王事成，羅于洋，王樹森，張宏武，溫蘇雅勒?qǐng)D，劉靜，張俊

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院/荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.巴彥淖爾市林業(yè)和草原資源保護(hù)中心，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000；3.烏拉特后旗林業(yè)和草原局，內(nèi)蒙古 烏拉特后旗 015000)

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，“千分之四倡議”提出在30~40 cm深的土壤中，碳儲(chǔ)量的年增長(zhǎng)率為0.4%，這將大大降低與人類活動(dòng)有關(guān)的大氣CO2濃度，并指出種植固碳植物是提高土壤碳儲(chǔ)量的有效方法之一[1]。我國(guó)后續(xù)提出了“碳中和”“碳達(dá)峰”等國(guó)家應(yīng)對(duì)全球氣候變化的戰(zhàn)略目標(biāo)，以保證我國(guó)林業(yè)碳匯在“碳中和”中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[2，3]。增加人工植被種植來有效降低大氣CO2濃度并促進(jìn)全球碳循環(huán)具有重要意義[4]。

植物的光合作用會(huì)將大氣CO2吸收并固定[5]。同時(shí)隨著植被生物量的增加，土壤的碳截存能力也會(huì)隨之提高[6]，如1970—2000年間我國(guó)大規(guī)模人工造林使得植被生物量顯著增加，森林碳儲(chǔ)量整體提高了40%[7]。我國(guó)西北干旱荒漠地區(qū)，為防風(fēng)固沙、保持水土施行灌木植被大范圍的人工種植，這一舉措對(duì)原區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，對(duì)此眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。但對(duì)本試驗(yàn)所用的4種人工灌叢是如何影響該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究尚顯缺乏，為此對(duì)這4種人工灌木群落植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行定量研究，分析該地區(qū)植被碳儲(chǔ)量的垂直分配格局，核算荒漠類型人工灌木群落碳固定能力，以期為該區(qū)域篩選優(yōu)良固碳材料提供參考，為科學(xué)評(píng)價(jià)干旱區(qū)荒漠灌叢碳匯作用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

狼山屬于陰山山脈西段，橫貫烏拉特后旗南部100多km。研究區(qū)位于烏拉特后旗南部，地處東經(jīng)107°12′8.58″~109°36′53.3″、北緯41°06′50.39″~41°49′32.39″，地形地貌復(fù)雜，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。降水稀少，降水量一般為100~180 mm；氣候干燥，全旗年均氣溫3.9℃。主要有棕鈣土、淡棕漠土、石膏灰棕漠土等4種土壤類型。植物資源豐富，境內(nèi)共有野生植物63科289屬430種。

樣地基本情況見表1。蒙古扁桃(Amygdalus mongolica)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、酸棗(Ziziphus jujuba)系人工栽植，群落主要以造林樹種為優(yōu)勢(shì)種，林下還有其他天然更小灌木組成，主要有紫菀木(Asterothamnus alyssoides)、牛枝子(Lespedeza bi-color)等。草本層主要以三芒草(Aristida adscensionis)、豬毛蒿(Artemisia scoparia)、細(xì)軟黃芪(Scutellaria baicalensis)、砂藍(lán)刺頭(Echinops gmelinii)等組成。

表1 人工灌木群落樣地基本情況

1.2 樣地設(shè)置及調(diào)查

2020年7月對(duì)狼山南麓4種人工灌木群落進(jìn)行調(diào)查，每種群落選取3處面積為20 m×20 m的典型地段設(shè)置樣地。每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)5 m×5 m的灌木樣方、5個(gè)1 m×1 m的草本樣方，對(duì)樣方內(nèi)每株灌木均進(jìn)行調(diào)查(包括測(cè)量樹高、基徑、冠幅等)，詳細(xì)記錄樣地基本信息，包括經(jīng)緯度、海拔、造林面積等因子。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生物量 采用刈割、烘干法測(cè)定。在每個(gè)樣方內(nèi)根據(jù)灌木平均冠幅選取3株標(biāo)準(zhǔn)株刈割、草本植物地上部分全部刈割，枝葉分離稱鮮重(草本僅有地上部分)，帶回實(shí)驗(yàn)室后置于烘箱80℃恒溫烘干至恒重，分別計(jì)算枝、葉及地上部生物量。根系生物量通過查詢文獻(xiàn)資料獲取蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗、荒漠地區(qū)灌木和草本根冠比(表2)來計(jì)算。

1.3.2 碳儲(chǔ)量 通過碳儲(chǔ)量與生物量的關(guān)系(生物量乘以含碳率)對(duì)人工灌木群落植被碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算，本研究采用國(guó)際上通用的植物碳轉(zhuǎn)換率:灌木0.50、草本0.45，將生物量統(tǒng)一以碳(C，kg?hm－2)的形式表示[13－16]。

1.4 固碳釋氧及價(jià)值估算[17]

依據(jù)最新標(biāo)準(zhǔn)?森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范?[17](GB/T 38582—2020)中公布的市場(chǎng)價(jià)值法、替代工程法、費(fèi)用代替法等[18－20]，計(jì)算狼山南麓人工灌木群落生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧服務(wù)功能的價(jià)值。其中，固碳價(jià)格以瑞典稅率150美元?t－1、美元對(duì)人民幣比價(jià)按6.5元計(jì)算，折合人民幣975元?t－1。釋氧價(jià)格使用中國(guó)衛(wèi)生部網(wǎng)站上2007年春季的氧氣平均價(jià)格1 000元?t－1[21]。

1.4.1 固碳釋氧功能計(jì)算 采用下列公式進(jìn)行計(jì)算:

式中，G植被固碳為評(píng)估林分年固碳量(t?a－1)；1.63為計(jì)算系數(shù)；R碳為CO2中的碳含量，為27.27%；A為林分面積，單位為hm2；B年為實(shí)測(cè)林分凈生產(chǎn)力，單位為t?hm－2?a－1。

式中，G氧為評(píng)估林分年釋氧量，單位為t?a－1；1.19為計(jì)算系數(shù)；A為林分面積，單位為hm2；B年為實(shí)測(cè)林分凈生產(chǎn)力，單位為t?hm－2?a－1。

1.4.2 固碳釋氧價(jià)值的計(jì)算 采用下列公式計(jì)算:

式中，U碳為評(píng)估林分年固碳價(jià)值，單位為元?a－1；G碳為評(píng)估林分生態(tài)系統(tǒng)潛在年固碳量，單位為t?a－1；C碳為固碳價(jià)格，單位為元?a－1。

式中，U氧為評(píng)估林分年釋放氧氣價(jià)值，單位為元?a－1；G氧為評(píng)估林分年釋氧量，單位為t?a－1；C氧為氧氣價(jià)格，單位為元?a－1。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同人工灌木群落生物量分配格局

從表3可以看出，蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗4種人工灌木群落的生物量總量分別為1 320.17、1 060.31、880.06、3 007.81 kg?hm－2。其中4種造林樹種生物量分別占其群落的86.62%、82.80%、95.43%、94.34%，表明造林樹種是4種人工灌木群生物量的主體。

表3 不同人工灌木群落生物量 (kg?hm－2)

2.2 不同人工灌木群落碳儲(chǔ)量

2.2.1 不同人工灌木群落碳儲(chǔ)量分配格局 從表4可以看出，蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗人工灌木群落植被碳儲(chǔ)量總量分別為659.42、529.63、439.25、1 502.00 kg?hm－2。4種人工灌木群落造林樹種碳儲(chǔ)量占比沙冬青最高，為95.60%，霸王最低，為82.88%。不同人工灌木群落碳儲(chǔ)量比例均表現(xiàn)為造林樹種層>林下灌木層>草本層。

表4 不同人工灌木群落碳儲(chǔ)量 (kg?hm－2)

蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗4種人工灌木群落碳儲(chǔ)量分別占人工灌木群落總碳儲(chǔ)量的21.07%、16.92%、14.03%、47.98%，造林樹種占比分別為20.07%、15.41%、14.74%、49.79%。

2.2.2 不同人工灌木群落造林樹種各器官碳儲(chǔ)量 由表5可知，不同人工灌木群落各器官碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)為根>枝>葉。其中酸棗根碳儲(chǔ)量最高，達(dá)574.27 kg?hm－2，沙冬青根碳儲(chǔ)量最低，為198.92 kg?hm－2，且蒙古扁桃、霸王、沙冬青根碳儲(chǔ)量與酸棗根碳儲(chǔ)量差異顯著。枝的碳儲(chǔ)量同根的碳儲(chǔ)量表現(xiàn)一致，酸棗最高，為522.17 kg?hm－2，沙冬青最低，為129.02 kg?hm－2，且蒙古扁桃、霸王、沙冬青枝碳儲(chǔ)量與酸棗枝碳儲(chǔ)量差異顯著。葉的碳儲(chǔ)量酸棗最高，為322.34 kg?hm－2，霸王最低，為45.22 kg?hm－2，且蒙古扁桃、沙冬青葉碳儲(chǔ)量之間差異不顯著，與霸王、酸棗差異顯著。

表5 不同人工灌木群落造林樹種各器官碳儲(chǔ)量 (kg?hm－2)

酸棗人工灌木群落造林樹種各器官碳儲(chǔ)量均值最高，為472.93 kg?hm－2，變異系數(shù)為28%，沙冬青人工灌木群落造林樹種各器官碳儲(chǔ)量均值最低，為139.98 kg?hm－2，變異系數(shù)為39%。不同人工灌木群落造林樹種各器官之間的變異系數(shù)變化較大，其中葉的變異系數(shù)最大，為89%，根的變異系數(shù)最小，為54%。

蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸棗枝碳儲(chǔ)量分別占人工灌木群落造林樹種枝總碳儲(chǔ)量的18.19%、17.18%、12.80%、51.82%，葉、根碳儲(chǔ)量分別占其相應(yīng)總碳儲(chǔ)量的17.62%、8.11%、16.49%、57.78%和22.60%、17.18%、15.49%、44.73%。

2.2.3 不同人工灌木群落林下灌木不同器官碳儲(chǔ)量 由表6可以看出，不同人工灌木群落林下灌木不同器官碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)出根>枝>葉。其中霸王群落林下灌木根碳儲(chǔ)量最高，為37.11 kg?hm－2，沙冬青最低，為5.27 kg?hm－2；枝的碳儲(chǔ)量與根的表現(xiàn)一致，霸王群落林下灌木最高，為34.22 kg?hm－2，沙冬青最低，為4.01 kg?hm－2。酸棗與沙冬青、蒙古扁桃和霸王群落林下灌木根、枝碳儲(chǔ)量之間均差異不顯著；而葉的碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為蒙古扁桃最高，為17.72 kg?hm－2，沙冬青最低，為2.92 kg?hm－2，二者差異達(dá)顯著水平；其他群落林下灌木葉碳儲(chǔ)量之間差異不顯著。

表6 不同人工灌木群落林下灌木層各器官碳儲(chǔ)量 (kg?hm－2)

霸王人工灌木群落林下灌木各器官碳儲(chǔ)量均值最高，為28.64 kg?hm－2，變異系數(shù)為43%；沙冬青的均值最低，為4.07 kg?hm－2，變異系數(shù)為29%。不同群落林下灌木各器官之間的變異程度差異不大。

4種人工灌木群落林下灌木枝碳儲(chǔ)量分別占人工灌木群落造林樹種枝總碳儲(chǔ)量的30.93%、36.88%、4.32%、27.86%；葉、根碳儲(chǔ)量分別占其相應(yīng)總碳儲(chǔ)量的37.76%、31.12%、6.22%、24.90%和33.23%、34.95%、4.96%、26.87%。

2.2.4 不同人工灌木群落林下草本碳儲(chǔ)量 由表7看出，人工灌木群落草本碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)為根遠(yuǎn)高于地上部，地上碳儲(chǔ)量較低。其中酸棗群落林下草本根碳儲(chǔ)量最高，為16.11 kg?hm－2，霸王最低，為4.45 kg?hm－2。蒙古扁桃、霸王、沙冬青與酸棗群落草本根碳儲(chǔ)量差異顯著。草本地上碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為酸棗群落最高，為1.05 kg?hm－2，霸王最低，為0.29 kg?hm－2，蒙古扁桃、霸王、沙冬青與酸棗地上碳儲(chǔ)量差異顯著。

表7 不同人工灌木群落林下草本碳儲(chǔ)量 (kg?hm－2)

酸棗人工灌木群落林下草本碳儲(chǔ)量均值最高，為8.58 kg?hm－2，霸王最低，為2.37 kg?hm－2。不同群落草本各器官間變異系數(shù)表現(xiàn)相同，不同群落草本相同器官亦相同，原因是草本根碳儲(chǔ)量是根據(jù)王玉婕等[12]平均換算系數(shù)計(jì)算而來，從而使得草本變異系數(shù)表現(xiàn)一致。

4種人工灌木群落林下草本地上碳儲(chǔ)量分別占群落草本地上總碳儲(chǔ)量的16.82%、13.55%、20.56%、49.07%；根碳儲(chǔ)量分別占群落草本根總碳儲(chǔ)量的17.13%、13.54%、20.32%、49.01%。

2.3 不同人工灌木群落固碳釋氧量

由表8可以得出，4種人工灌木群落固定大氣中CO2的量和釋放出O2的量均表現(xiàn)為酸棗>蒙古扁桃>沙冬青>霸王。使用碳稅法和人工制氧法算出其固碳和釋氧價(jià)值分別是34 765.65元?hm－2和95 459.67元?hm－2，15 259.05元?hm－2和41 898.36元?hm－2，10 172.09元?hm－2和27 930.57元?hm－2，3 065.03元?hm－2和8 415.96元?hm－2，其中酸棗群落各指標(biāo)值最大。4種人工灌木群落總固碳釋氧量為238.59 t?hm－2，總固碳釋氧價(jià)值236 966.37元?hm－2。

表8 不同人工灌木群落固碳釋氧量分配

2.4 不同人工灌木群落凈固碳釋氧量

由表9可以得出，4種人工灌木群落凈固定CO2量、凈釋放O2量和凈固碳釋氧價(jià)值量均為酸棗>蒙古扁桃>沙冬青>霸王。群落凈固碳釋氧量總量為47.72 t?hm－2，總價(jià)值為47 393.27元?hm－2?a－1。

表9 人工灌木群落凈固碳釋氧量

3 討論

3.1 人工灌木群落碳儲(chǔ)量估算的不確定性

本研究在計(jì)算4種人工灌木群落植被碳儲(chǔ)量時(shí)，通過碳儲(chǔ)量與生物量的關(guān)系(生物量乘以含碳率)對(duì)人工灌木群落植被碳儲(chǔ)量估算，但在不同區(qū)域、不同樹種、不同群落內(nèi)植物不同器官的含碳率存在差異[22－24]，因此研究結(jié)果會(huì)存在一定的偏差。

3.2 人工灌木群落碳儲(chǔ)量分配格局

從4種人工灌木群落垂直結(jié)構(gòu)來看，碳儲(chǔ)量分配均表現(xiàn)為造林樹種>林下灌木>草本。其中造林樹種占比為82.88%~95.60%，且霸王群落造林樹種占比最低，沙冬青占比最高；林下灌木碳儲(chǔ)量占比在2.78%~16.22%，相差較大；草本碳儲(chǔ)量占比0.89%~1.62%，最低為霸王群落，最高為沙冬青群落，符合灌木層>草本層的空間分配規(guī)律[25]。不同群落造林樹種、林下灌木層各器官碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)出根>枝>葉，這與張凌愷[26]、徐期瑚[27]等的研究結(jié)果相似。

3.3 4種人工灌木群落各器官碳儲(chǔ)量變異幅度較

不同人工灌木群落造林樹種碳儲(chǔ)量變異系數(shù)在28%~62%之間，其中霸王變幅最大，酸棗最小。究其原因可能是酸棗不同器官的碳儲(chǔ)量分配較均勻，枝、根的碳儲(chǔ)量相當(dāng)，且略高于葉；而霸王碳儲(chǔ)量分配則根高于枝且遠(yuǎn)高于葉。相同器官之間的碳儲(chǔ)量變異系數(shù)變幅較大，在54%~72%之間，其中葉的變幅最大，根最小，這可能與4種人工灌木根系扎入土壤的深度有關(guān)。因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬希翆釉缴钣袡C(jī)質(zhì)含量越低，間接地限制了植被在土壤中吸收有機(jī)碳，從而對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生一定限制，而葉則與植物本身生長(zhǎng)特性息息相關(guān)。

4 結(jié)論

4.1 4 種人工灌木群落植被碳儲(chǔ)量分別為酸棗(1 502.00 kg?hm－2)>蒙古扁桃(659.42 kg?hm－2)>霸王(529.63 kg?hm－2)>沙 冬 青(439.25 kg?hm－2)。

4.2 4 種人工灌木群落生物量、碳儲(chǔ)量垂直分配表現(xiàn)為造林樹種>林下灌木>草本。不同人工灌木群落造林樹種、林下灌木各器官碳儲(chǔ)量均表現(xiàn)出根>枝>葉。不同人工灌木群落造林樹種碳儲(chǔ)量各器官分配酸棗最均勻，變異系數(shù)為28%。

4.3 4 種人工灌木群落固定CO2量、釋放出O2量、群落固碳釋氧量、群落固碳釋氧價(jià)值、凈固定CO2量、凈釋放出O2量、群落凈固碳釋氧量、群落凈固碳釋氧價(jià)值均為酸棗人工灌木群落最高。

綜上，與蒙古扁桃、霸王、沙冬青相比，酸棗人工灌木群落植被碳儲(chǔ)量最高，各器官碳儲(chǔ)量分配最均勻，固碳釋氧功能最大，表明酸棗是該區(qū)域較優(yōu)良的固碳植物材料，適度發(fā)展酸棗對(duì)碳的固定有利。