張秋根 王蘇琴 丁園 任超 馮天朕

（南昌航空大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 江西南昌 330063）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)排放過(guò)多的CO2等溫室氣體造成的“溫室效應(yīng)”，威脅著人類社會(huì)的生存與發(fā)展，因此，需控制溫室氣體的排放以減緩“溫室效應(yīng)”。CO2等溫室氣體的根源在于碳循環(huán)，CO2等溫室氣體的“源匯”問(wèn)題已成為碳儲(chǔ)量研究的重點(diǎn)。

森林生態(tài)系統(tǒng)是全球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在全球范圍內(nèi)對(duì)碳循環(huán)起著重要調(diào)節(jié)作用，而森林植物通過(guò)光合作用與呼吸作用給地球最大的森林碳庫(kù)碳循環(huán)創(chuàng)造了有利的條件。江西省地處亞熱帶地區(qū)且森林覆蓋率列居全國(guó)第二，亞熱帶常綠闊葉林是江西省九連山自然保護(hù)區(qū)的地帶性植被，而關(guān)于九連山自然保護(hù)區(qū)植被與土壤碳儲(chǔ)量的研究非常鮮見(jiàn)。因此，以江西省九連山自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域，開(kāi)展典型亞熱帶常綠闊葉林植被與土壤碳儲(chǔ)量和碳密度的研究，對(duì)評(píng)估江西省碳儲(chǔ)量具有一定的參考價(jià)值，對(duì)維護(hù)江西生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡和遏制區(qū)域“溫室效應(yīng)”有著重要的意義。

1 研究區(qū)域概況

九連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處江西省贛州市，位于北緯24°29′18″～24°38′55″、東經(jīng) 114°22′50″ ～114°31′32″，南北長(zhǎng)約 17.5km、東西寬約 15km。保護(hù)區(qū)總面積為13411.6hm2，其中核心區(qū)域面積4283.5hm2，緩沖區(qū)域面積 1445.2hm2，實(shí)驗(yàn)區(qū)域面積7786.9hm2。保護(hù)區(qū)是千煙洲森林生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)站的觀測(cè)點(diǎn)之一。

保護(hù)區(qū)森林覆蓋率94.7%，核心區(qū)覆蓋率為98.2%。保護(hù)區(qū)內(nèi)水資源豐富，流域面積大于10km2的河流有八條，水系發(fā)達(dá)。

保護(hù)區(qū)干、濕兩季較明顯，春夏兩季為雨季，秋冬兩季為旱季。年均氣溫約16.4℃，1月平均氣溫6.8℃，7月平均氣溫24.4℃；年均降水量為2155.6mm，年均蒸發(fā)量790.2mm；保護(hù)區(qū)小氣候明顯，具有冬暖夏涼、秋高氣爽、春夏季節(jié)雨水多溫差大的氣候特點(diǎn)。

保護(hù)區(qū)的植被類型主要由亞熱帶常綠闊葉林、常綠闊葉與落葉混交林、山頂矮林等組成。亞熱帶常綠闊葉林是保護(hù)區(qū)最主要的植被類型，從海拔280m的山谷溝到海拔1000m的山體中上部均有大量分布[1-2]。

保護(hù)區(qū)的土壤垂直方向上分布規(guī)律性明顯，從山腳到山頂土壤類型分布依次為山地紅壤、山地黃紅壤、山地黃壤、山地草甸土。

2 研究方法

2.1 樣地的設(shè)置與調(diào)查

在九連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，選取木荷、青岡櫟、苦櫧栲三種代表型亞熱帶常綠闊葉林分布區(qū)域，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，每種類型設(shè)置3塊，共9塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，標(biāo)準(zhǔn)樣地大小為30m×30m。在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按對(duì)角法設(shè)置3個(gè)2m×2m的灌木樣方，在灌木樣方中隨機(jī)設(shè)置1個(gè)1m×1m的草本小樣方，同時(shí)隨機(jī)設(shè)置1個(gè)1m×1m的凋落物小樣方。然后，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)與植被和土壤碳儲(chǔ)量、碳密度密切相關(guān)的植被生物量和土壤因子進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)。

在所選擇的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇1個(gè)沒(méi)有人為干擾且植被結(jié)構(gòu)與土壤都具代表性的地段，挖出1個(gè)100cm的土壤剖面，再沿剖面按0-10cm、＞10-20cm、＞20-30cm、＞30-50cm、＞50-100cm分層，用環(huán)刀采集各層土壤。同時(shí)采用內(nèi)徑為9cm的土鉆在標(biāo)準(zhǔn)樣地的每個(gè)灌木樣方的中心位置按0-10cm、＞10-20cm、＞20-30cm、＞30-50cm、＞50-100cm分層鉆取3鉆土作為混合樣本，并將同一標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)3個(gè)灌木樣方同層次土壤分別混合成各樣地的各層土壤樣品。

2.2 樣品的實(shí)驗(yàn)室處理

把樣地調(diào)查時(shí)采集的植被組織樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在85oC下烘干24小時(shí)至恒重，測(cè)定樣品的干重、含水率和生物量，然后剪碎放入粉碎機(jī)中粉碎，過(guò)篩（100目，0.154mm），裝入封口袋中密封，放在干燥器中保存以待測(cè)試使用。植物組織有機(jī)碳含量采用干燒法測(cè)定，并通過(guò)元素分析儀進(jìn)行測(cè)定。

用環(huán)刀取的土壤樣品在105oC下烘干24小時(shí)至恒重，測(cè)定其含水率和干重，計(jì)算出各個(gè)土壤層深度的土壤容重。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地3個(gè)灌木樣方內(nèi)取得的土壤樣品，展開(kāi)放在通風(fēng)的室內(nèi)15天左右自然干燥，在干燥過(guò)程中挑出細(xì)根，并輕輕碾碎，過(guò)篩（100目、0.154mm），裝入封口袋密封，放在干燥器中保存以待測(cè)試使用。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法測(cè)定。

2.3 植被生物量

2.3.1 喬木層生物量

喬木層生物量采用生物量模型進(jìn)行估算，該研究選取胸徑、樹(shù)高和D2H三個(gè)易于測(cè)量而且準(zhǔn)確率高的因子，通過(guò)回歸分析建立九連山自然保護(hù)區(qū)典型亞熱帶常綠闊葉林的單木生物量回歸方程Ln（B）=0.8686Ln（D2H）-2.4309，并估算整個(gè)調(diào)查樣地內(nèi)的喬木層生物量。

2.3.2 灌木層生物量

標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)灌木層的3個(gè)樣方單位面積生物量的平均值為標(biāo)準(zhǔn)樣地單位面積的灌木層生物量，再乘以樣地面積得到標(biāo)準(zhǔn)樣地的灌木層生物量。

2.3.3 草木層生物量

標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)草本層的小樣方單位面積生物量為標(biāo)準(zhǔn)樣地單位面積的草本層生物量，再乘以樣地面積得到標(biāo)準(zhǔn)樣地的草本層生物量。

2.3.4 凋落層生物量

標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)凋落層的小樣方單位面積生物量為標(biāo)準(zhǔn)樣地單位面積的凋落層生物量，再乘以樣地面積得到標(biāo)準(zhǔn)樣地的凋落層生物量。

2.4 土壤容重

土壤容重由公式（1）計(jì)算。

式中：P為土壤容重，M為土樣干燥恒重后質(zhì)量，V為土壤體積，m為粗質(zhì)碎片質(zhì)量，ρ為粗質(zhì)碎片密度。

2.5 植被與土壤碳儲(chǔ)量和碳密度計(jì)算

2.5.1 植被碳儲(chǔ)量和碳密度計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)各植被層的碳儲(chǔ)量由各植被層的生物量乘以其對(duì)應(yīng)的有機(jī)碳含量計(jì)算得到，各植被層的碳儲(chǔ)量之和為標(biāo)準(zhǔn)樣地的植被碳儲(chǔ)量。各植被碳密度由各植被層碳儲(chǔ)量除以樣地面積得到；所有樣地植被碳儲(chǔ)量和碳密度的均值作為標(biāo)準(zhǔn)樣地的碳儲(chǔ)量和碳密度。

2.5.2 土壤碳儲(chǔ)量和碳密度

標(biāo)準(zhǔn)樣地土壤碳密度通過(guò)土壤容重、有機(jī)碳含量和各土壤層厚度計(jì)算獲得，見(jiàn)公式（2）。式中：ρc為土壤碳密度（t·hm-2） ，P為土壤容重（g·cm-3） ，H為土層厚度（cm），C為有機(jī)碳含量（%）。

每個(gè)土壤層的碳密度之和，即為該林地土壤的總碳密度；土壤碳密度乘以樣地面積得土壤碳儲(chǔ)量[3-5]。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被碳儲(chǔ)量與碳密度

3.1.1 主要器官有機(jī)碳含量

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣地采集樣品的實(shí)驗(yàn)分析獲得九連山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)木荷、青岡、苦櫧栲三種標(biāo)準(zhǔn)樣地中不同的植被各分層各樹(shù)種各器官的有機(jī)碳含量，見(jiàn)表1-表3。

表1 九連山亞熱帶常綠闊葉林喬木層主要器官有機(jī)碳含量單位：%

由表1可知，在喬木層，葉的有機(jī)碳含量大小依次為木荷＞青岡櫟＞苦櫧栲；枝的有機(jī)碳含量依次為木荷＞青岡櫟＞苦櫧栲；干的有機(jī)碳含量依次為苦櫧栲＞木荷＞青岡櫟；根的有機(jī)碳含量依次為木荷＞青岡櫟＞苦櫧栲；算術(shù)平均和加權(quán)平均的有機(jī)碳含量大小依次為木荷＞苦櫧栲＞青岡櫟。

表2 九連山亞熱帶常綠闊葉林灌木層主要器官有機(jī)碳含量單位：%

從表2可知，在灌木層，葉的有機(jī)碳含量大小依次為木荷＞青岡＞苦櫧栲；枝的有機(jī)碳含量依次為苦櫧栲＞木荷＞青岡櫟；根的有機(jī)碳含量依次為木荷＞青岡櫟＞苦櫧栲；算術(shù)平均和加權(quán)平均的有機(jī)碳含量大小依次為木荷＞苦櫧栲＞青岡櫟。

表3 九連山亞熱帶常綠闊葉林草本層主要器官有機(jī)碳含量單位：%

從表3可知，在草本層，葉的有機(jī)碳含量大小依次為木荷＞青岡＞苦櫧栲；根的有機(jī)碳含量依次為青岡櫟＞木荷＞苦櫧栲；算術(shù)平均和加權(quán)平均的有機(jī)碳含量大小依次為青岡櫟＞木荷＞苦櫧栲。

3.1.2 植被碳密度

九連山自然保護(hù)區(qū)青岡櫟、木荷、苦櫧栲三種典型亞熱帶常綠闊葉林不同植被層的碳密度見(jiàn)表4和圖1。

表4 九連山亞熱帶常綠闊葉林不同植被層碳密度單位：kg/m2

從表4和圖1可知，木荷林、青岡櫟林、苦櫧栲林樣地內(nèi)不同植被層碳密度的大小均依次為喬木層＞灌木層＞凋落層＞草木層。九連山自然保護(hù)區(qū)青岡櫟、木荷、苦櫧栲三種典型亞熱帶常綠闊葉林的平均碳密度為6.88kg/m2，平均碳密度從高到低依次為木荷林（7.91kg/m2）＞青岡櫟林（7.3kg/m2）＞苦櫧栲林（5.41kg/m2）；其中喬木層的碳密度在植被層中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，不同植被層的碳密度從高到低依次為喬木層（6.41 kg/m2） ＞灌木層（0.23kg/m2） ＞凋落物層（0.16kg/m2） ＞草本層（0.06 kg/m2）。

圖1 九連山亞熱帶常綠闊葉林不同植被層碳密度分布圖

3.1.3 植被碳儲(chǔ)量

九連山自然保護(hù)區(qū)青岡櫟、木荷、苦櫧栲三種典型亞熱帶常綠闊葉林植被碳儲(chǔ)量見(jiàn)表5。

表5 九連山亞熱帶常綠闊葉林植被層碳儲(chǔ)量單位：kg

根據(jù)表 5可知，保護(hù)區(qū)內(nèi)植被碳儲(chǔ)量大部分都集中在喬木層。喬木層、灌木層和凋落物層各亞熱帶常綠闊葉林碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)槟竞桑厩鄬鶛担究鄼借?；草本層各亞熱帶常綠闊葉林碳儲(chǔ)量大小順序?yàn)榭鄼借啵灸竞桑厩鄬鶛怠?/p>

調(diào)查樣地內(nèi)三種亞熱帶常綠闊葉林碳儲(chǔ)量從高到低依次為木荷林（7.119t）＞苦櫧栲林（6.57t）＞青岡櫟林（4.869t），可見(jiàn)木荷林對(duì)于九連山森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡有著重要的作用。

3.2 土壤碳儲(chǔ)量與碳密度

3.2.1 土壤容重

九連山自然保護(hù)區(qū)青岡櫟、木荷、苦櫧栲三種典型亞熱帶常綠闊葉林的土壤容重見(jiàn)表6。

表6 九連山亞熱帶常綠闊葉林土壤容重單位：cm、g/cm3

由表6可知，0-100cm范圍內(nèi)各層平均土壤容重在1.3377-1.5986 g/cm3之間，其平均土壤容重最大的是＞30-50cm的土壤層。

3.2.1 土壤有機(jī)碳含量

九連山自然保護(hù)區(qū)青岡櫟、木荷、苦櫧栲三種典型亞熱帶常綠闊葉林的土壤有機(jī)碳含量見(jiàn)表7和圖2。

表7 九連山亞熱帶常綠闊葉林土壤有機(jī)碳含量單位：cm、%

圖2 九連山亞熱帶常綠闊葉林土壤有機(jī)碳含量

由表7和圖2可知，土壤有機(jī)碳含量的差異隨著森林植被類型和土層深度的變化而改變。保護(hù)區(qū)亞熱帶常綠闊葉林總體上土壤有機(jī)碳含量從高到低依次為青岡櫟林＞苦櫧栲林＞木荷林。不同土壤層的土壤有機(jī)碳含量隨著土壤層深度的增加而減少。

3.2.3 土壤碳密度

九連山自然保護(hù)區(qū)青岡櫟、木荷、苦櫧栲三種典型亞熱帶常綠闊葉林土壤碳密度見(jiàn)表8。

表8 九連山亞熱帶常綠闊葉林土壤碳密度單位：cm、t/hm2

由表8可知，不同深度土層的土壤碳密度會(huì)隨著土層深度的增加而減少，與土壤有機(jī)碳含量變化基本一致。九連山自然保護(hù)區(qū)亞熱帶常綠闊葉林土壤碳密度平均為117.02t/hm2，各林種從高到低依次為青岡櫟林121.86 t/hm2、苦櫧栲林99.81t/hm2、木荷林86.51t/hm2，說(shuō)明保護(hù)區(qū)不同常綠闊葉林中青岡櫟林土壤儲(chǔ)存有機(jī)碳能力最大，且都低于全國(guó)森林土壤平均碳密度193.55t/hm2[6]。

3.2.4 土壤碳儲(chǔ)量

九連山自然保護(hù)區(qū)青岡櫟、木荷、苦櫧栲三種典型亞熱帶常綠闊葉林土壤碳儲(chǔ)量見(jiàn)表9。由表 9可知，保護(hù)區(qū)亞熱帶常綠闊葉林土壤碳儲(chǔ)量從高到低依次為青岡櫟林10.9674t、苦櫧栲林 8.9829t、木荷林 7.7859t，與土壤碳密度的大小順序一致。

表9 九連山亞熱帶常綠闊葉林土壤碳儲(chǔ)量單位：cm、kg

4 結(jié)論

將九連山自然保護(hù)區(qū)亞熱帶常綠闊葉林的植被碳儲(chǔ)量和土壤碳儲(chǔ)量相加得相應(yīng)樣地常綠闊葉林的碳儲(chǔ)量，見(jiàn)表10。

表10 九連山亞熱帶常綠闊葉林總碳儲(chǔ)量單位：kg

保護(hù)區(qū)內(nèi)亞熱帶常綠闊葉林碳儲(chǔ)量大小依次為青岡櫟林（17.5374t）＞木荷林（14.9049t）＞苦櫧栲林（13.8519t）。

保護(hù)區(qū)樣地內(nèi)亞熱帶常綠闊葉林樹(shù)種的喬木層有機(jī)碳含量非常接近，其含量在0.477～0.491之間。森林植被層平均碳密度為6.88kg/m2，各林層碳密度從高到低依次為喬木層＞灌木層＞凋落物層＞草本層；各林種碳密度從高到低依次為木荷林（7.91kg/m2）＞青岡櫟林（7.3kg/m2） ＞苦櫧栲林（5.41kg/m2）。保護(hù)區(qū)樣地內(nèi)亞熱帶常綠闊葉林土壤有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而減少，森林土壤碳密度平均為11.702 kg/m2，各林種土壤碳密度從高到低依次為青岡櫟林121.86 t/hm2＞苦櫧栲林99.81t/hm2＞木荷林86.51t/hm2。

保護(hù)區(qū)調(diào)查樣地內(nèi)森林植被總碳儲(chǔ)量為18.558噸，森林土壤總碳儲(chǔ)量27.7362噸，森林土壤的碳儲(chǔ)量約為森林植被碳儲(chǔ)量的 1.5倍，與森林土壤的平均碳密度約為森林植被平均碳密度的1.7倍基本一致?？傮w來(lái)講，森林植被碳密度與碳儲(chǔ)量比森林土壤的要低，主要原因是植被層參與森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程較短，而植被中的碳從枯枝落葉進(jìn)入地上層凋落物，并在土壤微生物的作用下進(jìn)入土壤層；而土壤層參與生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)，通常需要經(jīng)過(guò)特定化學(xué)條件下才能轉(zhuǎn)換為大氣中的碳。

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