海南文昌不同林齡木麻黃人工林碳儲量分配格局

宿少鋒 ，薛 楊 ，楊眾養(yǎng) ，王小燕 ，林之盼

（1.海南省林業(yè)科學研究所，海南 海口 571100；2. 海南文昌森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，海南 文昌 571300）

近30年來，隨著全球CO2濃度不斷增加，氣候惡化成為人類生存所面臨的主要的環(huán)境問題，碳匯林業(yè)成為全球范圍內(nèi)的重點。如何提高森林碳儲量和森林碳匯，成為現(xiàn)代林業(yè)生態(tài)建設的重要研究方向［1］，通過準確、規(guī)范地估算森林的碳儲量能力和碳匯值，不僅可以科學解決全球碳排放不均衡問題，也是推動增匯減排綠色健康林業(yè)的發(fā)展要求。

森林是全球陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大有機碳庫，貯有1 146 PgC，占整個陸地碳庫的56%［2］。森林生態(tài)系統(tǒng)是整個陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能的核心部分，對氣候調(diào)節(jié)具有不可替代的作用，在全球碳循環(huán)研究中具有極其重要的地位。近年來不少學者按國際上常用的樹木碳含量值0.45～0.50來測定森林碳儲量［4-8］，碳含量的數(shù)值大小也是引起碳儲量估算差異不容忽視的因素。由于受技術條件等因素影響，多集中在喬木層生物量及碳儲量的研究，而涉及生態(tài)系統(tǒng)層次的較少，不能充分反映生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量特征。

木麻黃是海南沿海防護林主要樹種，在熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要地位，據(jù)第8次全國森林資源清查數(shù)據(jù)，木麻黃在廣東、福建、海南等地種植面積達到30萬hm2［6］，由于其面積大、生長快，具有良好的碳匯功能。我們以海南文昌市不同林齡的木麻黃林為研究對象，利用實測模式探索木麻黃碳儲量與林齡變化的規(guī)律，為區(qū)域尺度上估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫及碳平衡提供參考依據(jù)，為正確評價森林在全球碳平衡中的作用提供理論依據(jù)，對海南地區(qū)沿海防護林更新改造和提供生態(tài)系統(tǒng)碳儲量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

文昌市位于海南省的東（110°36′30″～111°07′28″E，19°09′34″～19°37′27″），地處海南島最北端，屬熱帶季風氣候區(qū)域。受南海海洋氣候影響較大，該區(qū)終年氣溫高，寒暑變化不大，四季溫暖；年均降水量1 721.6 mm，5～10月為雨季，降水量占全年的80.2%，臺風季節(jié)雨水增多；年平均氣溫25.5℃，7月份氣溫最高，月平均29.3℃，1月份氣溫最低，月平均20.7℃。

1.2 樣地選擇

2015年6～7月在文昌市島東林場布設樣地，按照不同的林組選取木麻黃人工林幼齡林（≤5年）、中齡林（5～10年）、近熟林（11～15年）、成熟林（16～25年）、過熟林（≥26年），分別在樣地內(nèi)設置3塊20 m×20 m的樣方，共設置15塊。所有樣方的立地條件、生長環(huán)境條件均一致，每個樣方間距大于20 m。各樣方林分特征見表1。

表1 樣方基本特征情況

1.3 木麻黃標準木生物量測定

對木麻黃人工林標準地進行每木檢尺，用胸徑尺測定胸徑，用測高儀測定樹高。在每塊樣地內(nèi)確定1株代表林分平均胸徑和平均樹高的標準木進行生物量測定，共選擇15株標準木。將木麻黃標準木沿地表水平面伐倒，采用Monsi分層切割法［7］，地上部分按樹高的1/10進行區(qū)分，分成樹干、樹皮、樹枝和樹葉各部分；地下部分采用全根挖掘法，將不同根系分為細根（根徑＜2 cm） 、粗根（根徑2～5 cm）、主根（根徑＞5 cm）。野外實測各部分鮮重，樹枝、樹葉和樹根各部分取樣500 g，同時截取每段樹干底部圓盤（厚度3 cm）作為樣品，帶回實驗室進行含水量測定并計算干質(zhì)量。為估測木麻黃人工林各器官的生物量，根據(jù)15株標準木生物量的實測數(shù)據(jù)，建立木麻黃各器官生物量之間的相對生長方程［8］：W=aDbHc（常數(shù)a、胸徑D的b次冪與樹高H的c次冪的乘積），分別見表2。

表2 木麻黃各器官生物量與樹高、胸徑的相對生長方程

1.4 枯落物生物量測定

采用全部收獲法，將3個1 m×1 m樣方內(nèi)的枯落物全部收集，稱取鮮重。分別取500 g樣品帶回實驗室， 置于75℃烘箱中烘干至恒重，計算各部分含水率。

1.5 土壤容重測定

每個林齡選擇1個樣方挖取1個土壤剖面，采用分層采樣，按 0～10、10～20、20～40、40～60 cm分4層收集土壤樣品，并將同一樣方內(nèi)不同采樣點同一層次的土壤樣品等量混合后，分別取1 kg帶回實驗室，置于報紙上，風干，過0.05 cm篩，研磨放入鐵盒中備用，同時采用環(huán)刀法測定樣方土壤容重。

1.6 碳含量與碳儲量測定

植物碳和土壤碳含量測定：均采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化外加熱法。

不同器官碳儲量測定：選擇各林分標準喬木層（干、枝、葉、皮、果和根）及枯落物層單位面積生物量與其含碳量的乘積得到不同組分的碳儲量［9］。

土壤有機碳儲量計算公式為：

式中，SOCi為單位面積土壤第i層土壤碳密度（t/hm2），i為土壤剖面所對應的層數(shù)，Bi為土壤容重（g/cm3），Ci為土壤剖面第i層土壤有機碳的含量（g/kg），Di為不同土層的厚度（cm），0.1為單位換算系數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007和SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳含量

從表3可以看出，不同林齡木麻黃人工林喬木層各器官含碳量變化范圍在45.4%～52.6%之間，其中，幼齡林木麻黃各器官含碳量與其他4個林階（中齡林、近熟林、成熟林、過熟林）各器官含碳量存在顯著差異，而相同林齡不同器官平均含碳量間也存在顯著差異；不同林齡木麻黃以樹根的含碳量最大，樹枝的含碳量最小，各器官平均含碳量大小依次為樹根＞樹葉＞果實＞樹干＞樹枝＞樹皮。

表3 不同林齡木麻黃人工林器官碳含量（%）

從表4可以看出，不同林齡木麻黃人工林枯落物含碳量變化范圍在46.9%～50.4%之間，平均為49.1%，幼齡林木麻黃枯落物含碳量與其他林齡間差異顯著，各林齡枯落物平均含碳量大小依次為過熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林。同一林齡木麻黃人工林土壤含碳量變化范圍在0.08%～0.93%之間、平均為0.36%，且相同林齡不同土層含碳量差異顯著；隨著林齡的增加，土壤含碳量呈遞增趨勢，各林齡土壤平均含碳量大小表現(xiàn)為過熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林，其中幼齡林與中齡林、近熟林相同土壤層間含碳量差異不顯著，但幼齡林（及中齡林、近熟林）與成熟林、過熟林相同土層間含碳量差異顯著，各個林齡均以0～10 cm表層土壤含碳量最高，且隨著土層的增加呈遞減趨勢。

表4 不同林齡木麻黃人工林枯落物層及土壤層碳含量（%）

2.2 不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳儲量

2.2.1 喬木層碳儲量及其分配 從表5可以看出，不同林齡喬木層碳儲量分別為幼齡林27.1 t/hm2、中齡林56.0 t/hm2、近熟林99.8 t/hm2、成熟林165 t/hm2、過熟林233.1 t/hm2，表明不同林齡木麻黃喬木層各部位碳儲量變化規(guī)律基本一致，均為樹干最大，隨著林齡的增加，各類器官的碳儲量也明顯增加；不同林齡喬木同一器官的碳儲量均呈顯著差異，除中齡林、近熟林枝與葉間差異不顯著外，同一林齡不同器官間也均呈顯著差異。其中，幼齡林樹干碳儲量占幼齡喬木層碳儲量的41.7%，中齡林占42.5%、近熟林占42.8%、成熟林占43.3%、過熟林占42.0%；果實碳儲量占喬木層碳儲量的比例最小，平均小于2%。喬木層各器官碳儲量平均含量分配表現(xiàn)為樹干＞樹葉＞樹枝＞樹根＞樹皮＞果實。林齡對喬木層各器官碳儲量分配具有顯著影響（圖1），隨著林齡的增加，碳儲量在樹干、樹枝的分配比例先增加后減少，而樹根、果實分配比例增加。

圖1 不同林齡木麻黃喬木層各器官碳儲量及其分配

表5 不同林齡木麻黃人工林碳儲量分布（t/hm2）

2.2.2 地被層碳儲量及其分配 從表6可以看出，相同林齡木麻黃人工林各土層碳儲量隨著林齡的增加而遞減，均表現(xiàn)為表層（0～10 cm）最大、底層（40～60 cm）最小；同一土層，隨著林齡的增加，土壤碳儲量先增大后減小，成熟林土壤碳儲量達到最大值，各林齡土壤碳儲量大小依次為成熟林＞近熟林＞過熟林＞中齡林＞幼齡林；枯落物層碳儲量隨著林齡的增加而增大。相同林齡 0～10、10～20、20～40 cm土層間均呈顯著差異（P＜0.05），相同土層不同林齡間部分顯著性不一。

2.3 不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳儲量分布格局

由圖2可知，各林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量依次為過熟林（255.68 t/hm2＞成熟林（200.52 t/hm2＞近熟林（123.95 t/hm2）＞中齡林（72.95 t/hm2）＞幼齡林（39.55 t/hm2）。喬木層和土壤層碳儲量為生態(tài)系統(tǒng)主要碳庫，兩者共占木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量98%以上，其中喬木層碳儲量約占79.85%，為第一碳庫，而凋落物所占比例＜2%。林齡對木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分布格局有顯著影響。喬木層碳儲量均隨著林齡的增加而增大，各林齡所占比例分別為近熟林68.52%、中齡林76.76%、近熟林80.52%、成熟林82.28%和過熟林91.17%。而土壤層碳儲量分配比例隨林齡的增加而減小，所占比例分別為幼齡林30.34%、中齡林21.82%、近熟林18.53%、成熟林17.05%和過熟林8.14%。

表6 不同林齡木麻黃人工林枯落物層及土壤層碳分布（t/hm2）

圖2 不同林齡木麻黃碳儲量及其分配

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，海南文昌島東林場林區(qū)不同林齡木麻黃人工林喬木層平均碳含量介于454～526 g/kg之間，且各器官碳含量不同，表現(xiàn)為樹根＞樹葉＞果實＞樹干＞樹枝＞樹皮，與廣西格木（Erythrophleum fordiiOliv.）、米老排（Mytilaria laosensis）、廣東馬尾松（PinusmassonianaLamb.）、湖南杉木〔Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.〕等［10-13］南方常見樹種器官平均含碳量排序截然不同，木麻黃樹根含碳量最高，與周傳艷等［14］、梁萌杰等［15］研究結(jié)果相一致，這主要是由于木麻黃多種植于沿海沙地，獨特的立地條件、生長特性及環(huán)境因素所致［16］。不同林齡木麻黃各器官平均碳含量為490.7 g/kg，高于廣西桉樹（Eucalyptus robustaSmith）［17］（475.2 g/kg），略低于國際通用樹木平均碳含量（500 g/kg）［18］。海南地區(qū)種植相同木麻黃碳儲量比桉樹提高3.2%。

海南文昌島東林場木麻黃人工林0～60 cm土壤碳含量變化范圍在0.8～9.3 g/kg之間、平均僅為3.6 g/kg，顯著低于全國平均水平［24］。同一林齡不同土壤層含碳量差異顯著，隨著林齡的增加，土壤含碳量呈遞增趨勢，這與陶玉華等［2］、Elias等［19］研究結(jié)果一致，而與徐馨等［20］、陳小花等［21］、尉海東等［22］研究結(jié)果相反。這主要是由于試驗地土壤性質(zhì)所致，試驗地處沿海防護林區(qū)域，土壤類型為砂壤土，砂壤土相對貧瘠，各組分含量均較低。

林齡和器官不同，木麻黃人工林各器官碳儲量也表現(xiàn)出不同差異。不同器官碳儲量在0.05～11.3 t/hm2之間，各器官碳儲量平均含量分配表現(xiàn)為樹干＞樹葉＞樹枝＞樹根＞樹皮＞果實；不同林齡喬木層碳儲量在27.1～233.1 t/hm2之間，喬木層各部位碳儲量變化規(guī)律基本一致，均以樹干最大，隨著林齡的增加，各器官的碳儲量也明顯增加。不同林齡間同一器官的碳儲量均呈顯著差異，除中齡林、近熟林枝與葉間差異不顯著外，同一林齡不同器官間也均呈顯著差異。

不同林齡土壤碳儲量變化范圍在1.17～9.56 t/hm2之間，顯著低于全國平均土壤碳儲量水平193.55 t/hm2［23］。相同林齡木麻黃人工林各土層碳儲量隨著林齡的增加而遞減，均表現(xiàn)為表層（0～10 cm）最大、底層（40～60 cm）最小，除40～60 cm土層外，其余各土層均呈顯著差異，而相同土層不同林齡間部分顯著性不一。木麻黃林對于土壤表層（0～40 cm）碳儲量的固定具有主要作用，對40～60 cm以下土層碳儲量的固定作用不明顯。

本研究結(jié)果表明，海南文昌地區(qū)不同林齡木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分別為幼齡林39.55 t/hm2、中齡林72.95 t/hm2、近熟林123.95 t/hm2、成熟林200.52 t/hm2、過熟林255.68 t/hm2，均低于我國森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲量258.83 t/hm2［24-25］。喬木層和土壤層碳儲量為生態(tài)系統(tǒng)主要碳庫，其中喬木層碳儲量約占79.85%，為第一碳庫，而木麻黃人工林生態(tài)系統(tǒng)枯落物和灌草碳儲量僅為2%左右，這主要是由于木麻黃在海南沿海防護林地區(qū)種植多為純林，種植規(guī)格為1 m×1.5 m或1 m×2 m，種植密度高、生長速度快、林內(nèi)透光性差，嚴重制約林下灌草的生長，且木麻黃純林凋落物極難分解，長期堆積的凋落物也有利于林下灌草生長。枯落物和灌草碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的多少，直接影響生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，木麻黃純林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，建議在今后沿海防護林更新改造中，合理配置種植密度、采用混交模式、適當種植適宜灌草，均可提高木麻黃生態(tài)系統(tǒng)枯落物和灌草碳儲量的占比，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。