北長山島森林喬木層碳儲量及其影響因子

石洪華 ，王曉麗，王 嬡，劉振英，麻德明

(1.國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061;2.天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津 300384)

森林是陸地生態系統的重要組成部分。森林生態系統作為重要的碳儲存庫，約占整個陸地生態系統碳庫的50%，在儲存CO2、緩解全球氣候變化過程發揮著重要的作用［1-3］。喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層碳儲量共同組成森林生態系統碳儲量，其中森林喬木層固碳能力不容忽視。由于受到立地條件、根系與土壤的生理生化作用等因素的影響，森林土壤與喬木層碳儲量具有密切的相關性［4-5］。估算森林喬木層碳儲量，探尋出森林喬木碳儲量與土壤環境的相關性，已成為森林生態系統碳循環研究的熱點問題。

以往對陸地生態系統的固碳評估研究多集中在農田、陸域森林等領域［4，6-8］，而對海島陸地生態系統固碳研究較少。海島兼具海、陸雙重特性［9］，立地條件差，樹種相對單一，土壤貧瘠，時常面臨大風、海嘯和風暴潮等威脅，通常采用大面積人工造林改善海島生態環境［10-11］。黑松(P．thunbergii)適應性強，具有喜海洋氣候、抗海風、耐瘠薄等特性，是山東省長島縣的主要造林樹種。海島人工林的生態環境脆弱，由于海島四面環海，植被對大風、海嘯等影響沒有任何阻擋和緩沖，在同等級別的自然災害下與陸域相比，其受影響的程度往往更大。單一樹種對改善立地條件，以及發揮森林多種防護效益都很有限，抵抗病蟲害和各種自然災害的能力較弱。因此，為了豐富海島森林生態系統類型的多樣性，長島縣北長山島人工林建設主要采用黑松純林與黑松×刺槐(P．thunbergii×R．pseudoacacia)混交林兩種模式，確保海島人工林生態和防護效能的正常發揮。

本研究以北長山島黑松、黑松×刺槐混交林為研究對象，利用生物量相對生長方程與樣地調查數據相結合的方法，分別研究了黑松純林與黑松×刺槐混交林喬木層碳儲量，利用多元統計方法分析影響海島森林喬木層碳儲量的因子，旨在為廟島群島陸地植被固碳能力的評估提供參考資料。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

北長山島(37°57'36″—37°59'40″N，120°40'50″—120°43'54″E)位于山東省長島縣，面積 8.25 km2，海岸線長 15.68 km，地貌以低丘陵為主，是廟島群島第二大島。該地區屬于東亞季風型氣候區，年均氣溫為12.0℃，1月平均氣溫最低為-1.6℃，8月平均氣溫最高為24.5℃。年均降水量537.1 mm，降水多集中在6—9月。日照充足，年均日照時數2612 h。土壤主要有棕壤、褐土、潮土三大類，以棕壤土分布面積最大，土層厚度約為30 cm，多砂礫，土質較差。植被類型主要是松樹及槐樹林，以松樹為主，該島松林面積為廟島群島之首。從植被分布來看，下部主要是松樹和以松、槐為主的闊葉針葉混交林。黃土坡及溝谷內，以槐樹為主的闊葉針葉混交林。林下分布各種灌木、耐堿草本植物，尚有果林和農作物分布。該島現有林木絕大部分為1949年以后人工植種，目前森林覆蓋率約為42.0%，黑松和黑松×刺槐混交林為該島主要森林類型。

1.2 樣地設置

2012年7月，根據北長山島植被分布特征，依據代表性和可達性原則，共設置13個調查樣方，樣地面積一般為20 m×20 m，由于立地條件所限制個別樣地面積設置為10 m×10 m(圖1)。各樣地的生境特征見表1。分別調查統計森林立地條件及各樣地內喬木的胸徑、高度、基徑、枝下高、冠幅、株數等指標。

1.3 研究方法

1.3.1 人工林固碳能力評估

根據文獻［12-13］中給定的相對生長方程適用范圍、模擬效果等因素，選擇適合本研究區域內黑松和刺槐生物量相對生長方程(表2)，計算出北長山島黑松、黑松×刺槐混交林喬木層各器官的生物量和總生物量。

圖1 北長山島森林喬木層調查樣方分布Fig．1 Locations of the sample plots in the Beichangshan Island

表1 樣地基本概況Table 1 The basic characteristics of the sampling stations

植被生物量乘以含碳率可得到植被碳儲量。在估算森林生態系統植被碳儲量的研究中，國內外研究者通常采用0.50或0.45的生物量與碳的換算系數，該值在不同樹種間變化范圍為0.4—0.5之間［14-17］。通過查閱文獻，本文選擇的生物量與碳的換算系數為 0.45［12，14，18］。

1.3.2 土壤樣品采集及分析

在每個樣方內分別選取3個取樣點，采用多點混合取土樣方法進行。北長山島森林土壤砂礫較多，土壤厚度約為30 cm，森林土壤取表層土。在每個取樣點采用標準環刀(100 cm3)進行取樣，然后將環刀內土壤在105℃高溫下烘至恒重，稱量并計算土壤含水率和土壤容重。將同一樣地內3個點取到的土壤均勻混合，作為該樣地的土壤樣品。樣品采集后，帶回實驗室，自然風干，除去其中草根、大石礫等雜質，過2 mm鋼篩，磨細待測。

表2 樣樹各器官生物量(W)與胸徑(D)、樹高(H)的相對生長方程Table 2 Organ biomass allometric equations with variances of diameter at breast height(D)and height(H)of P．thunbergii and R．pseudoacacia

土壤理化性質按照中國土壤學會編寫的土壤農業化學分析方法進行［19］。土壤質地和土壤比表面積采用激光粒度分析儀(Mastersizer 2000，Malvern Instruments Co.，UK)測定;土壤有機碳含量采用灼燒法測定［20］。森林植物群落土壤級配指標，即不均勻系數Cu與曲率系數Cs計算采用如下公式［21］:

式中，Cu為不均勻系數;d10、d60為土壤顆粒累積百分含量為10%、60%所對應的粒徑。Cs為曲率系數;d30為土壤顆粒累積百分含量為30%所對應的粒徑。

為便于分析立地條件對海島森林喬木層碳儲量影響，本研究對坡向進行轉換。在轉換過程中，設定以正南方向為0°，正西、正東分別為-90°、90°，坡向轉換系數計算采用如下公式:

式中，C為坡向轉換系數;α為坡向偏角

1.4 數據處理和統計分析

采用單因素方差分析(one-way ANOVA)比較兩種樹種及各器官之間的差異;采用因子分析(Factor Analysis Method)提取喬木層碳儲量主要影響因子。所有數據采用SPSS18.0進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 喬木層碳儲量

在北長山島人工林中，黑松林各器官的碳儲量(除樹皮外)均高于黑松×刺槐混交林(表3)。兩種樹種各器官碳儲量之間的差異明顯(P＜0.05)，均以樹干最高，樹根次之，樹枝和樹葉最低，說明樹干碳儲量的積累是喬木層碳儲量增加的重要影響因素。

黑松的喬木層碳儲量顯著高于黑松×刺槐混交林。兩種林型喬木不同器官的碳儲量均為:樹干＞樹根＞樹枝＞樹葉(表3)。北長山島黑松純林喬木層碳儲量為84.00 t/hm2，接近于世界平均水平(86.00 t/hm2)［22］，高于廣西西南樺喬木碳儲量28.541 t/hm2［23］，高于長沙市區馬尾松林喬木層碳儲量32.42 t/hm2［24］;黑松×刺槐混交林碳儲量為29.60 t/hm2，略高于廣西西南樺×紅椎混交林喬木層碳貯量29.144 t/hm2［23］。

表3 黑松、黑松×刺槐混交林喬木層碳儲量(±sD)Table 3 Carbon storage in P．thunbergii and P．thunbergii×R．Pseudoacacia(±sD)

表3 黑松、黑松×刺槐混交林喬木層碳儲量(±sD)Table 3 Carbon storage in P．thunbergii and P．thunbergii×R．Pseudoacacia(±sD)

組分Component黑松P．thunbergii黑松×刺槐P．thunbergii×R．pseudoacacia碳儲量/(t/hm2)Carbon storage /%碳儲量/(t/hm2)Carbon storage /%樹干 Trunk 33.77±22.86 40.21 13.42±8.80 45.34樹枝 Branch 16.27±12.02 19.37 5.42±3.51 18.30樹葉 Leaf 13.97±10.51 16.63 3.89±2.64 13.14根系 Root 19.99±15.37 23.80 6.87±4.53 23.23總計Total 84.00 100.00 29.60 100.00

2.2 土壤對森林喬木層碳儲量的影響

2.2.1 森林土壤質地對喬木層碳儲量的影響

北長山島土壤顆粒(＜2 mm)砂粒含量變化范圍為82.31%—90.90%，粉砂粒含量變化范圍為9.02%—17.38%，黏粒含量較低，變化范圍為0.05%—0.30%，土壤類型以砂土為主(表4)。研究區域顆粒級配指標顆粒不均勻系數Cu與曲率系數Cs同時滿足Cu＞5且Cs在1—3范圍內，森林土壤級配良好;北長山島黑松、黑松×刺槐混交林土壤顆粒分散度Se較低，偏度Srk大(表5)，顆粒分布不均衡，反映了2種森林表層土壤流失程度相對較高。由于北長山島森林土壤含石率(＞2 mm)較高(質量百分比約為30%—50%)，土壤顆粒相對石頭而言含量較少，而地表侵蝕時較細顆粒首先流失，北長山島森林土壤雖級配良好但土壤流失程度較高。

森林土壤與植被生長的作用是相互的。北長山島黑松純林土壤質地部分為砂質壤土，而黑松×刺槐混交林土壤均為砂土(表4)。在土壤改良方面黑松純林可能要優于黑松×刺槐混交林;且黑松林固碳能力高于黑松×刺槐混交林，是廟島群島不可替代的、具有良好生態功能的理想樹種。

表4 北長山島表層土壤質地Table 4 Soil texture in the Beichangshan island

表5 土壤顆粒(＜2 mm)級配狀況及群體特征值Table 5 The soil structure and population characteristics in the Beichangshan island

為找出海島森林喬木層碳儲量影響因子，以不同的環境因子(坡度、海拔)及土壤顆粒含量為參數計算出相關系數矩陣(表6)。喬木層碳儲量與環境因子及土壤顆粒含量具有相關性。因子分析提取3個影響因子，因子1中土壤砂粒含量(-0.898)、粉砂粒含量(0.893)、黏粒含量(0.922)，因子2中坡度(0.770)、坡向(-0.722)、海拔(0.946)具有較高的負載，因子3中坡向(0.350)、砂粒含量(-0.385)、粉砂粒含量(0.390)具有較高的負載(表7)。由于因子3中各因素負載均小于0.5，與因子1、2相比較低，因此只對因子1、因子2進行多元線性回歸分析。多元線性回歸分析表明，對喬木層碳儲量的影響中因子1(Beta=0.290)相較于因子2(Beta=0.019)更為重要。

表6 森林喬木碳儲量與土壤質地、環境因子相關系數矩陣Table 6 Correlation coefficient matrix of arbores carbon storage and different soil texture and environmental parameters

表7 喬木層碳儲量控制變量因子分析旋轉因子負荷矩陣Table 7 Rotated component matrix derived from a factor analysis of variables controlling arbore carbon storage

2.2.2 土壤理化性質對森林喬木層碳儲量的影響

土壤養分狀況是影響植物生長、繁殖和生態系統固碳能力等的重要因素［5，25-26］。由圖2可知，就北長山島表層土而言，所測定的土壤理化指標均存在顯著差異(P＜0.001)，這種差異是由不同樹種生理特性以及林下環境特征所引起。森林群落冠層具有遮陰作用，北長山島土壤含水量變化范圍為1.29%—3.51%。森林土壤的8個監測樣地中，有7個樣地土壤偏酸性，pH值變化范圍為4.99—8.2。由于森林土壤表層覆蓋有部分凋落物，北長山島森林土壤有機碳含量變化范圍為10.56—17.81 g/kg，普遍高于北長山島上的農田和村落土壤，主要是因為森林生態系統土壤表面覆蓋有凋落物，導致森林土壤有機質含量高于其他類型土壤。北長山島雖為海島，但其土壤含鹽量較低，變化范圍為0.04%—0.206%。造成這種差異的原因可能為海島土壤含石率高，土質松散，加之調查期(7月份)降雨充足，使得土壤鹽分滲入深層土壤，從而其表層土鹽分含量較低;另一方面，海島人工造林可截留部分海鹽，緩解海鹽脅迫，對改良土壤具有一定的顯著效果［10］。

以森林土壤理化性質為參數計算出相關系數矩陣(表8)，找出森林喬木層碳儲量影響因子。喬木層碳儲量與土壤具有密切的相關性。因子分析提取兩個影響因子，因子1中土壤全氮(0.842)、總有機碳(0.899)、全碳(0.990)，因子2中全磷(0.931)、碳氮比(-0.925)，因子3中含水量(0.694)、pH值(0.744)、含鹽量(-0.666)具有較高的負載(表9)。多元線性回歸分析表明，對喬木層碳儲量的影響中因子3(Beta=-0.694)最為重要，其次為因子1(Beta=-0.192)、因子2(Beta=-0.106)。

表8 森林喬木碳儲量與土壤理化性質相關系數矩陣Table 8 Correlation coefficient matrix of arbores carbon storage and different soil physical－chemical properties

圖2 森林土壤理化性質Fig．2 Soil physical-chemical properties in the forest of Beichangshan Island

表9 喬木層碳儲量控制變量主成分分析旋轉因子負荷矩陣Table 9 Rotated component matrix derived from a factor analysis of variables controlling arbore carbon storage

3 結論與討論

本研究采用生物量相對生長方程與樣地調查數據相結合的方法，分別研究了黑松純林與黑松×刺槐混交林喬木層碳儲量。北長山島黑松純林喬木層碳儲量高于黑松×刺槐混交林，也高于其它地方的一些常見樹種，造成這種差異的主要原因是黑松適應性強，具有喜海洋氣候、抗海風、耐瘠薄等特性，較其他樹種更適宜在海島地區生長，因此具有較高的碳儲量。

喬木層碳儲量受到降雨、氣溫、坡度、海拔等多種環境因子的影響［27-29］。降雨量等氣候特征對土壤母質的風化、土壤形成和土壤有機碳的分解起著重要的作用，進而影響森林喬木層碳儲量［30-31］。Brown等［32］的研究結果，降水量在400—3200 mm時，降水和森林植被碳密度之間呈正相關，超過3200 mm時則呈負相關。北長山島地區氣候濕潤，北長山島降雨多集中7—8月份，充沛的降雨量促進土壤碳的分解進而加快了碳周轉速率。有研究表明，海島地區森林喬木層碳儲量隨坡度等級的增加而增大［27］。由于受到海風的脅迫，雨水沖刷等作用導致了山坳地區土壤厚度大于山頂，加之山坳中水熱條件較好，土壤不易流失，利于植被的生長，森林喬木層具有較高的碳儲量。

森林土壤對喬木層碳儲量影響較大。森林喬木層碳儲量與土壤質地密切相關，不同質地土壤特性不同。土壤顆粒組成與土壤養分相關［33-34］，對植被的生長、發育具有重要作用，進而影響森林喬木層碳儲量。由于海島地區植被、土壤時常受到海風的影響，局部地段形成風沙堆積。北長山島森林土壤黏粒含量極低，均在5%以下，土壤類型以砂土類為主(表4)，部分為壤土類，級配良好(表5)。砂土類土壤通透性良好，但持水能力較低，微生物活性強，進而促進土壤氮礦化，有利于植被根系對養分的吸收，進而提高了樹木的光合速率。黑松純林、黑松×刺槐混交林喬木層根系碳儲量分別為19.99、6.87 t/hm2(表3)，占到各自喬木層總碳儲量的1/5，說明植被根系對土壤養分吸收較好，根系較為發達，這與土壤質地密不可分。

土壤理化性質通過影響根系與土壤的生理生化作用進而影響植被的生長。氮、磷是植物生長所必須的大量營養元素，其豐缺及供給狀況直接影響著植物的生長水平。北長山島土壤全N、全P含量較低(圖2)。全N含量均低于2 g/kg，而在意大利0—20 cm表層土的21個監測樣地中，僅有2個樣地的土壤全N含量低于2 g/kg［35］，更是低于日本22a柳杉林土壤全N含量(2.03 g/kg)［36］，因此，北長山島森林土壤全N含量水平低于國外其他國家的土壤全N水平，對喬木層碳儲量影響不是非常明顯(表8)。凋落物是土壤-植物系統碳循環的聯結庫，對表層土壤養分循環產生重要影響［37］。通過現場調查發現，北長山島森林林下凋落物覆蓋少，這也是導致北長山島森林土壤全N含量較低的原因之一。由圖2可知，對于同種林型的森林土壤N、P含量低，總有機碳相對較高(17.81 g/kg)，森林喬木具有較高的碳儲量(122.91 t/hm2)。因此，土壤中有機碳和養分的合理、協調增加有利于根系的生長，進而提高森林喬木層碳儲量。

森林系統水分循環是植被賴以生存的重要環節之一。土壤水更是植被生長、發育所需用水的主要來源，但過高的含水量會導致植被根系的腐爛不利于植被的生長。大多數土壤養分元素的有效性受土壤pH值影響［38-39］。由圖2可知，北長山島8個監測樣地中只有1個樣地土壤偏堿性(pH值=7.7)且森林喬木層碳儲量較低(28.52 t/hm2)。北長山島森林喬木層碳儲量與土壤pH值基本呈負相關。因此，夏季適宜的土壤含水量及pH值有利于森林喬木碳儲量的提高。

北長山島夏季土壤含鹽量較低(圖2)，部分黑松林土壤質地為砂質壤土，可見，海島人工林的建設對于涵養淡水、過濾海鹽、防風固沙等起到重要作用。雖然北長山島黑松喬木層碳儲量高于黑松×刺槐混交林，黑松更適宜在海島地區生長，是海島地區不可替代的、具有良好固碳功能的理想樹種。單一樹種在抵抗病蟲害和自然災害的能力較弱，為了豐富海島森林生態系統類型的多樣性，還應積極撫育其他適宜海島地區生長的優良樹種。混交林是一種較好的森林經營模式，合理的混交比例與種植密度可以提高資源的利用率，增加林分生長量進而提高生態系統的碳儲量。

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