桂西南連續年齡序列尾巨桉人工林碳儲量及其分布特征

楊衛星+李春寧+付軍+何斌+滕秋梅+呂小燕

摘 要：采用固定標準地法對廣西寧明縣連續年齡系列（1～4年）生尾巨桉人工林的碳儲量和年碳素固定量進行了研究。結果表明：尾巨桉各器官中碳素含量范圍在455.4～502.4 g/kg之間，不同器官碳素含量高低的排列順序為樹葉、樹干、樹皮、樹枝、樹根。林分中不同結構層次碳素平均含量高低的排列順序喬木層、地表凋落物層、灌木層、草本層； 0～80 cm土壤碳素含量均隨林齡的增長而增加。1、2、3和4年生尾巨桉人工林生態系統碳儲量依次為88.42、106.84、122.76和135.30 t/hm2，其中喬木層碳儲量占4.84 %～35.04 %，灌草層占0.38～1.14 %，現存凋落物層占為1.85 %～2.48 %、土壤層占61.77 %～92.90 %. 4個林齡杉尾巨桉人工林喬木層凈生產力依次為9.02、23.26、24.56和24.30 t/（hm2·a），碳素年凈固定量分別為4.30、11.12、11.92和11.84 t/（hm2·a）.

關鍵字：尾巨桉人工林 碳貯量 碳分配 年齡序列 桂西南

森林作為陸地生態系統的主體，是陸地碳庫的主要主持部分，其中地上部分碳貯量占全球陸地碳庫的80 %，土壤部分碳貯量則占全球土壤碳庫約40 %[1]，因此，森林生態系統在全球碳循環中起著非常重要的作用。近年來，通過造林再造林來增強碳吸存能力，從而緩解全球氣候變暖已成為當前減緩大氣中二氧化碳積累速度的一個重要的措施和途徑[2]。近年來，我國學者已先后對中國南方的主要營林樹種馬尾松（Pinus massoniana）[3]、杉木（Cunninghamia lanceolata） [4]、西南樺（Betula alnoides）[5]、馬占相思（Acacia mangium）[6]、米老排（Mytilaria laosensis）[7]等人工林的碳吸存能力進行了研究，為合理評估人工林碳匯功能和生態效益提供了基礎數據。

桉樹（Eucalyptus）原產澳大利亞及其鄰近島嶼，是世界三大人工林樹種之一。我國自1890年開始引種桉樹，至今已有120多年歷史，廣西作為中國桉樹種植面積最大的省區，其種植面積達到約200 萬hm2，種植面積和蓄積量均居全國第一位[8]。尾巨桉（Eucalyptus urophylla ×E.grandis） 由巨桉（Eucalyptus. grandis）和尾葉桉（Eucalyptus urophylla）雜交獲得的雜交種，具有速生豐產、抗病能力強，干形圓滿通直和經濟效益好等優點，成為目前中國南方大規模推廣種植要桉樹優良品種（品系）之一，經濟效益和社會效益極為顯著。國內有關桉樹人工林碳貯量的研究已有一些報道[9-11]。桂西南是我國桉樹速豐林建設的重要基地，本文通過對位于該區域的廣西寧明縣尾巨桉人工林生態系統碳素含量、儲存量和年碳固定量進行連續4年的定位觀測，以揭示該人工林生態系統碳素儲量及其分布格局的變化特征，為正確評價該人工林生態系統碳匯功能提供了科學依據。

1 研究區概況

研究區位于廣西西南部的寧明縣城中鎮懷利村。寧明縣處北回歸線以南，地理坐標為北緯21°51′～22°58′，東經106°38′～107°36′，屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，光、熱、水充足。年平均氣溫22.1℃，雨量充沛，年平均降雨量1200 mm，年平均日照時數1700 h，試驗地屬低丘陵地貌類型，海拔120 ～150 m，，土壤為砂巖夾紫色頁巖發育形成的赤紅壤，土層厚度70 ～120 cm。前茬為馬尾松（Pinus massoniana）純林，于2010年7月采伐馬尾松林，經煉山和整地后于2011年11月初用尾巨桉DH32-29組培苗定植，造林密度約1920 株/hm2（株行距約2 m×2.6 m）。定植前每穴施0.50 kg桉樹專用基肥，造林后當年7月底結合鏟草撫育施0.10 kg尿素，9 月中旬及2013年4月再結合鏟草撫育分別施0.50 kg桉樹專用追肥。各不同林齡尾巨桉人工林林分特征見表1。

2 研究方法

2.1 標準地設置和林分生物量測定

于2012年11月即定植后1年的尾巨桉人工林中，選擇立地條件基本一致、林木生長中等的地段設置3塊20 m×20 m 固定樣地，于2012年至2015年的每年11月月底分別對各固定樣地林木生長指標（樹高和胸徑）進行觀測，根據林分生長調查結果，分別在固定樣地外圍選擇3株平均木，地上部分采用Monsic分層切割法分別收集樹葉、樹枝、樹皮和樹干；地下部分采用全根挖掘法收集[12]。分別測定各器官鮮質量，然后采集不同器官樣品500～600 g帶回實驗室于80°C 恒溫下烘至恒重，測定含水率和干質量，計算喬木層生物量；同時在各標準樣地內設置5個1 m×1 m樣方，采用樣方法測定灌木、草本層和現存凋落物層鮮質量， 同時分別取樣測定其含水率和干重，計算灌木層、草本層和凋落物層生物量。

2.2 樣品采集和養分元素分析

將于80°C 恒溫下烘干的喬木層各器官樣品以及灌木層、草本層和凋落物層部分樣品分別粉碎、裝瓶待測。在每塊標準地按上、中、下設置3個采樣點，用取土器分層按每層次20 cm 采集0～80 cm深土壤，同一標準地相同層次土壤混合后按四分法取樣約500 g，帶回實驗室，經晾干和粉碎后裝瓶待測。

植物、土壤樣品中碳素含量均采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[13]。

2.3 數據處理與分析

植物碳儲量（t/hm2）=植物生物量（t/hm2）×植物碳素含量（g/kg）÷1000；

土壤碳儲量（t/hm2）= hm2面積（m2）×土層厚度（m）×土壤容重（g/cm3）×有機碳含量（g/kg）÷1000；

喬木層各器官年凈固碳量{t/（hm2·a）}=喬木層各器官年平均生物量（t/hm2）×各器官碳素含量（g/kg）÷1000，其中喬木層各器官年平均生物量均按林分年齡即31年計算。

利用Excel2003軟件進行常規數據處理，應用SPSS17.0進行統計分析。

3 結果與分析

3.1 生態系統不同結構層次碳素含量

3.1.1 喬木層各器官碳素密度 從表2可見，尾巨桉中不同器官碳素含量為455.4～502.4 g/kg。不同林齡各器官碳素含量由高到低排序大致為樹葉、樹干、樹枝或樹根、樹皮。各器官碳素含量與林齡增長的變化規律存在一定差異，樹根碳素含量表現出隨林齡增長而緩慢增加，樹葉和樹干碳素含量呈現隨林齡增加而先逐漸增加（1年生至3年生）再下降（3年生至4年生）的變化，樹枝和干皮則呈現先下降（1年生至2年生）再逐漸升高（2年生至4年生）的變化趨勢。總的來看，不同林齡尾巨桉中平均碳素含量表現出隨林齡增長而緩慢升高的變化趨勢，但不同林齡之間碳素含量的差異均不顯著（ p>5）。

3.1.2 林下植被和土壤層碳素含量 尾巨桉人工林不同結構層次林下植被碳素含量存在一定差異，灌木層為436.2～450.5 g/kg，草本層為422.5～428.0 g/kg，現存凋落物層為459.7～468.5 g/kg（表3）。林分植物層中不同結構層次碳素含量總體表現為：喬木層>凋落物層>灌木層>草本層。受表層土壤凋落物分解作用的影響，不同林齡桉樹人工林土壤有機碳含量在剖面垂直分布上均以0～20 cm土層有機碳含量最高，且明顯高于其它土層，隨著土層加深，相鄰土層有機碳含量的差異逐漸減小。

3.2 生態系統碳儲量及其分配

3.2.1 植被層碳貯量 從表4可見，桂西南1、2、3和4年生尾巨桉人工林生態系統植被層碳貯量分別為6.26、24.88、39.80和52.01 t/hm2，其變化呈現隨林齡增加而增大，其中喬木層碳儲量分別為4.30、22.23、35.79和47.33 t/hm2，依次占生態系統植被層碳貯量的68.69 %、89.35 %、89.92 %和91.00 %。灌草層碳儲量雖然呈現出與喬木層相碳貯量相同的變化趨勢，但由于受撫育除草等人為干擾的影響，1～4年生尾巨桉人工林灌草層生物量和碳儲量均較小，其碳儲量（0.34～1.55 t/hm2）僅占生態系統植被層碳貯量的2.98 %～5.43 %，均隨林齡增長而逐漸減少。1～4年生尾巨桉人工林凋落物層碳儲量為1.64～3.35 t/hm2，表現出林齡增長而增加的趨勢。

3.2.2 土壤層碳貯量 1、2、3和4尾巨桉人工林土壤碳儲量分別為82.16、81.96、82.83和83.57 t/hm2（表4），表現出隨林齡增長先緩慢下降（1～2年生）再逐漸增加（2～4年生）的趨勢。不同林齡土壤碳儲量在土壤剖面垂直分布上均表現出隨土層加深而減少的趨勢，其中0～20 cm土層碳儲量占土壤總碳儲量的34.35 %～34.94 %，均明顯高于其他土壤層次，而不同林齡尾巨桉人工林土壤碳儲量之間的差異均較小。

3.2.3 生態系統碳貯量及其空間分配

從表3可見， 1、2、3和4年生尾巨桉人工林生態系統碳儲量分別為88.42、106.71、122.63和135.08 t/hm2，呈現隨林齡增長而增大的趨勢。其中喬木層碳儲量分別占4.86 %、20.81 %、29.18 %和34.83 %，隨林齡增長而增大；灌草層碳儲量分別占0.38 %、0.42 %、1.12 %和1.15 %，現存凋落物層碳儲量依次占1.85 %、2.06 %、2.24 %和2.48 %；土壤層（0～80 cm）碳儲量（82.16～83.57 t/hm2）隨林齡增加的的變化幅度雖然不大，但其所占比例（61.50 %～92.92 %）表現出隨林齡增長而逐漸下降。可見各林齡尾巨桉人工林生態系統碳貯量的差異主要表現在喬木層碳貯量的差異，其他結構層次的影響并不大。

3.3 喬木層碳素年凈固定量

從表5可見， 1、2、3和4年生尾巨桉人工林喬木層年凈生產力分別為9.02、23.26、24.56和24.30 t/（hm2·a），年碳凈固定量依次為4.30、11.12、11.92和11.84 t/（hm2·a），其中1～2年生快速增長，2～3年生增速減慢，3～4年年生基本保持較高的碳素年凈固定量。喬木層各器官的碳素年凈固定量均以干材最大，占喬木層年凈固定量為39.53%～65.79 %，最小是樹葉或樹皮。

4 結論與討論

桂西南1，2、3和4年生尾巨桉人工林生態系統總碳貯量分布為88.42、106.71、122.63和135.30 t/hm2，其中喬木層碳儲量分別為4.30、22.23、35.79和47.33 t/hm2，分別占生態系統碳儲量的4.86 %、20.81 %、29.18 %和34.83 %。由于受到人工除草撫育的影響，灌草層生長較差，其碳儲量分別為0.34、0.45、1.40和1.55 t/hm2，占生態系統碳儲量僅分別為0.38 %、0.42 %、1.12 %和1.15 %，現存凋落物層灌草層碳儲量分別為1.64、2.20、2.75和3.35 t/hm2，依次占生態系統碳儲量的1.85 %、2.06 %、2.24 %和2.48 %。

1～4年生尾巨桉人工林土壤儲量（82.16～83.30 t/hm2）均較低，明顯低于中國森林土壤平均碳貯量（193.55 t/hm2）和世界土壤平均碳貯量（189.00 t/hm2）[14]，也低于中國熱帶林土壤碳貯量（116.49 t/hm2），但略高于同處于南亞熱帶地區的廣東鼎湖山50年以上的馬尾松林土壤碳儲量（73.71 t/hm2） [15]，而1～4年生尾巨桉人工林土壤有機碳含量和儲量總體上呈現緩慢的增長趨勢，說明尾巨桉人工林生長過程對土壤有機質的生物積累具有一定的促進作用。

1、2、3和4年生尾巨桉人工林年碳凈固定量依次為4.30、11.12、11.92和11.84 t/（hm2·a）以上。與本研究相比，相近區域廣西南丹縣速生階段禿杉林喬木層碳素年凈固定量為3.82 t/（hm2·a） [5]，廣西天峨縣速生階段（12年生）西南樺人工林喬木層碳素年凈固定量為4.77 t/（hm2·a） [16]，廣西中部丘陵區14年生馬尾松人工林喬木層碳素年凈固定量為3.85 t/（hm2·a） [17]，浙江臨安竹林喬木層碳素年凈固定量為5.10 t/（hm2·a） [18]1，福建省建甌縣第一代杉木中齡林（20年生）林喬木層碳素年凈固定量為5.55 t/（hm2·a） [19]廣東雷州（廣東省廉江市）4.5年生尾巨桉人工林喬木層喬木層碳素年凈固定量為5.03 t/（hm2·a） [11]。可見， 桂西南尾巨桉人工林具有很強的碳吸存能力。由于本研究中4年生尾巨桉人工林還處于快速生長階段，還具有較大生物量積累和固碳潛力，而短輪伐期經營桉樹人工林不利于林地地力的恢復和維持。因此，在適地適樹的前提下，采取科學的經營管理措施在桂西南地區合理經營和發展尾巨桉人工林，如適當延長輪伐期以培育經濟價值更高的桉樹大徑材，將有利于林地地力的恢復和維持，充分發揮桉樹人工林兼具經濟效益和生態效益功能，促進尾巨桉人工林的可持續經營和發展。

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