太行山東坡不同林齡杏樹林碳儲量及其分配特征

沈會濤,張 韜,馬文才,秦彥杰,武愛彬,曹建生,趙艷霞,鄭振華,*

1 河北省科學院地理科學研究所, 石家莊 050021 2 河北省地理信息開發(fā)應用工程技術研究中心, 石家莊 050021 3 河北省科學院, 石家莊 050051 4 中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心, 石家莊 050021

森林在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。通過造林和合理的森林經營管理可增加森林碳匯功能及潛力,能有效減緩氣候變化[3-4]。因此,開展人工林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡動態(tài)研究,已成為國際社會關注的熱點[5- 11]。

我國經濟林面積約0.11億hm2,占全國土地總面積1.1%,占世界經果林總面積23%[12]。與森林生態(tài)系統(tǒng)相比,人為干擾增加了經濟林碳儲量研究的復雜性,盡管國內外學者已開展相關研究,但大多僅限于經濟林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量現狀,如郭雪艷等[12]對上海地區(qū)桃樹(Amygdaluspersica)和柑橘(Citrusreticulata)的植被層和土壤層碳儲量以及喬木層年凈固碳量進行估測。此外,也有學者針對不同經營年限的經濟林土壤碳庫特征進行了分析,如王義祥[13]研究了不同經營年限柑橘(C.reticulata)園土壤碳庫的變化特征;甘卓亭等[14]對蘋果(Maluspumila)園不同林齡的土壤碳庫進行了分析。

目前, 有關經濟林隨林齡增長而導致其生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化規(guī)律的研究還較為缺乏。為此,本文選擇太行山東坡具有相似立地條件與管護措施不同林齡的杏樹(Armeniacavulgaris)人工林為對象,通過樣地調查與室內實驗分析相結合,測定喬木層和土壤層的含碳率,研究不同林齡階段的碳儲量及其分配特征,從而為山區(qū)經濟林碳匯評價與林分經營管理提供基礎數據和理論基礎。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于位于太行山東麓(38°05′N,114°18′E),距離河北省石家莊市區(qū)約30 km。該研究區(qū)為低山丘陵區(qū),主要地貌類型是以中、低山為主體的土石山區(qū),地帶性土壤以褐土為主。氣候屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候,四季分明。年均氣溫為13.9℃,最熱月7月和最冷月1月的月平均氣溫分別為27.2℃和-1.7℃。年降水量為542.2 mm,降水主要集中于7、8兩個月,占全年降水總量的56%。年日照時數為1776.9 h,無霜期日數平均為219 d[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置

野外調查于2015年9—10月進行。根據研究區(qū)內全面踏查情況,選取4、8、12年生和16年生生杏樹林為研究對象,每個林齡分別設置3個20 m×20 m樣地。對每個樣地進行每木檢尺,測定樹高、冠幅、基徑,樣地基本情況見表1。

1.2.2 樣品采集和碳含量測定

生物量調查及樣品采集：在標準樣地中找與平均基徑、平均樹高接近并干形比較圓滿的單株樹作為解析木。4個樣地共選擇12株杏樹伐倒,分別測定干、枝、葉生物量(不含果實);根系采用全挖法,由于<5 mm樹根很難獲取,所以本文中樹根不包括此部分[5,16]。同時取部分樣品帶回實驗室于80℃烘干測定其含水率,換算干生物量。由于杏樹樹高受人為剪枝等影響,本研究采用基于基徑(D)為自變量的冪函數模型[16],計算喬木層各器官生物量(表2),進一步求和得到單株生物量和樣地內喬木層的生物量[2]。此外,在除草、翻耕和采摘等人為干擾下,樣地內雜草和枯枝落葉較少,所以未對草本層和枯落物層進行采樣。

表1 不同林齡杏樹林基本特征

表2 杏樹單株生物量方程

W：生物量Biomass;D：基徑Diameter at basal height

土壤樣品采樣：在每個樣地內按“品”字形隨機選取3個取樣點,采用土鉆法,按0—20、20—40、40—60 cm和60—100 cm分層鉆取土壤樣品,將同一土層樣品混合,置于自封袋中帶回實驗室。同時,在樣方內選取一塊具有代表性的地段挖取土壤剖面,層次劃分與土鉆法相同,使用環(huán)刀法取各層原狀土,每層3個重復,樣品帶回實驗室于105℃下烘干至恒量,稱其干質量后計算土壤容重。

碳含量測定：各組分植物混合樣于80℃下烘干、粉碎過60目土壤篩;各層土壤混合樣去除根系與粗石,風干、磨碎過60目土壤篩。所有土壤和植物樣品的有機碳含量均采用重鉻酸鉀氧化外加熱法[17]測定。

1.2.3 碳貯量的計算

喬木層碳儲量[17]計算公式：

式中,TAOC為喬木層總有機碳儲量(Mg/hm2);Ci為各組分(樹根、樹干、樹枝和樹葉)有機碳含量(Mg/Mg);Bi為對應部分碳生物量(Mg/hm2)。

土壤有機碳儲量計算公式[6,18]如下：

式中,TSOC為土壤總有機碳儲量(Mg/hm2);Ci為第i層土壤有機碳含量(g/kg);Li為第i層土壤厚度(cm);BDi為第i層土壤容重(g/cm3);Gi為第i層土壤中直徑≥2 mm礫石的體積含量(%),0.1為單位換算系數[6]。

生態(tài)系統(tǒng)碳貯量為喬木層碳儲量和土壤層碳儲量之和。

1.3 數據處理

利用Excel 2010和SPSS 18.0軟件分別進行作圖和數據統(tǒng)計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差數法(LSD)進行差異顯著性檢驗(α=0.05)。圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 杏樹人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳含量特征

2.1.1 喬木層碳含量

不同林齡杏樹各器官碳含量在447.3—488.1 g/kg(圖1)。林齡僅對樹干的碳含量有顯著影響(P<0.05),隨著林齡的增長,樹干的碳含量呈減小趨勢,4年生顯著高于后3個林齡段。不同林齡間樹根、樹枝和樹葉的碳含量差異不顯著：樹根碳含量隨林齡的增長而增大;樹枝碳含量隨林齡增長呈現先增加后減小趨勢;樹葉碳含量無明顯規(guī)律性。不同器官間碳含量明顯不同,以樹干最高,樹葉最低,大小順序為：樹枝(473.3 g/kg)>樹干(469.9 g/kg)>樹根(469.4 g/kg)>樹葉(449.8 g/kg)。

2.1.2 土壤碳含量

不同林齡杏樹林土壤層碳含量在1.3—10.2 g/kg(圖2)。同一土層不同林齡間碳含量差異顯著,0—100 cm各土層碳含量隨林齡的增長而增大。不同杏樹林土壤層都表現出明顯的垂直分布特征,0—20 cm土壤層碳含量均顯著高于下層土壤,并隨著土壤層深度的增加逐漸減小。

圖1 不同林齡杏樹人工林喬木層各器官碳含量 Fig.1 Carbon contents in different organs of arbor layer in the plantations at different stand ages不同大寫字母表示林齡間差異顯著,不同小寫字母表示器官間差異顯著(P<0.05)

圖2 不同林齡杏樹人工林各土壤層碳含量 Fig.2 Soil C contents in different soil layers in the apricot plantations at different stand ages不同大寫字母表示林齡間差異顯著,不同小寫字母表示各土壤層差異顯著(P<0.05)

2.2 杏樹人工林碳儲量及分配

圖3 杏樹人工林喬木層各器官生物量的分配比例 Fig.3 Biomass allocation of different organs in arbor layer in the apricot plantations

2.2.1 喬木層生物量、碳儲量及分配

4、8、12年生和16年生杏樹林喬木層生物量分別是0.26、6.18、11.02 Mg/hm2和21.90 Mg/hm2。樹根和樹干生物量分配隨林齡的增長而逐漸增大,樹枝和樹葉生物量分配則呈相反趨勢(圖3)。喬木層各器官碳儲量隨林齡的變化趨勢與生物量變化特征較為一致,各器官碳儲量隨林齡的增長而顯著增大(表3)。林齡對喬木層各器官碳儲量分配有顯著影響,隨著林齡的增長,碳儲量在樹根和樹干的分配增加,而在樹枝和樹葉的分配下降。樹枝和樹葉碳儲量所占比例從4年生的30.7%和24.6%分別下降到13.3%和5.6%;樹干的變化趨勢正好相反,其碳儲量所占比例由4年生的17.9%增加到16年生的54.5%;樹根碳儲量所占比例則呈現先增加后減小的趨勢。

2.2.2 土壤層碳儲量及分配

杏樹林各土壤層碳儲量隨林齡的增長而增大,4年生杏樹林各土壤層碳儲量顯著低于其他3個林分(圖4);8、12年生和16年生3種林齡對0—20 cm和60—100 cm土層土壤碳儲量的影響均不顯著。土壤層對各林齡杏樹林土壤碳儲量有顯著影響;各林齡土壤碳儲量隨土壤層加深表現出先減少后增加的趨勢,40—60 cm土壤層土壤碳儲量最低。0—40 cm土壤層土壤碳儲量占土壤層總碳儲量(0—100 cm)的52.7%—59.7%,可見,0—40 cm土壤層對土壤總碳儲量的貢獻較大。

表3 杏樹人工林喬木層碳儲量特征/(Mg/hm2)

同列不同大寫字母表示林齡間差異顯著;同行不同小寫字母表示器官間差異顯著(P<0.05)

圖4 杏樹人工林各土壤層碳儲量Fig.4 Soil C storage in apricot plantations 不同大寫字母表示林齡間差異顯著,不同小寫字母表示各土壤層間差異顯著(P<0.05)

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及分配

由表4可以看出,不同林齡杏樹林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量在27.810—102.336 Mg/hm2;林齡對杏樹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量有顯著影響,喬木層和土壤層土壤碳儲量均隨林齡的增長而增大。不同林齡杏樹林各組分碳儲量比例不同。4、8、12年生和16年生杏樹林喬木層占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的比例依次是0.4%、4.0%、6.3%和9.9%,隨林齡的增長而增大;不同林齡杏樹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要集中在土壤層,占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的90.1%—99.6%。

3 討論

本研究中,杏樹林喬木層各器官的碳含量(447.3—488.1 g/kg)與艾澤民等[17]對黃土丘陵區(qū)刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林喬木層的碳含量(435.9—493.4 g/kg)和Elias等[19]測定的32 個熱帶森林樹種碳含量(444.0—494.5 g/kg)相似,低于明安剛等[4]對格木(Erythrophleumfordii)人工林喬木層碳含量(509.0—572.4 g/kg)和楊麗麗等[20]對六盤山白樺木(Betulaplatyphylla)林喬木層碳含量(533.1—565.2 g/kg)。這表明碳含量大小與樹種的關系極為密切,不同樹種的碳含量有明顯差異[4,21]。目前,在計算森林碳儲量時的通用碳系數為0.5或者0.45[3]。杏樹林喬木層平均碳含量在該范圍內,但4個林齡段的碳含量不同,可見,在估算該地區(qū)杏樹林碳儲量時,可以利用這一通用碳系數,但若要研究不同林齡的碳儲量狀況,利用這一碳系數可能會低估或高估了杏樹林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量,導致結果存在偏差。

表4 杏樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分配格局/(Mg/hm2)

同行不同大寫字母表示不同林齡間差異顯著(P<0.05)

杏樹林(4—16年生)生態(tài)系統(tǒng)中喬木層的碳儲量(0.122—10.144 Mg/hm2)與岷江干旱河谷岷江柏(Cupressusc℃hengiana)人工林(4—13年生)喬木層碳儲量(0.163—14.006 Mg/hm2)[7]及黃土丘陵區(qū)刺槐人工林(9—17年生)喬木層碳儲量(11.7—12.9 Mg/hm2)[17]相似。與其他經濟林相比較,本研究8年生杏樹林喬木層碳儲量(2.876 Mg/hm2)低于福建7 年生柑橘園喬木層碳儲量(4.75 Mg/hm2)[22]和上海7年生桃園和柑橘園的喬木層碳儲量(分別為15.91 Mg/hm2和23.54 Mg/hm2)[12]。這種差異主要受樹種類型、立地條件、氣候條件和管理措施等因素影響[23]。此外,杏樹林作為一種典型的農用型植被類型,其碳循環(huán)過程受到人類管理措施(間伐、除草、剪枝、翻耕和對果實的收獲等)的影響,在實際生產過程中,地被雜草、枯枝落葉和果實迅速歸還土壤或被帶走[24],這些構成杏樹林生態(tài)系統(tǒng)中暫時性或流動性的植被層碳庫。因此,杏樹林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層的實際碳儲量將大于本研究結果。此外,4—16年生杏樹林喬木層碳儲量分配格局隨林齡增長而變化。4年生杏樹林喬木層碳儲量主要分布于樹枝,約占30.7%;而16年生杏樹林樹干碳儲量所占比例最大,達到54.5%。艾澤民等[17]研究表明,9年生和17年生刺槐人工林喬木層碳儲量以樹干所占比例最多,分別為55.4% 和63.3%。胡亞林等[10]研究發(fā)現,退耕5年和退耕10年生楊樹(Populussimonii)人工林生物量碳儲量主要分布于樹干,分別為41.1%和45.9%。喬木層各器官碳儲量分配的差異性可以歸因于樹木個體各器官不同的生長規(guī)律,是樹木個體各器官之間及與環(huán)境之間長期相互作用和適應的結果[25]。

土壤碳庫是在氣候、植被覆蓋、地形、人為活動等因素影響下有機碳輸入與輸出之間平衡的結果[26-27]。本研究中,杏樹林土壤碳含量和碳儲量隨林齡增加而增大,這主要是由于在杏樹林生長過程中,根系生長代謝增加了土壤碳儲量。除受自然環(huán)境影響外,不同林齡階段杏樹林土壤碳庫的差異并不能完全排除人類活動(修剪、施肥、灌溉、翻耕、高密度栽植等)的影響[23]。韓營營等[28]對不同林齡白樺林及侯浩等[29]對小隴山不同林齡銳齒櫟林(Quercusalienavar.acuteserrata)的研究均表明,土壤碳儲量隨林齡的增長而增大;然而,齊光等[30]的研究表明,大興安嶺林區(qū)興安落葉松(Larixgmelinii)人工林土壤碳儲量隨林齡增加,呈先減少后增加的變化趨勢。土壤碳庫隨林齡的變化具有不確定性,受林齡、樹種、原有土地利用類型等多種因素制約[6,30]。此外,本研究中杏樹林各林齡土壤層碳含量和碳儲量均為表層(0—20 cm)最大,隨土壤層深度的增加而逐漸降低,這主要是由于表層土壤能夠直接接收植物殘體和根系生長代謝輸入的有機碳[2, 17];杏樹林各林齡0—40 cm土層碳儲量占土壤層總碳儲量的52.7%—59.7%,這與王衛(wèi)霞等[31]和艾澤民等[17]的研究結果相一致,可見土壤中的碳庫主要集中在表層,具有明顯的表層富集作用。

森林組成、林齡、密度、林分起源以及森林經營活動對生態(tài)系統(tǒng)碳儲量有明顯影響[17,32- 34]。有研究表明,油松(Pinustabuliformis)[2,35]、岷江柏[18]、刺槐[17]和格木[4]人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量均隨著林齡增長而增加。本研究中,4—16年生杏樹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量也表現出相一致規(guī)律,隨林齡的生長能持續(xù)地積累有機碳。4、8、12年生和16年生杏樹林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲量為71.311 Mg/hm2,遠低于我國森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲量(258.82 Mg/hm2)[36]。杏樹林喬木層碳儲量分配比例隨林齡的增長而增大,土壤層碳儲量分配比例呈減少趨勢,這在5—30年生油茶林[37]、1—10年生花椒林[17]和3—27年生馬尾松林[33]等人工林生態(tài)系統(tǒng)中也存在類似變化規(guī)律。隨林齡增長,根系生長代謝以及外源性有機質的輸入,促進土壤碳積累,但部分碳被消耗來供給植被生長[38]。因此,隨林齡增長,森林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層碳儲量分配比例呈上升趨勢,而土壤層碳儲量分配比例呈下降趨勢[39]。

本研究中存在一些不足之處,如細根生物量數據不完整以及間伐對不同林齡杏樹林碳儲量的影響,都有待于進一步調查研究。現今經濟林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的估算存在較大的不確定性。本研究采取樣地調查與室內分析相結合的方法估算太行山東坡不同林齡杏樹林碳儲量,可能會出現結果與真實值的偏差。今后有必要開展果園管理與種植技術改進等相關研究,為保持并提高其碳貯存能力提供進一步的科學依據。

4 結論

(1)樹干碳含量隨林齡的增長而顯著降低(P<0.05),其他器官碳含量隨林齡的增長變化規(guī)律并不顯著。隨林齡的增長,0—100 cm各土層碳含量顯著增大(P<0.05);不同林齡杏樹林土壤有機碳含量隨著土層的加深而逐漸降低。

(2)杏樹林喬木層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量均隨林齡的增長而顯著增大(P<0.05); 4年生杏樹林喬木層碳儲量分配以樹枝為主,隨林齡增長,樹干成為喬木層碳儲量的主體;0—40 cm土層碳儲量占土壤層總碳儲量的52.7%—59.7%,具有明顯的表層富集作用;土壤層是杏樹林生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫,占總碳儲量的90.1%—99.6%。