不同經營措施對毛竹林生物量與碳儲量的影響

朱琳琳，張萌新，趙竑緋，趙 陽，徐小牛

(安徽農業大學 林學與園林學院，安徽 合肥 230036)

隨著全球氣候的變暖，有關森林生態系統固碳能力的研究日益被重視。森林生態系統作為陸地生態系統的主體，是地球上除海洋之外最大的碳庫[1-2]。此外，森林生態系統具有較高的固碳能力，每年固定的碳約占整個陸地生態系統的2/3。所以，森林生態系統在調節全球碳平衡、減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度的上升及維護全球氣候穩定等方面具有不可替代的作用。一方面，森林的生長需要從大氣中吸收和固定大量的碳，是大氣中CO2的一個重要碳匯；另一方面，森林的采伐利用會使原先已固定的碳釋放，又可成為大氣CO2的一個重要碳源。所以，不同的森林類型其碳源匯的功能不盡相同[3-4]。

毛竹Phylloctachys pubescens是我國南方重要的森林資源，以其分布廣、生長快、周期短等特性而有別于其他類型的森林生態系統。據統計，我國現有竹林面積800多萬hm2，其中毛竹林面積多達400萬hm2。據全國第七次森林資源連續清查資料(2004～2008年)，全國竹林(其中約有72％為毛竹林)的總碳儲量為2.0億t，占中國森林資源總碳儲量的2.54％[5]。竹林在溫室氣體減排和森林碳匯中發揮著積極作用[6-7]。隨著人們對竹林經濟效益的追求，許多非經營的毛竹林轉變為經營(林地除草、墾復、施肥、覆蓋和灌溉等)狀態[8]。彭在清等人[9]的研究結果表明，經營與非經營毛竹林的生物量存在差異；經營的集約化對竹林生態系統碳儲量的影響更大[10-11]。鑒于此，文中對安徽涇縣蔡村地區不同經營措施下毛竹林的林分結構及土壤養分狀況進行了調查與分析，旨在了解不同經營措施對毛竹林生物量及碳儲量的影響情況，以期在提高毛竹林經濟效益的同時，更大程度地發揮出毛竹林生態系統的碳匯功能，從而為其可持續經營提供理論依據。

1 試驗地概況

調查區設在皖南涇縣東部蔡村鎮(117°57′～118°41′E、30°21′～30°50′N)，位于蜚聲海內外的黃山、九華山、太平湖旅游三角區內。森林覆蓋率達76.4％，素有“山清水秀月亮灣，竹海茶香金蔡村”之美譽。蔡村鎮擁有豐富的優質煤炭、竹林、石英砂、茶葉、青檀等資源，其竹林面積達7 000多hm2，毛竹年產量1 400余萬根，該鎮被譽為“華夏毛竹第一鎮”。

蔡村鎮屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，季風明顯，四季分明，春溫多變，夏雨集中，秋高氣爽，冬季寒冷。雨量充沛，年降水量達1 100～2 500mm，但雨水分配不均；年平均氣溫為16℃。土壤主要以黃棕壤和紅黃壤為主，呈酸性。

2 研究方法

2.1 樣地調查

根據如表1的蔡村不同經營措施下毛竹林的基本情況并結合立地條件(坡度在25 °以下)設置調查樣地，在以3種不同措施經營的毛竹林內設立了面積為 20m×20m的調查樣方(各重復3次)。主要采用了如下3種經營措施：模式Ⅰ為粗放經營，模式Ⅱ為墾復-施農家肥(每年施農家肥7.5t·hm-2)，模式Ⅲ為墾復-施配比肥(每年施配比肥0.96t·hm-2)。施肥時間分別為3～5月和8～9月，施用的配比肥為15∶12∶5的尿素∶鈣鎂磷肥∶硫酸鉀的混合肥，施肥方法均采用溝施法，沿水平帶方向開溝，水平帶間距2～3m，溝深20cm，溝寬20～30cm，將肥料均勻施入溝中，加土覆蓋。墾復周期為每2年1次，墾復深度為30cm。同時，以每木檢尺法對各標準樣地內毛竹的胸徑與高度進行實測，調查其生長狀況，計算毛竹林的立竹度和整齊度。在標準樣地中采用剖面法進行土壤調查，于每塊樣地內隨機選取3個樣點，采集土層深度分別為0～10、10～30、30～50、50～70cm的土壤樣品，帶回實驗室用于理化性質分析。

2.2 毛竹生物量的估算

采用孫剛等人[12-13]建立的如下回歸方程估算單株毛竹各部分的生物量，然后依據構建的生物量模型結合各標準地毛竹的胸徑D(cm)和竹高H(m)推算出單株毛竹各部分生物量的總量W(g)。

表1 蔡村不同經營措施下的毛竹純林概況?Table 1 General status of Phyllostachys pubescens pure forest under different management measures at Cai Village

W稈＝29.0367D2.4185H0.1885，R2＝0.890 7；

W枝＝8.9787D1.521 1H0.8378，R2＝0.805 8；

W葉＝0.0067D12.8061H-6.8501，R2＝0.633 6；

W根＝80.219D1.8402，R2＝0.562 0。

2.3 毛竹林碳儲量的估算

毛竹林生態系統中的碳儲量主要由植被碳儲量和土壤碳儲量組成。考慮到試驗區毛竹林下植被稀少，地表凋落物層稀薄，根據周國模等人[14]的研究結果，林下層碳儲量所占比例不足毛竹林生態系統碳儲量的5％，故本研究不考慮灌木層、草本層、凋落物層的碳儲量，植被碳儲量以毛竹林分的碳儲量來計算。

林分碳儲量為毛竹各器官碳儲量之和，其中各器官碳儲量(C)的計算公式為：

式中：C為毛竹某器官碳儲量(t·hm-2)，W為毛竹林相應器官的總生物量(t·hm-2)；Cc為相應的毛竹器官的含碳率。毛竹林各器官的含碳率分別為[15]：

土壤總碳儲量為各深度土層土壤碳儲量之和，其中各深度土層土壤碳儲量(CS)的計算公式為：

式中：CS為某深度土層土壤碳儲量(t·hm-2)，Dd為相應深度土層的土壤密度(g·cm-3)；D為相應的土層深度(cm)；S為樣地面積(hm2)；Ci為相應深度土層的土壤有機碳含量(％)。

2.4 土壤樣品的分析

采用環刀法現場采集土樣并測定其密度。采用烘干法測定土壤含水量，即將土壤樣品置于105℃下烘至恒重，所失去的質量即為水分的質量，烘干前后的質量之差即為土壤水分含率。使用TOC分析儀(Multi C/N 3100，Jena)測定土壤可溶性有機碳的含量。分別采用鉬銻抗比色法、鹽酸-氟化銨法測定土壤中全磷、速效磷的含量；用2 mol·L-1的KCl溶液浸提銨態氮和硝態氮，再以流動注射分析儀(FIA Star 5000，FOSS)測定其含量；分別以原子吸收光度法(FSA-990)、C/N分析儀(EA3000)依次測定土壤全鉀與全氮及全C的含量。用ExtechⅡ型電導儀和pH計測定土壤溶液的電導率和pH值：將蒸餾水與土壤樣品按照2.5∶1.0的比例混合，搖勻靜置30min后，用pH計測定土壤溶液的pH值；土壤電導率是將蒸餾水與土壤樣品按照5∶1的比例混合，搖勻靜置1h后，用金星電導儀測定的。

2.5 數據處理

采用Excel、SPSS等軟件對數據進行計算和處理，不同處理間的差異采用單因素方差分析法進行檢驗，顯著性差異水平為p=0.05。

3 結果與分析

3.1 不同經營措施下毛竹林的生長狀況

不同經營措施下毛竹林生長狀況的調查結果見表2。表2顯示，毛竹林現存密度為2 933～3 100 株·hm-2，平均密度為 3 000 株·hm-2；不同經營措施下毛竹林平均胸徑的變化幅度為9.55～11.38cm，平均竹高的變幅為13.20～15.97m，胸高斷面積的變幅為22.19～28.80m2·hm-2，整齊度為5.93～7.29。可見，經營和非經營狀態下毛竹林生長差異顯著。

表2 不同經營措施下毛竹林生長狀況的調查結果?Table 2 Growth status of Phyllostachys pubescens forest under different management measures

在相同的自然環境中，不同經營措施對毛竹林生長具有一定的影響。平均胸徑是判斷毛竹生長狀況的一個重要指標。溫太輝[16]根據毛竹胸徑的大小將毛竹林劃分為如下5個等級：Ⅰ級，平均胸徑在10.0cm 以上；Ⅱ級，平均胸徑為10.0～9.1cm；Ⅲ級，平均胸徑為9.0～8.1cm；Ⅳ級，平均胸徑為8.0～7.1cm；Ⅴ級，平均胸徑在7.0cm以下。就平均胸徑而言，蔡村粗放經營的毛竹林屬Ⅱ級，說明現有生產力并不高，生產潛力有待提高；而采取經營措施的毛竹林均屬Ⅰ級水平，具有較高的生產潛力，且采取兩種施肥措施經營的竹林其胸徑間的差異并不顯著。

立竹度是竹林地上部分生物量的重要組成因素，也是反映林分經營是否合理的一個關鍵因子，文中毛竹的立竹度是以調查林分胸高斷面積與模式林分胸高斷面積(79.35m2·hm-2)之比來表示的[16]。凡立竹度在0.8以上的毛竹林即為高產林分，立竹度在0.3～0.8之間的為中產林分，立竹度小于0.3的為低產林分。采取兩種施肥措施經營的毛竹林其平均立竹度為0.35(中產林)，明顯高于粗放經營毛竹林的0.28(低產林)。因此，經營措施有利于提高毛竹的立竹度，提高竹林的生產力。

3.2 不同經營措施下毛竹林地土壤養分特性

不同經營措施下毛竹林地土壤全氮、全磷、速效磷、可溶性有機碳、銨態氮、硝態氮含量的測定結果見表3。表3表明，毛竹林地土壤各養分指標值都隨土層深度的加深而降低。0～10cm土層的全鉀含量要低于10～30和30～50cm土層的，這與鉀在土壤中大多呈游離狀態，易淋溶和轉移有關。由表3可知，采取經營措施的林地各養分含量明顯高于粗放經營林地的，其中施農家肥林地的各養分含量高于施配比肥的林地，且農家肥中能被植物直接吸收利用的養分(如銨態氮、硝態氮、速效磷)的含量也明顯高于配比肥。這一測定結果表明，在提高土壤肥力方面，農家肥的效果更優于配比肥。因此，在采取經營措施時，應盡可能使用農家肥，不僅肥效顯著又節約了成本。另外，長期溝施肥料的林地因經常翻動土壤而使地表掉落物及腐殖質遭到破壞，減少了微生物分解的碳源，使得采取了經營措施的毛竹林地的可溶性有機碳含量顯著低于粗放經營毛竹林地的有機碳含量。

表3 不同經營措施下毛竹林地土壤各養分含量的測定結果Table 3 Determination results of nutrients in the soil of Phyllostachys pubescens forest under different managed measures

3.3 不同經營措施下毛竹林的生物量

不同經營措施下毛竹各器官生物量的分配情況見表4。由表4可知，蔡村毛竹各器官生物量的大小順序為：竹稈＞竹根＞竹枝＞竹葉。這與浙江臨安毛竹林的調查結果相同[14]。在蔡村3種經營措施的林分中，毛竹林的稈、根、枝、葉各器官的平均生物量分別為48.54、19.72、10.01、5.58t·hm-2，毛竹地上各部分的生物量均在76％以上，蔡村毛竹林平均總生物量為83.86t·hm-2，稍高于陳輝等人[17]研究的閩北毛竹林的現存生物量(82.38t·hm-2)，但低于孫剛等人[12]研究的安徽肖坑地區毛竹林的生物量(91.91t·hm-2)，其原因可能與本研究中的總生物量不包含竹鞭生物量有關。比較分析不同經營措施下毛竹林的生物量可知，采取墾復、施肥措施經營的毛竹林其生物量分別達到了90.03和84.86t·hm-2，明顯高于粗放經營毛竹林的76.69t·hm-2，這與李正才等人[10]和周國模等人[11]的研究結果相似，墾復、施肥促進了毛竹林林分的生長，增加了林地的現存生物量，提高了竹林生產力，而且施農家肥的效果比施配比肥的效果好。

3.4 毛竹林林分的碳儲量

對3種經營措施毛竹林的碳儲量進行了估算，結果如圖1 所示。從圖1中可以看出，毛竹林分碳儲量的變化范圍為37.34～44.00t·hm-2，不同經營措施的毛竹林其碳儲量的大小順序為：施農家肥＞施配比肥＞粗放經營。這一結果說明，采用經營措施能促進毛竹林分碳儲量的增加，且施農家肥的效果比施配比肥的效果好。經營措施對碳儲量的影響與其對生物量的影響是一致的。蔡村不同經營措施下毛竹林的碳儲量均低于喀斯特城市刺槐梓木混交林的植被碳儲量(51.384t·hm-2)[18]，更低于我國森林植被的平均水平(57.07 t·hm-2)[19]，說明其毛竹林分的碳儲量還有待于提高，而其中采用了經營措施的毛竹林分的碳儲量(43.24t·hm-2)也低于劉西軍等人[15]研究的經營毛竹林分的碳儲量(46.29t·hm-2)。因此，經營措施不同也會影響毛竹林分的碳儲量，應探尋更為有效的經營措施，以提高毛竹林分的碳儲量。從毛竹各器官碳儲量的分配情況來看，竹稈的碳儲量所占比例最大(58.59％)，其次是竹根(24.48％)，竹枝和竹葉所占的比例較小，分別只有11.26％和5.67％。同時，從表4和圖1中可以看出，不同器官中的碳儲量與各器官中的生物量基本成正比關系，說明植被碳儲量主要受植被生物量的影響。

表4 不同經營措施下毛竹各器官生物量的分配情況?Table 4 Distribution of biomass of different organs in Phyllostachys pubescens forest under different management measurest·hm-2

圖1 不同經營措施下毛竹林各器官的碳儲量Fig.1 Carbon storage in different organs of Phyllostachys pubescens forest under different management measures

3.5 毛竹林地土壤的碳儲量

不同經營措施下毛竹林地的土壤容重和有機碳含量見表5。由表5可知，采取了經營措施的毛竹林地其土壤容重均隨土層深度的加深而增大，不同土層土壤容重的平均值的變化范圍為0.95～1.44g·cm-3，而土壤中的有機碳含量則隨土層深度的增加而減少，減幅的大小順序為：Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ，即粗放經營的毛竹林其減幅最大，而施農家肥的毛竹林其減幅最小。不同經營措施下毛竹林地土壤中的有機碳含量為1.48％～2.53％，平均含量為2.14％；10～30cm土層中的有機碳含量間的差異不顯著，而其余3個土層中的有機碳含量間的差異卻顯著；施農家肥的毛竹林地的有機碳含量最高，粗放經營的毛竹林地的有機碳含量最低，采取經營措施與未采取經營措施的毛竹樣地其有機碳含量差異顯著。

采用了經營措施與粗放經營的毛竹林地土壤的總碳儲量之間存在著顯著差異，其變化范圍為117.62～191.83t·hm-2(圖2)。其中粗放經營的毛竹林地其土壤總碳儲量最低(117.62t·hm-2)，這與李正才等人[10]研究的粗放經營毛竹林地0～100cm土層的總碳儲量(131.03t·hm-2)接近，但由于竹林經營水平和產區地理條件的差異，本研究測定的采取了經營措施的毛竹林地其平均土壤總碳儲量達189.77t·hm-2，明顯高于李正才等人[10]研究的集約經營毛竹林地0～100cm土層的總碳儲量(106.53t·hm-2)。因此，開展不同竹林產區(中心、邊緣地區)、不同經營管理水平對竹林碳儲量的研究顯得尤為重要。3種經營措施下毛竹林地其土壤總碳儲量由高到低依次為：施農家肥＞施配比肥＞粗放經營。

表5 不同經營措施下毛竹林地的土壤容重和有機碳含量?Table 5 Soil density and organic carbon content of Phyllostachys pubescens forest under different management measures

圖2 不同經營措施下毛竹林地不同土層中的碳儲量Fig.2 Carbon storage in different soil layers of Phyllostachys pubescens forest under different management measures

3.6 毛竹林碳儲量分配及碳素年固定量推算

由圖1和圖2可知，采用3種不同措施經營的毛竹林其總碳儲量分別為154.96、235.83和229.18t·hm-2。粗放經營的毛竹林的總碳儲量與湖南會同的15年生杉木林[1](152.52t·hm-2)接近，但低于23年生的杉木純林(169.53t·hm-2)和火力楠純林(170.37t·hm-2)[20]；而采用墾復、施肥等措施經營的毛竹林其林分碳和土壤碳的雙重效應，使得經營后的毛竹林的總碳儲量均有顯著的提高，分別是粗放經營毛竹林總碳儲量的1.52和1.48倍。3種經營措施下毛竹林的土壤碳儲量都要高于林分碳儲量，是林分碳儲量的3～4倍，這與李默然等人[21]對黔東南地區的5種森林生態系統類型的研究結果以及李素敏等人[22]對喀斯特地區城市楊樹人工林的研究結果相一致，即土壤層是森林生態系統的最大碳庫。因此，從竹林的長期經營效益和生態效益來看，應采取合適的管理與施肥(尤以農家肥為佳)措施，在提高毛竹林生產力的同時增強毛竹林的固碳能力。

森林生態系統生產力研究的主要內容就是確定生態系統同化CO2的能力。3種不同經營措施下毛竹林喬木層的碳儲量依次為37.34、44.00和41.47t·hm-2，其同化CO2的量分別相當為136.91、161.33和152.07t·hm-2。由于采取經營措施和粗放經營的毛竹林隔年均伐去3度以上竹株，因此從生態系統的角度看，毛竹林分永遠處于生長動態平衡之中，并可以近似地認為每次采伐的毛竹生物量均相當于現存林分生物量的1/3。據此推算出的毛竹林喬木層的年碳固定量是現存喬木層碳儲量的1/6。以此推算，采用3種措施經營的毛竹林其喬木層年碳固定量依次為6.22、7.33和6.91t·hm-2a-1，其每年同化CO2的量分別相當為22.81、26.88和25.34t·hm-2a-1。采取經營措施的毛竹林其平均每年同化CO2的量(26.11t·hm-2a-1)是粗放經營毛竹林(22.81t·hm-2a-1)的1.14倍，兩者分別是蘇南地區27年杉木人工林的3.01和2.63倍，是40年次生櫟林的2.90和2.53倍，是18年國外松人工林的1.23和1.08倍[23]，是尖峰嶺熱帶山地雨林的1.91和1.67倍[24]，是速生階段杉木林的2.89和2.53倍[25]。可見，毛竹林比其他林種的固碳能力要強，采取合理的經營措施能提高毛竹林喬木層的固碳能力。

4 小 結

1)粗放經營的毛竹林其平均胸徑為9.55cm，其生長級屬Ⅱ級；其平均立竹度為0.28，屬低產林分。采取經營措施的毛竹林其平均胸徑為11.04cm，其生長級屬Ⅰ級；其平均立竹度為0.35，屬中產林分。因此，采取經營措施又利于提高毛竹立竹度，提高竹林生產力。

2)調查區毛竹林地土壤中全氮、全磷、速效磷、可溶性有機碳的含量都表現出隨著土層深度的加深而降低的變化特點；研究中發現，表層土壤中的鉀含量最低，這與鉀在土壤中大多呈游離狀態，易淋溶和轉移有關。而采取經營措施的毛竹林地土壤各養分的含量明顯高于粗放經營的毛竹林地，在提高土壤肥力方面，農家肥的效果更優于配比肥。

3)各經營措施下毛竹林各器官的生物量及碳儲量的大小順序均為：竹稈＞竹根＞竹枝＞竹葉。經營措施對碳儲量的影響與對生物量的影響是一致的，采取墾復-施農家肥與墾復-施配比肥兩種措施經營的毛竹林其生物量分別為90.03和84.86t·hm-2，其碳儲量分別為44.00 和41.47t·hm-2，均高于粗放經營毛竹林的生物量和碳儲量(76.69和37.34t·hm-2)，且農家肥的效果要好于配比肥。

4)采取不同措施經營的毛竹林其總碳儲量由高到低依次為：施農家肥的竹林(235.83t·hm-2)＞施配比肥的竹林(229.18t·hm-2)，粗放經營竹林(154.96t·hm-2)。而且，其土壤碳儲量均高于林分碳儲量，是林分碳儲量的3～4倍，土壤碳儲量在不同經營措施下的竹林碳儲量中起著更為重要的作用。根據竹齡和采伐習慣估算，采取經營措施的毛竹林平均每年同化CO2的量(26.11t·hm-2a-1)是粗放經營毛竹林(22.81t·hm-2a-1)的1.14倍。因此，從竹林的長期經營效益和生態效益來看，應采取適度或適當的管理與施肥(尤以農家肥為佳)措施，這樣才可在提高毛竹林生產力的同時增強毛竹林的固碳能力。

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