)4種人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量、碳儲量及其分布特征。結(jié)果表明：馬尾松林、杉木林、毛竹林和楊樹林生態(tài)系統(tǒng)生物量分別為135.390、100.578、64.497、63.381 t/hm2；林下植被及死地被物層分別為18.374、22.321、1.847 t/hm2和2.602 t/hm2。喬木層林木各器官含碳率為0.405—0.551 gC/g,林下植被層為0.421—0.518 gC/g,死地被物層為0.230—0.545 gC/g,土壤層有機(jī)碳含量為15.669—19.163 g C/kg。4種人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量為208.671、176.723、149.168 t/hm2和164.735 t/hm2,其中植被層為32.789—67.8661 t/hm2；死地被物層為0.394—6.163 t/hm2；土壤層為134.642、116.911、115.985 t/hm2和126.860 t/hm2。4種森林年凈固碳量為15.167 t hm-2a-1,固定CO2量55.602 t hm-2a-1。研究結(jié)果可為深入研究城市森林碳平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：生物量; 碳含量; 碳儲量; 城市人工林; 長沙市

全球氣候變化已經(jīng)威脅到全球生物及其賴以生存的生態(tài)環(huán)境,影響著人類的生存與可持續(xù)發(fā)展。溫室效應(yīng)和氣候變暖的加劇,使森林碳匯問題越來越受到人們的重視[1-5]。全球森林生態(tài)系統(tǒng)每年的凈碳匯為(2.4±0.4)PgC[6]。因此,開展森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡動態(tài)研究,對于科學(xué)預(yù)測森林對全球碳平衡和氣候變化的作用具有重要意義[7-10],并已成為氣候變化科學(xué)研究領(lǐng)域和國際社會關(guān)注的熱點(diǎn)[11-14]。

城市化是一個(gè)國家現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志,是人類文明進(jìn)步的必然結(jié)果。近年來,由于城市化水平的快速推進(jìn),生態(tài)環(huán)境問題日益突出,有許多市城區(qū)空氣中CO2含量已超過自然界大氣中CO2正常含量300 mg/kg的指標(biāo)[15],生態(tài)環(huán)境的惡化已經(jīng)受到普遍關(guān)注。城市森林作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在改善和維持城市的生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)人與自然協(xié)調(diào)、滿足社會可持續(xù)發(fā)展等方面的作用突出,尤其是城市森林的固碳作用,倍受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,并取得相關(guān)的研究成果[16-21]。盡管城市森林在降低大氣CO2濃度,提高城市環(huán)境質(zhì)量方面有重要的作用,但目前學(xué)術(shù)界對城市森林資源的碳儲量和碳密度動態(tài)研究較少[22]。因此,在當(dāng)前城市土地與森林資源緊缺的情況下,對城市森林碳匯功能的研究就顯得尤為重要。

城市森林的碳儲量是評價(jià)城市森林功能的重要的指標(biāo)之一[23]。本文則以占長沙市區(qū)森林面積約80%的馬尾松、杉木、毛竹和楊樹人工林生態(tài)系統(tǒng)[24]為研究對象,利用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和生物量實(shí)測方法,研究了長沙市4種主要人工林生態(tài)系統(tǒng)的生物量、生產(chǎn)力、碳含量、碳儲量及空間分布格局,可為長沙市及湖南省城市森林碳平衡的深入研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為湖南省城市森林合理規(guī)劃布局提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗(yàn)區(qū)概況與研究方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在湖南省長沙市西區(qū)。地理位置111°53′—114°15′E,27°51′—28°41′N。全市地勢東西兩端高聳,中部低平。海拔在100 m左右,年均氣溫17.2℃,年降水量1360 mm,相對濕度80%,氣候?yàn)榈湫偷膩啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候。土壤以紅壤為主,地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林,原生植被所剩無幾,現(xiàn)有植被以人工林為主。森林資源中馬尾松林、杉木林、毛竹林所占面積居大,分別為有林地面積的35.82%、31.90%、10.10%[24]。試驗(yàn)區(qū)的馬尾松林、杉木林為1年生苗木造林；楊樹林為1年生插條造林；毛竹林為1—2年生種竹造林。

1.2研究方法

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

由于研究對象為城市人工林,因此盡可能地考慮到林分周邊環(huán)境的影響。標(biāo)準(zhǔn)地選擇在試驗(yàn)區(qū)不同森林類型的中間部位。在馬尾松、杉木、楊樹林分內(nèi)各設(shè)置20 m×33.3 m的標(biāo)準(zhǔn)地3塊,共9塊。分別對標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的林木進(jìn)行每木檢尺,實(shí)測林木胸徑、樹高等測樹因子,根據(jù)每木檢尺結(jié)果,計(jì)算出各樹種的平均胸徑和平均樹高。為保護(hù)資源,砍伐標(biāo)準(zhǔn)木受限,只能在不同森林類型的標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各選出平均木1株,各3株,3種林分共選標(biāo)準(zhǔn)木9株。

由于毛竹林是一種異齡林,年齡是林分結(jié)構(gòu)的重要特征,因此依據(jù)管護(hù)人員記載的栽植時(shí)間,并結(jié)合對毛竹年齡的判別方法,在試驗(yàn)區(qū)的毛竹林分內(nèi),選出5年生毛竹的株數(shù)占據(jù)了50%—60%以上的竹林進(jìn)行設(shè)置20 m×33.3 m的標(biāo)準(zhǔn)地3塊,在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)只調(diào)查記錄5年生毛竹的株數(shù)、胸徑、竹高等因子。其他年齡毛竹不計(jì)入其內(nèi)。經(jīng)計(jì)算后,各選出平均竹1株,共選5年生標(biāo)準(zhǔn)竹3株。各標(biāo)準(zhǔn)地林分特征見表1。

表1　各標(biāo)準(zhǔn)地林分結(jié)構(gòu)特征

1.2.2生物量測定

采用“分層切割法”測量馬尾松、杉木、楊樹和毛竹地上器官生物量。將各標(biāo)準(zhǔn)木從根干(莖)交界處伐倒后,以1 m為區(qū)分段,截取各段的樹干(竹竿)、樹枝、樹葉并分別稱其鮮重,各采取樣品1.0 kg。

根系采用“分層挖掘法”測量地下生物量。馬尾松、杉木、楊樹標(biāo)準(zhǔn)木按樹冠投影區(qū)域,以0.5 m為一層,并按根系粗度級(根樁、大根直徑>0.5 cm、粗根直徑0.2—0.5 cm、細(xì)根直徑<0.2 cm)分層挖取,分別不同粗度級根系稱量鮮重,同時(shí)采取樣品1.0 kg；在毛竹標(biāo)準(zhǔn)竹周圍0.5 m×0.5 m范圍內(nèi)挖出地下所有的鞭根,按竹蔸、竹鞭、側(cè)根、須根分別稱量鮮重,同時(shí)采取樣品1.0 kg。將采集的各器官樣品,帶會實(shí)驗(yàn)室,置于105℃烘箱殺青5 min后,再于80℃烘至恒重,求其含水率,推算其生物量,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)木(竹)各器官生物量。

在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)置灌木層樣方(2 m×2 m)和草本層樣方(1 m×1 m)各3塊,以及死地被物層小樣方(1 m×1 m)3塊,記錄每個(gè)樣方內(nèi)的灌木和草本植物種類后,均采用“樣方收獲法”測定生物量。灌木植物和草本植物均按地上器官和地下根系分別稱其鮮重,并各取樣1.0 kg。死地被物層則分為未分解、半分解、已分解層分別稱鮮重,各取樣1.0 kg,將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,置于80℃烘箱烘至恒重,求其含水率,推算其生物量。

1.2.3土壤樣品采集

在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),劃出對角線,在對角線的中間部位,布設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn),挖土壤剖面,按0—20、20—40、40—60 cm土層,分別采取土樣500 g,共采土樣144個(gè)。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,去除石礫和根系等雜物,風(fēng)干后粉碎,過2 mm篩,以備測定有機(jī)碳含量用。在采集土壤樣品同時(shí),用100 cm3環(huán)刀取樣,置于105℃烘至恒重,測定土壤容重。

1.2.4碳含量測定

所有植物和土壤樣品的有機(jī)碳含量,均采用重鉻酸鉀-水合加熱法測定。

1.3數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

用Excel及SPSS軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)采用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD),對不同類型林分生物量及碳儲量進(jìn)行了比較,顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

1.3.1林分生物量計(jì)算

林分喬木層生物量(t/hm2)=單株林木生物量(3株標(biāo)準(zhǔn)木的平均值)× 林分株數(shù)(毛竹林僅為

5年生毛竹的株數(shù))

灌木層生物量(t/hm2)=所有灌木植物地上部分生物量+地下部分生物量

草本層生物量(t/hm2)=所有草本植物地上部分生物量+地下部分生物量

死地被物層生物量(t/hm2)=未分解層生物量+半分解層生物量+已分解層生物量

1.3.2林分碳儲量計(jì)算

喬木層各器官碳儲量(t/hm2)=各器官生物量×各器官碳含量

林分喬木層碳儲量(t/hm2)=喬木層林木各器官碳儲量之和

灌木層碳儲量(t/hm2)=各灌木植物碳儲量的加權(quán)平均值

草本層碳儲量(t/hm2)=各草本植物碳儲量的加權(quán)平均值

土壤層碳儲量(t/hm2)=土壤容重(g/cm3)×土層深度(cm)×土壤有機(jī)碳含量(g/kg)

林分年凈固碳量(t hm-2a-1)=林分年凈生產(chǎn)力×平均碳含量

折合成CO2量=林分年凈固碳量×3.666[25]

2結(jié)果與分析

2.1不同林分的生物量

2.1.1不同林分喬木層生物量及其分配

從表2可以看出,馬尾松林喬木層生物量最高,為135.390 t/hm2(P<0.05),其次為杉木林100.578 t/hm2(P<0.05),毛竹林和楊樹林生物量最低,分別為64.497 t/hm2和63.381 t/hm2(P<0.05)。各林分中樹干(竹竿)生物量顯著高于其他組織器官(P<0.05),其生物量占總生物量的比例均在50%以上,而細(xì)根所占比例卻在2%以下。

2.1.2灌木層、草本層和死地被物層生物量

由表3可知,楊樹林林下植被層和死地被物層生物量分別為0.800 t/hm2和1.802 t/hm2。且草本層略高于灌木層,但差異不顯著(P<0.05),死地被物層生物量顯著高于草本層和灌木層(P<0.05)；

杉木林林下植被層生物量為14.686 t/hm2,且灌木層顯著高于草本層(P<0.05),死地被物層生物量為7.635 t/hm2,顯著高于草本層(P<0.05) 。

毛竹林林下植被層生物量為0.214 t/hm2,且灌木層高于草本層(P<0.05),死地被物層生物量為1.633 t/hm2,占林下植被層和死地被物層生物量的88.41%；

馬尾松林林木下層生物量為18.374 t/hm2,其中灌木層生物量(2.064 t/hm2)顯著高于草本層(0.950 t/hm2) (P<0.05),死地被物層生物量為15.360 t/hm2,顯著高于灌木層和草本層(P<0.05)。

表2　不同林分喬木層的生物量及分配比例

表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差; 不同小寫字母表示同一林分不同器官生物量差異顯著(P<0.05); 不同大寫字母表示不同林分間生物量差異顯著(P<0.05)

表3　林下植被層和死地被物層生物量及分配

表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差

2.2植被層和死地被物層碳素含量

2.2.1喬木層林木各器官碳素含量

從喬木層林木各器官碳含量可以看出(表4),楊樹各器官碳含量在0.454—0.551 gC/g之間,以樹干碳含量最高,細(xì)根最低；杉木各器官碳含量在0.458—0.509 gC/g,以枝碳含量最低,葉最高；毛竹各器官碳含量在0.405—0.527 gC/g,竹枝碳含量最高,須根最低；馬尾松各器官碳含量在0.405—0.516 gC/g,以粗根最低,樹干最高。表明樹種不同,碳含量不同,而且器官不同,碳含量亦不相同。

2.2.2灌木層、草本層和死地被物層碳含量

由表5可知,楊樹林灌木層碳含量最高,為0.518 gC/g,馬尾松林次之,為0.512 gC/g,毛竹林最低,為0.484 gC/g； 而草本層碳含量卻以馬尾松林最高,為0.483 gC/g,楊樹林其次,為0.478 gC/g,杉木林最低,為0.421 gC/g。不同森林類型的林下植被碳含量均表現(xiàn)為灌木層>草本層；死地被物層碳含量中,除毛竹林碳含量較低外(平均碳含量為0.244 gC/g),其他森林類型死地被物層平均碳含量在0.397—0.517 gC/g之間。

2.3土壤層碳含量

由表6表明,楊樹林土壤有機(jī)碳含量在12.340—23.161 g C/kg之間,并隨著土層深度的增加,土壤有機(jī)碳含量逐漸減小,且0—20 cm土壤有機(jī)碳含量與40—60 cm土層間存在顯著差異(P<0.05)；杉木林土壤有機(jī)碳含量在7.650—20.354 g C/kg之間,以表層土(0—20cm)最高,占0—60cm土層碳含量的49.746%,并且隨土層加深,各層次均表現(xiàn)出顯著下降的趨勢(P<0.05)；毛竹林土壤有機(jī)碳含量為11.783—21.913g C/kg,且20—40 cm和40—60 cm間無顯著差異(P>0.05),但均顯著低于表土層(P>0.05)；馬尾松林土壤有機(jī)碳含量為10.299—22.410 g C/kg,且垂直分布規(guī)律與毛竹林相似。由方差分析結(jié)果表明,4種林分土壤有機(jī)碳平均含量在15.669—19.163 g C/kg范圍內(nèi),以楊樹林最高,毛竹林和馬尾松林次之,杉木林最低,但差異并不顯著(P>0.05)。

表4　不同林木各器官碳素含量(gC/g)

表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差;最后一列平均值為加權(quán)平均值

表5　不同林分林下植被層和死地被物層碳含量(gC/g)

表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差

表6　不同林分土壤有機(jī)碳含量(g C/kg)

表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差;括號內(nèi)數(shù)據(jù)為土壤容重; 同行相同小寫字母表示同一森林類型不同土層間有機(jī)碳含量差異不顯著(P>0.05);同列不同大寫字母表示不同森林類型間和相同土層間有機(jī)碳含量差異顯著(P<0.05)

2.4森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及空間分布

2.4.1不同林分喬木層碳儲量

表7可以看出,馬尾松林喬木層總碳儲量最高,為66.346 t/hm2,顯著高于其他森林類型(P<0.05),其次為杉木林47.871 t/hm2(P<0.05),最低為楊樹林和竹林分別為33.976 t/hm2和32.632 t/hm2(P<0.05),且楊樹林和竹林總碳儲量間沒有顯著差異(P>0.05)。

4種林分的樹干(竿)碳儲量均為最高,且顯著高于其他器官(P<0.05),均占喬木層總碳儲量的52%以上。其次為樹枝,占8.504%—22.649%,細(xì)根(須根)均為最低,為0.246—0.584 t/hm2,僅占2%以下。

從表7還可以看出,4種林分地上部分碳儲量主要集中在樹干(竿),除馬尾松外,其他林分的枝和葉碳儲量間均無顯著差異(P>0.05)；地下部分主要集中在根頭(竹蔸)內(nèi),除楊樹林外,根頭(竹蔸)碳儲量均顯著高于細(xì)根、粗根和大根(P<0.05)。

表7　不同林分喬木層碳儲量(t/hm2)

表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差;同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);同列相同大寫字母表示差異不顯著(P>0.05)

2.4.2森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及空間分布

由表8可以看出,楊樹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為164.735 t/hm2,其中土壤層為126.860 t/hm2,占系統(tǒng)總碳儲量的77.01%,且顯著高于其他層次碳儲量(P<0.05)；植被層碳儲量為36.925 t/hm2,占22.41%；死地被物層為0.950 t/hm2,僅占0.58%。

表8　森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及空間分布(t/hm2)

表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差; 同列不同小寫字母表示相同林型不同層次碳儲量差異顯著(P<0.05); 同行相同大寫字母表示不同林型碳儲量差異不顯著(P>0.05)

杉木林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量為176.723 t/hm2,其中土壤層碳儲量為116.911 t/hm2,占系統(tǒng)總碳儲量的66.16%；植被層為56.274 t/hm2,占31.84%,且灌木層碳儲量顯著高于草本層(P<0.05)；死地被物層為3.538 t/hm2,占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的2.00%。

毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為164.735 t/hm2,其中土壤層碳儲量為115.985 t/hm2,占系統(tǒng)總碳儲量的77.76%；植被層為32.789 t/hm2,占21.98%,且灌木層和草本層碳儲量間無顯著差異(P>0.05)；死地被物層碳儲量為0.394 t/hm2,僅占0.26%。

馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為208.671 t/hm2,其中土壤層碳儲量為134.642 t/hm2,占系統(tǒng)總碳儲量的64.52%；植被層為67.866 t/hm2,占32.52%,且喬木層碳儲量顯著高于灌木層和草本層(P<0.05),但灌木層和草本層間無顯著差異(P>0.05)；死地被物層碳儲量為6.163 t/hm2,只占2.96%。

從表8還可以看出,4種森林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量以馬尾松林最高(P<0.05),竹林最低,其碳儲量的空間分布格局均為：土壤層>植被層>死地被物層。

2.4.34種森林類型年凈固碳量

由表9可看出,長沙市4種人工林喬木層凈初級生產(chǎn)力為31.597 t hm-2a-1。其中,毛竹林凈初級生產(chǎn)力最高,為12.461 t hm-2a-1,其次為馬尾松林和杉木林,分別為8.462 t hm-2a-1和7.184 t hm-2a-1,以楊樹林3.490 t hm-2a-1最低。4種林分的年凈固碳量約為15.167 t hm-2a-1,以毛竹林最高,為6.019 t hm-2a-1,馬尾松林和杉木林相近,分別為3.969 t hm-2a-1和3.721 t hm-2a-1,最低的是楊樹林,為1.758 t hm-2a-1。4種林分折合成CO2量為55.602 t hm-2a-1。其中,毛竹林最高,約為馬尾松林、杉木林的2倍,楊樹林的3.4倍。

表9　長沙市4種人工林類型喬木層生產(chǎn)力與年凈固碳量

2.4.44種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳總儲量

依據(jù)長沙市森林資源數(shù)據(jù),推算了長沙市4種人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳總儲量,并列于表10?？梢钥闯?長沙市4種人工林面積為368195.50 hm2,總碳儲量為6868.35萬t,其中以栽植面積大的馬尾松林和杉木林的總碳儲量最高,占4種人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的88.04%。

表10　長沙市4種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳總儲量

3討論

3.1林分生物量

生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)最基本的數(shù)量特征之一,也是研究森林碳儲量和碳平衡的基礎(chǔ)。本文所測得17年生楊樹林生物量為63.38 t/hm2,高于天津13年生楊樹林45.43 t/hm2[26],分別低于天津21年生和貴陽市25年生楊樹林100.17 t/hm2和105.36 t/hm2[26,27]。同時(shí),16年生馬尾松林生物量為135.390 t/hm2,分別高于長沙南區(qū)13年生和廣西隆林縣14年生馬尾松林63.42 t/hm2和114.95 t/hm2[19,28]。表明生物量是隨林分年齡的增大而增加,這與前人的研究結(jié)果[29-31]相一致。

本研究的14年生杉木林生物量100.578 t/hm2,略高于會同14年生杉木林97.186 t/hm2[32],而低于大崗山16年生杉木林148.303 t/hm2[33]。同時(shí)毛竹林生物量為64.479 t/hm2,卻與福建永春毛竹林64.749 t/hm2[34]近似,但低于四川長寧毛竹林87.38 t/hm2[35]。

上述表明,林齡、地域、氣候、立地條件及林分類型均是影響森林生物量的重要因素。

3.2林木的碳含量

林木的含碳率是估算森林碳儲量必須的基本參數(shù)。以往研究表明,估算森林碳儲量有的專家學(xué)者采用國際上常用的轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5 g C/g[20,22,36]。有的采用實(shí)測和分析林木的含碳率,本文則采用后者對長沙市4種森林類型的含碳率進(jìn)行了測定和分析,而與本研究相關(guān)的有：馬尾松含碳率為0.429—0.541[19]、0.446—0.516[27]、0.475—0.559 gC/g和0.510—0.526 g C/g[37],本文測得0.405—0.516 gC/g；杉木：0.499—0.617[27]、0.474—0.533[37]、0.449—0.532[38]、0.458—0.509 gC/g[39],本研究為0.458—0.509 gC/g；楊樹：0.428—0.441[23]、0.419—0.475[26]、0.505—0.568[27]、0.423—0.456 g C/g[37],本文測得0.454—0.551 gC/g；毛竹：0.462—0.481[35]、0.445—0.499[40]、0.451—0.531[41]、0.422—0.475[42]、0.468—0.521 g C/g[43],本研究為0.405—0.527 gC/g。雖然上述各研究結(jié)果接近,但還是存在差異,而且各個(gè)器官的含碳率大小順序也不盡相同。表明林木的含碳率隨種類和器官不同而不同,同一種類在不同區(qū)域其含碳率也不相同,且與常用轉(zhuǎn)換系數(shù)也存在差異。因此,為了科學(xué)準(zhǔn)確計(jì)算森林碳匯,有必要分區(qū)域分林種實(shí)測含碳率。

3.3森林的碳儲量及其分配格局

本研究的馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為208.671 t/hm2,低于方晰等的廣西武宣縣馬尾松林276.63 t/hm2[44],而巫濤等的長沙南區(qū)馬尾松林159.93 t/hm2[19]、陶玉華等的柳州市馬尾松林180.700 t/hm2[20]、寧曉波等的貴陽市馬尾松林165.37 t/hm2[27],均小于本研究；同時(shí)本研究的杉木林碳儲量為176.723 t/hm2,而陶玉華等的柳州市杉木林124.800 t/hm2[20]、林雯等的廣州市杉木林165.710 t/hm2[38]、肖復(fù)明等的會同縣杉木林150.190 t/hm2[40],均小于本研究。

本文的楊樹林碳儲量為164.735 t/hm2,低于貴陽市楊樹林188.490 t/hm2[27],而高于天津13年生和21年生楊樹林121.030 t/hm2和121.720 t/hm2[26]。

劉應(yīng)芳等的蜀南竹海毛竹林碳儲量為105.070 t/hm2[41],周國模等的浙江臨安毛竹林106.362 t/hm2[43],均低于本研究的毛竹林149.168 t/hm2,但張蕊等的四川長寧毛竹林156.570 t/hm2[35]、肖復(fù)明等的會同縣毛竹林166.340 t/hm2[40]、王兵等的大崗山毛竹林226.750 t/hm2[42]卻高于本研究。

上述表明,各地馬尾松、杉木、楊樹、毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量均存在差異,這可能與不同研究區(qū)的氣候條件、林分密度、立地條件及經(jīng)營方式有關(guān)。但各研究區(qū)不同森林類型的碳儲量分布格局是一致的,即：土壤層>植被層>枯落物層。

3.4森林的碳匯能力

由表11可以看出,本文馬尾松林固碳量高于長沙市南區(qū)馬尾松林的1.6倍,與廣西馬尾松林接近；杉木林固碳量高于廣州市杉木林1.5倍,與湖南會同杉木林一致；楊樹林固碳量高于天津楊樹林1.2倍和1.5倍；毛竹林固碳量高于浙江和江西1.2倍和1.4倍,但卻低于湖南會同毛竹林1.4倍。表明森林類型、生長區(qū)域以及經(jīng)營管理措施等對森林固碳量產(chǎn)生影響。

從表11還可以看出,各栽植區(qū)的4種人工林中,均以毛竹林的固碳能力最強(qiáng),其固碳能力為馬尾松林和杉木林的1—3倍,為楊樹林的3—5倍。因此,在城市中適度發(fā)展毛竹林,有利于保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境,并在應(yīng)對氣候變化中發(fā)揮更大的碳匯功能[35]。

表11　不同森林類型碳匯能力的比較

4結(jié)論

(2)林木各器官含碳量：馬尾松0.405—0.516 gC/g、杉木0.458—0.509 gC/g、楊樹0.454—0.551 gC/g、毛竹0.405—0.527 gC/g。

(3)4種森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量為：馬尾松林208.671 t/hm2、杉木林176.723 t/hm2、楊樹林164.735 t/hm2、毛竹林149.168 t/hm2。其中植被層分別為67.866、56.274、36.925、32.789 t/hm2；死地被物層為6.163、3.538、0.950、0.394 t/hm2；土壤層為134.642、116.911、126.860、115.985 t/hm2。碳儲量分布格局為土壤層>植被層>死地被物層。

(4)長沙市4種人工林的凈生產(chǎn)力為馬尾松林8.462 t hm-2a-1、杉木林7.184 t hm-2a-1、楊樹林3.490 t hm-2a-1、毛竹林12.461 t hm-2a-1；年固碳量和年固定的CO2量為馬尾松3.969 t hm-2a-1和14.550 t hm-2a-1、杉木林3.420 t hm-2a-1和12.538 t hm-2a-1、楊樹林1.759 t hm-2a-1和6.448 t hm-2a-1、毛竹林6.019 t hm-2a-1和22.066 t hm-2a-1。

(5)長沙市4種人工林面積為368195.50 hm2,總碳儲量為6868.35萬t,其中馬尾松林3346.07萬t、杉木林2701.20萬t、楊樹林8.09萬t、毛竹林812.99萬t。表明長沙市的4種人工林的碳吸存功能明顯,在維持和改善市區(qū)環(huán)境中發(fā)揮了較大的作用。因此減少人為活動對城市森林的干擾,增加城市造林面積,加強(qiáng)保護(hù)和經(jīng)營管理,提高城市森林的碳匯功能,對緩解城市熱島效應(yīng),減緩氣候變化負(fù)面影響等具有重要意義。

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基金項(xiàng)目:國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201104009); 湖南省高校創(chuàng)新平臺建設(shè)項(xiàng)目(湘財(cái)教字[2010]70號);長沙市科技局能源研發(fā)平臺建設(shè)項(xiàng)目(K1003009-61)

收稿日期:2015- 09- 22;

修訂日期:2016- 02- 29

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: csufttdl@126.com

DOI:10.5846/stxb201509221952

Carbon storage and sequestration in four urban forest ecosystems in Changsha, Hunan

YU Rong1,2, XIANG Wenhua1,2,3,*,NING Chen1,2, LUO Zhaohui1,2

1CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China2NationalEngineeringLaboraturyforAppliedTechnologyofForestry&EcologyinSouthChina,Changsha, 410004,China3NationalKeyStationforFieldScientificobservation&Experiment,Huitong418307,China

Abstract：Forests are important contributors to the global carbon (C) cycle because they store large quantities of C in the vegetation and soil, and exchange CO2actively with the atmosphere through photosynthesis and respiration. Urban forests are a critical part of green infrastructure that not only maintains the health and quality of life in the cities, but also provides many ecosystem services, such as C sequestration in urban areas. In the present study, the quantity and distribution of vegetation biomass, C content and C storage were investigated in four types of forests (Masson pine forests, Chinese fir forests, Bamboo forests, and Poplar forests) in Changsha City, Hunan Province. The C sequestration capacity was also estimated for the four forest ecosystems. The results showed that the biomass of overstory vegetation was 135.390, 100.578, 64.497, and 63.381 t/hm2 in masson pine, Chinese fir, bamboo and poplar forests, respectively. Stem had the highest, whereas fine root had the lowest proportion of overstory biomass among the different organs for all examined forests. The biomass was 18.374, 22.321, 1.847, and 2.602 t/hm2 in understory vegetation and litter layers in masson pine, Chinese fir, bamboo, and poplar forests, respectively. On average, C content was found in the range of 0.405—0.551 gC/g in overstory vegetation with specifically ranging of 0.405—0.516, 0.458—0.509, 0.405—0.527, and 0.454—0.551gC/g in masson pine, Chinese fir, bamboo, and poplar forests, respectively. Average C content ranged between 0.421—0.518 gC/g in understory vegetation, 0.230—0.545 gC/g in litter layer, and 15.669—19.163 gC/g in the soil. The C content of soils under the four forest types decreased with increasing soil depth. The total C storage was 208.67, 176.723, 149.17 and 164.74 t/hm2 in masson pine, Chinese fir, bamboo, and poplar forest ecosystems, respectively. Of which, the largest proportion of the total C storage was found in the soils that contained 134.64, 116.91, 115.99, and 126.86 t/hm2 in the corresponding four forest types, respectively. The next was vegetation component that contained 33.976, 47.871, 32.632, and 66.346 t/hm2 in the four studied forests. The litter layer accounted for the least percentage of the total C storage for the four examined forest types with a range of 0.39—6.16 t/hm2. On average, the annual C sequestration in the four forest ecosystems was 3.969, 3.420, 6.019, and 1.759 t hm-2a-1was in masson pine, Chinese fir, bamboo, and poplar forests, respectively. The total C sequestration capacity in the four forest ecosystems (15.167 t hm-2a-1) was roughly equal to 55.602 t hm-2a-1of CO2 fixation in the study site. Our results demonstrate the significance of urban forest ecosystems in carbon sequestration to mitigate climate change. The results provide a scientific basis and reference for urban forest planning and management and an accurate estimation of C balances in urban forest ecosystems.

Key Words:biomass; carbon content; carbon storage; urban forest; Changsha City

余蓉, 項(xiàng)文化,寧晨, 羅趙慧.長沙市4種人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量與分布特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(12):3499- 3509.

Yu R, Xiang W H, Ning C, Luo Z H.Carbon storage and sequestration in four urban forest ecosystems in Changsha, Hunan.Acta Ecologica Sinica,2016,36(12):3499- 3509.