黃土高原子午嶺人工油松林碳儲量與碳密度研究

孟 蕾，程積民，，楊曉梅，韓娟娟，范文娟，胡秀娟

(1.西北農林科技大學動物科技學院，陜西楊凌712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100;3.西北農林科技大學生命科學學院，陜西楊凌712100;4.西北農林科技大學林學院，陜西楊凌712100)

大氣中CO2濃度迅速增加，引發全球變暖已成為世界面臨的嚴峻問題[1]。森林作為全球陸地生態系統的主體，貯存了陸地生態系統76%～98%的有機碳，而且每年的固碳量約占整個地球生物固定量的2/3[2]。因此，森林生態系統不僅在維護和改善全球生態環境上起著重要作用，而且在全球碳循環和碳平衡中發揮著不可替代的作用[3]。國內外對森林生態系統碳貯量和貯存潛力進行了大量的研究，但大多局限于天然林[4-5]，對人工林的研究較少，我國是世界上人工林面積最大的國家[6]，已成林的人工林面積約3.43×107hm2[7]，其中 80%以上為中、幼林和近熟林[8]。因此，探究我國人工林碳儲量及其潛力，對整個國家應對當前氣候變暖、履行森林碳匯抵消工業溫室氣體排放量具有重要的意義。

油松(Pinus tabulaeformis)是我國特有樹種[9]，也是我國暖溫帶森林主要建群種，它對大陸性氣候及大氣干旱有較強的適應性，生長速度中等，是北方地區主要的造林樹種之一，也被認為是黃土高原地區退耕還林工程中的優良樹種[10-11]。目前，在子午嶺林區分布著較大面積的人工油松林。然而，對油松林碳儲量的研究主要集中在秦嶺火地塘地區天然次生林的研究[12-13]，對黃土高原子午嶺林區人工油松林的儲碳密度和碳儲量的研究還鮮見報道。本研究對油松林及林下植被采用實測含碳率，得出該區域儲碳密度和碳儲量，旨在為準確評價人工油松林在該區域生態系統碳平衡中的作用提供理論依據，為進一步研究黃土高原子午嶺林區森林生態系統的碳貯量及其潛力提供基礎資料。

1 研究區概況

子午嶺是黃土高原腹地唯一隆起的長塬，位于陜甘兩省交界處的 108°10′—109°08′E，35°03′—36°37′N ，是洛河和涇河的分水嶺，屬天然次生林針闊葉混交林類型。海拔1 280～1 500 m，相對高差200 m左右，年均氣溫7.4℃，極端最高氣溫36.7℃，極端最低氣溫-27.7℃，≥10℃積溫2 671.0℃，無霜期112～140 d。年平均相對濕度 63%～68%，年均降雨量587.6 mm。土壤以石灰性褐土為主，皆發育于原生(山坡)或次生(溝谷)黃土，黃土層下覆蓋的紅土厚約80～100 m，山體在陰坡和山脊坡面平緩，陽坡和半陽坡坡面較陡，屬溫涼半干旱區黃土覆蓋的森林草原地帶，適于楊、樺、櫟等部分落葉闊葉林和溫性針葉林發育。子午嶺林區林相整齊，植物種類豐富，目前林區郁閉度0.80～0.95，是黃土高原中部面積最大，保存最為完整，且最具代表性的天然次生林區[14-16]。其對于改善隴東及周邊地區的生態環境，水源涵養、氣候調節及保障農牧業發展具有十分重要的作用。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與樣地選擇

試驗地設置在甘肅省合水縣連家砭林場，選擇了具有典型代表性的人工油松林群落，該群落目前的人工造林面積已達到了4.65×104hm2。本試驗主要是對人工油松林群落碳儲量的現存量進行了定量研究，探討森林對全球氣候變化的貢獻。采樣時間選擇在林木生長緩慢、吸收的碳與其自身呼吸作用相對平衡的10月下旬，采樣時考慮到地形條件，因此，取樣地點選取了不同坡向(陰、陽坡)和坡位(坡上部、坡中部、坡下部)。

2.2 研究方法

2.2.1 森林生物量測定 (1)喬木生物量:試驗選擇林相相對整齊，在具有一定代表性的地段上(不同的坡向、坡位)設置12個(陽坡 3個、陰坡 9個)標準地(10 m×10 m)，標準地內每木檢尺，同時，配合林場的森林撫育工程，實測伐倒標準木的樹干、樹枝、樹葉、樹皮、樹根和果球等各器官生物量，根據組分與測樹因子項(D2H)的異速生長模型，由回歸方程B=a(D2H)b(B——林分生物量;D——林分平均胸徑;H ——林分平均高;a，b——為回歸系數)推算喬木層的生物量，回歸方程如表1所示。(2)灌木、草本和枯落物生物量:在每塊標準地內設3個2 m×2 m的樣方，采用收獲法測定林下灌木(枝+干、葉、根)、草本(枝、葉、根)生物量，同時測定小樣方內的地面枯落物量(未分解層、半分解層和全分解層)，分別取樣，烘干后換算成單位面積的生物量。

表1 人工油松林喬木層各組分的生物量回歸方程〔Biomass=a(D2H)b〕參數

2.2.2 土壤樣品采集與處理 在各標準地內選擇3個樣方(左、中、右)，用直徑10 cm 的土鉆取樣，取樣深度為 90 cm;分為 0—10 cm，10—30 cm，30—50 cm，50—70 cm，70—90 cm共 5個層次，每個樣方采樣 3個，采樣時每一采樣層重復3次制成一個混合樣，將采集樣品編號帶回實驗室，取一部分在105±5℃烘至恒重后，計算土壤含水量，同時用環刀法測定土壤容重。對剩下的樣品挑除植物根系和石礫等雜物，于陰涼處自然風干后用四分法過0.25 mm篩，編號備用。

2.2.3 有機碳含量的測定 在標準地內選擇不同胸徑的標準木3株，重復 3次，采用分層切割法，使用全根挖掘得到地下部分根系，收集喬木各器官(枝、葉、根、皮、干和果球)，采樣時同一胸徑林木重復3次制成一個混合樣，并在各標準地內采集灌木(枝+干、葉、根)、草本(葉、根)和枯落物(未分解層、半分解層和全分解層)的樣品，放入80±5℃的烘箱中至恒重，烘干的樣品粉碎之后過篩、編號備用。本實驗有機碳(質)含量均采用濕燒法進行測定[17]。

2.2.4 人工油松林碳儲量的計算 喬木層碳儲量為各器官儲碳密度乘以其生物量之和;灌草層碳儲量為各層內不同種類的碳儲量之和;枯落物層碳儲量為各層儲碳密度與其生物量乘積之和。喬木層、灌草層和枯落物層的儲碳密度采用實測數據，土壤儲碳密度與土壤面積的乘積為土壤碳儲量，土壤儲碳密度(t/hm2)計算公式為[18]:

式中:S——土壤儲碳密度(t/hm2);BD——土壤容重(g/cm3);C——土壤有機碳含量(%);T——土層厚度(cm)。人工油松林碳儲量是喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層的碳儲量之和。

2.3 數據分析

根據野外調查資料和實驗室分析結果，用Excel 2003和SPSS 10.0軟件進行數據處理分析。

3 結果與分析

3.1 人工油松林喬木層儲碳密度和碳儲量特征

由表2可以看出，子午嶺人工油松林群落的喬木層儲碳密度是 30.37 t/hm2，總碳儲量為 1.411 8 Tg，其中地上部分(包括樹干、樹枝、樹葉、樹皮和果球)碳儲量為地下部分的4倍，可見在喬木層中地上儲存了絕大部分的碳量。此外，人工油松林各器官的儲碳密度從大到小的順序為:樹干＞樹根＞樹枝＞樹葉＞樹皮＞果球，介于2.28～10.10 t/hm2，從而呈現林木各營養器官中的碳密度差異，人工油松林各器官的含碳率平均值為0.522 8±0.030 4，各器官含碳率差異較小，從而使得生物量的大小直接影響其儲碳密度和碳儲量。

3.2 人工油松林灌、草層儲碳密度和碳儲量特征

森林灌草層的碳儲量和碳密度與森林類型、年齡以及人為干擾有關[19]。油松林種植密度較大，林齡大約在20 a左右，林相整齊，林窗密度較小，光照投射到林內有限，使得林下灌木及草本分布較少。

本試驗對其主要灌木及草本優勢種碳儲量及碳密度進行了分析(表3—4)，結果表明，灌木層，總碳儲量為0.398 0 Tg，各優勢種之間碳儲量從大到小的順序為:沙棘＞衛矛＞懸鉤子，造成種間差異的主要原因與該林地內其生長的狀況和生物量大小相關。而草本層，不同種各器官的碳儲量大小順序為:干+枝＞樹根＞樹葉，且種間碳儲量大小各異:大披針苔草＞白羊草＞中華萎陵菜＞披堿草＞鐵桿蒿＞野棉花。

總體來講，灌草層地上部分生物量較大，從而使得碳密度及碳儲量是地下部分的2倍，同時也可以看出，碳在灌草層的分布因種類的差別而不同，這就給尋找吸碳及儲碳高植被提供了可依循的基礎。

表3 人工油松林灌木層儲碳密度和碳儲量分布

表4 人工油松林草本層儲碳密度和碳儲量分布

3.3 人工油松林枯落物層儲碳密度和碳儲量特征

森林枯枝落層的厚度、生物量大小森林類型、森林年齡、枯落物的分解速度、人為干擾以及溫度、水分等因子有關。子午嶺林區的人工油松林，盡管林齡在20 a左右，但枯枝落葉層已形成較明顯的層次結構，本實驗通過對枯枝落葉層(未分解層、半分解層、全分解層)各層碳儲量及密度的分別研究，結果表明(表5)，人工油松林群落中，枯落物層總儲碳密度為22.88 t/hm2，碳儲量為1.063 8 Tg，而各層的碳儲量從大到小的順序為:未分解層＞半分解層＞全分解層，分別占整個枯落物層碳儲量的 63.71%，27.24%和9.04%，這主要是因為表層的枯落物還沒有分解，其生物量遠遠大于半分解層和分解層，使得其成為枯枝落葉層碳量分布最多的層次。因此，在研究枯落層碳儲量時，應針對其具體的層次結構分別研究，從而準確地反映出該層碳庫的大小。

表5 人工油松林枯枝落葉層儲碳密度和碳儲量分布

3.4 人工油松林土壤層儲碳密度和碳儲量特征分析

土壤各層的碳儲量在0.4973～1.4002 Tg之間(表6)，上層土(0—50 cm)的碳儲量為3.353 6 Tg，占土壤層總儲量的76.89%;下層土(50—70 cm)為1.008 2 Tg，占23.11%，從而可以看出，土體內50 cm深度集中著土壤中大部分的碳，是研究土壤碳庫的重要深度。此外，碳儲量和儲碳密度都隨土壤深度的增加而逐漸遞減，這與地表枯枝落葉分解、土體內微生物活性以及理化性質息息相關。

表6 人工油松林土壤層儲碳密度和碳儲量分布

4 結論

(1)從空間尺度上，人工油松林群落自上而下各層的碳儲量從大到小的順序是:土壤層＞喬木層＞枯落物層＞草本層＞灌木層，碳儲量在 0.398 0～4.361 7 Tg之間，人工油松林整個土壤剖面的碳儲量4.361 7 Tg，占人工油松林碳儲量的57.02%，人工油松林植物的碳儲量占人工油松林碳儲量的29.08%，說明在該區域中土壤是人工油松林群落中最為重要的有機碳庫。

(2)不同的研究者對油松林喬木層的儲碳密度和碳儲量的估計不同。本研究對子午嶺油松林的研究結果表明，該區域的儲碳密度和碳儲量分別為:30.37 t/hm2，1.41 Tg。而程堂仁等人[20]對甘肅小隴山森林植被碳庫的研究表明，小隴山油松林的喬木層儲碳密度是30.20 t/hm2，與本研究結果基本一致，而侯琳等人[12]對秦嶺火地塘林區油松的喬木層儲碳密度是6.59 t/hm2，比本研究結果偏小，這可能是由于在秦嶺火地塘地區設置的試驗地坡度陡、土層薄、林窗較大，導致喬木分布不均勻且密度較小，致使喬木層的碳密度不高。

(3)本試驗對子午嶺油松林灌木層和草本層儲碳密度和碳儲量的研究，采用與以往研究者不同的研究方法，對灌木層和草本層的含碳率采用的是實測數據，而有些研究者[21-23]采用0.45或0.50作為林下植被的含碳率，與它們相比較本研究采用實測數據更真實地反映了林下植被的儲碳密度和碳儲量，為今后研究者在該區域對碳儲量的研究提供基礎資料。

(4)不同研究者對中國土壤儲碳密度估計結果差異很大，李克讓和方精云等人[24-25]對中國常綠針葉林土壤有機碳密度的估算結果分別為179.80和71.60 t/hm2，而子午嶺人工油松林土壤的儲碳密度為93.83 t/hm2。這可能是由于土壤類型、植被結構的不同以及氣候差異造成了相關研究結果的不一致，說明今后針對不同林分研究土壤有機碳庫有著重要的意義。

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