太行山丘陵區不同林齡核桃樹固碳釋氧量及冠下土壤碳儲量

張敏　王明偉　劉欣宇　劉利生　于家悅　劉洋　齊國輝

摘要： 為了探明太行山丘陵區核桃樹的固碳釋氧量和不同部位的碳儲量及冠下土壤碳儲量隨林齡的變化規律，以1年、3年、5年、9年、13年和16年生的核桃樹為研究對象，測定其葉片面積、葉片凈光合速率、不同部位的生物量以及土壤有機質含量。結果表明，不同林齡核桃樹間存在較大差異。隨著林齡的增加，核桃樹的固碳釋氧量呈現出先增加后降低的趨勢，單株核桃樹的固碳量、釋氧量大小排序為9年生>5年生>13年生>16年生>3年生>1年生;隨著林齡的增加，核桃樹的樹葉、樹枝和樹干的碳儲量均呈先增加后降低的趨勢，單株核桃樹的碳儲量大小排序為樹枝>樹干>樹葉;就不同林齡的核桃樹而言，其林地各土層（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）的土壤碳儲量均呈現出隨林齡的增加而逐漸增大的趨勢，而對于同一林齡核桃樹，其土壤碳儲量隨土壤深度的增加而逐漸降低。

關鍵詞： 太行山;核桃;固碳釋氧;碳儲量

中圖分類號： S664.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-4440（2021）01-0093-06

Carbon fixation and oxygen release amount and soil carbon storage under the canopy of walnut trees with different forest ages in hilly areas of Taihang Mountain

ZHANG Min1， WANG Ming-wei1， LIU Xin-yu1， LIU Li-sheng1， YU Jia-yue1， LIU Yang1， QI Guo-hui1，2，3

（1.College of Forestry， Hebei Agricultural University， Baoding 071000， China;2.Research Center for Walnut Engineering and Technology of Hebei Province， Lincheng 053400， China;3.Institute of Walnut Industrial Technology of Hebei Province（Xingtai）， Lincheng 054300， China）

Abstract： To find out the carbon fixation and oxygen release amount of walnut trees， carbon storage of different parts and change of soil carbon storage under the canopy with forest ages in hilly areas of Taihang Mountain， the walnut trees of one year old， three years old， five years old， nine years old， thirteen years old and sixteen years old were taken as the research objects， and the leaf area， net photosynthetic rate of leaves， biomass of different parts and soil organic matter content were determined. The results showed that there were significant differences between walnut trees of different ages. With the increase of forest age， the carbon fixation and oxygen release amount of walnut trees increased first and then decreased. The carbon fixation and oxygen release amount of a single walnut tree all showed the trend of nine years old > five years old > thirteen years old > sixteen years old > three years old > one year old. With the increase of forest age， the carbon storage of leaves， branches and trunks from walnut trees increased first and then decreased. The carbon storage of a single walnut tree showed the trend of branch > trunk > leaves. For walnut trees of different ages， the soil carbon storage of each soil layer （0-20 cm， 20-40 cm， 40-60 cm） in the forest land all increased with the increase of forest age， while for walnut trees of the same age， the soil carbon storage decreased with the increase of soil depth. The results of this paper can provide a theoretical basis for the accurate evaluation of ecological benefits of economic forest.

Key words： Taihang Mountain;walnut;carbon sequestration and oxygen release;carbon storage

森林作為陸地生態系統主體，不僅在保護地域生態環境中起著十分重要的作用，而且對全球碳循環有著不容忽視的影響，其碳儲量及動態等問題已經受到人們的重視[1-2]。在森林生態系統中，80%的有機碳源于陸地生態系統的地上部分，40%源于其地下部分，因此地球上陸地生態系統中碳儲藏量最大的是森林[3]。近年來，國內外學者主要針對常見的綠化樹種、綠地的固碳釋氧量進行研究，發現喬木改善環境的作用是最強的[4-5]。劉嘉君等[6]對彩葉樹種固碳釋氧功能的研究結果表明，植物固碳釋氧能力的強弱與其光合作用有著緊密聯系，凈光合速率越大，植物固碳釋氧的能力就越高，反之則越低。喬小菊[7]對園林綠化中常見闊葉喬木樹種的研究發現，落葉喬木日平均和年平均固碳釋氧量均大于常綠喬木。萬昊等[8]在對森林植被固碳釋氧量的研究中發現，林木各器官固碳量的順序為凋落物>樹干>樹枝>葉片>灌木>草本。劉婷婷[1]在基于樹體結構推算楊樹人工林生物量及碳儲量的研究中發現，楊樹作為速生樹種，隨著樹齡和樹高的變化，其生物量和生產力會逐年增大，疏導功能和儲藏功能也會增強。安利波[9]在研究土壤碳儲量的分配中發現，有機質含量和碳儲存量均隨土壤深度的增加逐漸減少。王鑫等[10]在對干旱區灌叢生物量碳和土壤有機碳進行研究時也得到與安利波[9]同樣的結論。近年來隨著中國扶貧事業的大力推進，經濟林占整個林業產業的比重越來越大。經濟林與生態林在管理方式上有很大不同，所以在樹體固碳釋氧及碳儲量規律上也存在較大差異，但目前國內對栽培經濟林的固碳釋氧及碳儲量研究鮮見報道。核桃是中國北方山區主栽的經濟林樹種之一，是山區農民脫貧致富的支柱產業[11-12]，核桃光合作用吸收固定的CO2除形成供人們食用的堅果外，大量儲存在樹干、樹枝、樹葉及土壤中。本試驗以不同林齡核桃樹作為研究對象，探討不同林齡核桃樹的固碳釋氧量、不同部位的碳儲量及冠下土壤碳儲量的變化規律，以期為經濟林生態效益的精準評估提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在河北綠嶺果業有限公司李家韓示范基地，其地理坐標為東經 114°30′～114°33′，北緯 37°29′～37°32′。該區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年平均氣溫為13 ℃，氣溫最高可達 41.8 ℃，最低氣溫為-23.1 ℃，無霜期 202 d，年均降水量為521 mm;降水季節分布不均，夏季降水較多。土壤類型為褐土，土壤深度約為80 cm。園內主栽核桃品種為綠嶺，南北行向，采用矮化密植栽培，樹高在3.5 m左右。

1.2 試驗設計

在不同林齡（1年、2年、4年、8年、13年和16年）的核桃林地內分別隨機選取3株長勢一致、無病蟲害的核桃樹作為試驗樹。于2018年6月20日用Li-3000C葉面積儀測定葉片的長、寬及面積，同時計算葉形指數;調查整株樹的總葉片數，計算總葉面積。于2018年7月選擇晴朗無風的白天測定不同林齡核桃樹的葉片凈光合速率，測定時間為8∶00-18∶00，每2 h測定1次，每次選取向陽的3～5張葉片測其瞬時凈光合速率，計算其平均值，同時固定每個時間段內測定不同林齡核桃樹的順序。于2018年8月下旬分別測定核桃樹的樹干、枝條和葉片的生物量，計算各部位的碳儲量;用土鉆鉆取不同林齡核桃樹下的土壤，取樣深度為60 cm，按固定間距分3個土壤層取樣，土壤層深度由上至下依次為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm。取樣后將土樣放入自封袋內，帶回實驗室，經風干后測其有機質含量，計算土壤碳儲量。

1.3 測定方法

1.3.1 固碳釋氧量 用Li-6400便攜式光合儀測定不同林齡核桃樹的凈光合速率[μmol/（m2·s）]。在此基礎上，設植株當日凈同化量為P，計算公式如下[13]：

P=ji=1[（Pi+1+Pi）/2×（ti+1-ti）×3 600/1 000]

式中：P為日凈同化量，μmol/（m2·d）;j為各時間段內的測定次數;Pi為首次測定時間點的瞬時光合速率，μmol/（m2·s）;Pi+1為下一測定點的瞬時光合速率，μmol/（m2·s）;ti為首次測定時間點的瞬時時間，h;ti+1為下一測定點的瞬時時間，h。

樹木光合作用方程式如下：

式中：CO2的摩爾質量為44 g/mol，O2的摩爾質量為32 g/mol，依據下列公式計算日單位葉面積固碳量、釋氧量：

式中，WCO2為凈固定的CO2質量，g/（m2·d）;WO2為釋放的O2質量，g/（m2·d）;P為單位葉面積日凈同化總量。

1.3.2 樹體碳儲量 在不同林齡的核桃林中分別選取3株標準樹，從地面開始每隔0.5 m測量樹干直徑，計算樹干體積，用生長錐鉆取樹干的一部分心材，測定其密度，樹干干質量=體積×密度;然后再測量每株樹上所有枝條的直徑，從中采集不同粗度的枝條15根，測量所采集枝條的直徑、枝條質量和枝條上葉片的質量。制作回歸方程，根據“枝條直徑（自變量）-枝條質量/葉片質量（因變量）”回歸方程，用枝條直徑即可計算出核桃樹上所有枝條的枝條（不含葉片）質量和葉片質量。

施溯筠等[14]研究發現，長白山區森林每生產1 g干物質需要1.63 g CO2，按此規律分別計算出不同林齡核桃樹固定的CO2量。

1.3.3 土壤碳儲量 土壤在地表是連續分布的，土壤厚度并不是固定不變的，且不同土層的土壤碳儲量存在差異。碳儲量的計算公式：

式中：Hi為第i層土壤的厚度（cm），Bi為第i層土壤的容質量（g/cm3），Oi為第i層土壤的有機質含量（%）（用重鉻酸鉀法測定），0.58是土壤有機碳含量比例[8]。將土壤剖面依據土壤和植被類型分類后，同類型土壤碳儲量的誤差區間計算公式如下：

式中：Error為土壤碳儲量的誤差區間，t為顯著性概率95%置信區間的分布值，SD為某一類型SOCD的標準差，n為某土地覆被類型的自由度。

1.4 數據分析方法

用Excel 2013進行數據處理、作圖。用DPS 7.05軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同林齡核桃樹的固碳釋氧量

2.1.1 不同林齡核桃樹的單位葉面積凈光合速率 如圖1所示，各林齡核桃樹單位葉面積凈光合速率的日變化總體呈現先上升后下降的趨勢，為單峰曲線，其峰值出現在10∶00左右。其中5年生核桃樹的凈光合速率峰值最高，為11.77 μmol/（m2·d）;16年生核桃樹的凈光合速率峰值最低，為8.68 μmol/（m2·d）。其原因可能在于該試驗園栽植的為早實品種，為了盡早產生經濟效益，在幼樹時整形修剪培養樹形，在林齡為5年時核桃樹樹體基本成形，達到了良好的通風透光效果，在基本進入結果期時肥水管理較好，故在林齡為5年時凈光合速率達到最高值;隨著林齡的增加，樹勢逐漸衰弱，樹體內通風透光條件變差，故16年生核桃樹凈光合速率最低。

2.1.2 不同林齡核桃樹的固碳釋氧量

不同林齡核桃樹的單株固碳釋氧量如圖2所示。就同一林齡而言，核桃樹的固碳量明顯高于釋氧量;就不同林齡而言，核桃樹的固碳量和釋氧量均呈現先增高后降低的趨勢，均在林齡為9年時達到最大值，此時單株核桃樹的固碳量、釋氧量分別為64 910.17 g/d、50 502.85 g/d，其固碳量、釋氧量顯著高于其他林齡核桃樹。

2.2 不同林齡核桃樹樹體的碳儲量

2.2.1 枝條直徑與枝條質量和葉片質量的回歸方程 枝條直徑與枝條質量和葉片質量的回歸方程如圖3所示。在核桃林中隨機采集不同粗度的枝條15根，測量枝條直徑、枝條質量和枝條上葉片質量，對各部分營養器官的生物量進行回歸模擬。枝直徑-枝質量線性回歸方程的R2為0.944 4，表明樹枝的生物量與枝條基部直徑有很高的線性關系;枝直徑-葉質量線性回歸方程的R2為0.846 2，表明枝條上葉片生物量與枝條基部直徑也有較高的線性關系。由核桃樹的樹枝生物量和樹葉生物量與枝條基部直徑的回歸分析結果可知，可以用回歸方程較好地估測核桃樹樹枝、樹葉的當年生物量。

2.2.2 樹體各部分生物量 如圖4所示，就同一林齡核桃樹的不同部位而言，樹枝的生物量顯著高于樹葉和樹干的生物量;就不同林齡核桃樹的同一部位而言，樹葉、樹枝和樹干的生物量均呈現先增加降低的變化趨勢，均在樹齡為13年時達到最大值，此時樹葉、樹枝、樹干的單株生物量分別為4.9 kg、60.1 kg、34.3 kg。

2.2.3 樹體碳儲量 不同林齡核桃樹地上部碳儲量如圖5所示?？梢钥闯?，就同一林齡核桃樹的不同部位而言，樹枝的碳儲量明顯高于樹葉和樹干的碳儲量。就不同林齡核桃樹的同一部位而言，隨著栽植年限的增加，核桃樹的樹葉、樹枝和樹干的碳儲量均呈現出先增高后降低的趨勢，13年生樹最大，這是因為樹體碳儲量決定于生物量，13年生樹體的生物量最高。13年生單株核桃樹的樹葉、樹枝和樹干的碳儲量分別為8.06 kg、60.10 kg、39.26 kg，均顯著高于1年、3年、5年和9年生的核桃樹。在碳儲量的增長期，幼樹期核桃樹碳儲量的增長速度較緩，在樹齡為5年后增長速度加快。對于核桃整個樹體來說，樹枝的碳儲量最大，其次為樹干，樹葉的碳儲量最小，而且隨著栽植年限的增加，枝條碳儲量所占比例逐漸增大。

2.3 不同林齡核桃樹冠下土壤碳儲量

不同林齡核桃樹冠下土壤碳儲量變化如圖6所示?？梢钥闯?，就不同林齡核桃樹冠下同一土層而言，隨栽植年限的增加，核桃林地各土層的土壤碳儲量均呈現出逐漸增高的趨勢。就同一林齡核桃樹冠下不同土層而言，0～20 cm土層的土壤碳儲量要高于20～40 cm土層和40～60 cm土層的土壤碳儲量，并隨著林齡的增加，該差異更加顯著。在樹齡為16年時表現最為明顯，16年生核桃林各土層的土壤碳儲量依次為45.08 g/cm3、18.36 g/cm3、15.55 g/cm3，其中0～20 cm和20～40 cm土層的碳儲量顯著高于1年、3年、5年、9年和13年生的核桃林地，40～60 cm土層的碳儲量顯著高于1年、3年、5年和9年生的核桃林地。

3 討論與結論

森林植被在光合作用下，經過植物體內一系列化學反應將CO2轉換成O2，并釋放能量，從而達到固碳釋氧的功效，這對于提升大氣質量、維護生態系統平衡和加快綠色小康建設有著重大的意義[15-16]。本研究發現，不同林齡的核桃樹固碳、釋氧功能具有一定的差異，核桃樹體的固碳量和釋氧量隨著林齡的增加呈現先升高后下降的趨勢，且9年生核桃樹固碳量和釋氧量均達到最大值。原因可能在于林齡不同，樹體的光合、呼吸等生理特性不同，而9年生核桃樹正處于盛果期，枝葉茂盛，根系發達，所以平均固碳量和釋氧量均達到最大值。研究結果表明，核桃樹每年的固碳量明顯高于釋氧量，王立等[17]在對不同樹齡園林樹種固碳釋氧能力的研究中也得到了相似結果。由此可見，核桃樹生長良好，對大氣中的二氧化碳也會起到一定的調控功能。

本研究發現，不同林齡核桃林的樹體碳儲量隨栽植年限的增加呈現出先升高后下降的趨勢。這與姚利輝等[18]對不同生長階段杉木碳儲量研究得出的其各器官碳含量隨樹齡增大而增大的結論有所不同。原因可能在于本試驗用樹屬于早實核桃類，枝條衰老后易枯死，為保證健壯樹勢，進入盛果期后，每年對一些衰老大枝進行更新，使樹冠保持在一定大小，而不是任其生長。研究結果表明，核桃單木各組分生物量的排序為樹枝>樹干>樹葉。而楊眾養等[19]對海南島3種經濟樹種單木各組分生物量分配情況進行研究時發現，樹干的生物量最大?？赡苁且驗闃浞N間的差異造成了這種現象，也可能是因為核桃的樹枝相對于海南島的3種經濟林樹種的樹枝比較粗壯，并且在核桃的整形過程中對樹枝加重修剪，以促進更多的新枝萌發抽枝，所以能積累更多的碳，從而實現更高的固碳價值。

土壤碳儲量包括動植物及微生物的殘骸、排泄物及其部分分解物和腐殖質[20]。本研究發現，不同樹齡核桃林地各土層的土壤碳儲量隨栽植年限的增加均呈現出逐漸升高的趨勢。這與陶玉華等[21]和劉維佳等[22]對土壤碳儲量的研究結果相似。原因可能在于樹勢隨樹齡的增加而逐漸衰弱，需要逐年向土壤中輸入新鮮有機物，進而使土壤碳儲量逐漸增加。當樹木處于幼樹期時，土壤的不同土層碳儲量基本處于穩定，但隨著樹齡的增長，達到盛果期，表層的土壤碳儲量明顯高于深層的土壤碳儲量。在垂直方位上，土壤有機碳含量與土壤深度有著緊密的聯系， 其含量隨土層深度的增加呈下降趨勢[23]。這與蘭斯安等[24]對不同樹齡杉木人工林碳儲量的研究結果一致，原因可能在于為保證樹體生長良好，每年均施用有機肥，再加上表層枯落物層的分解和雜草腐爛等原因造成表層土壤的碳儲量明顯高于深層土壤，更加說明土壤是儲存有機碳的巨大碳庫來源。

隨著林齡的增加，核桃樹的固碳釋氧量及樹葉、樹枝和樹干的碳儲量均呈現出先增加后降低的趨勢。就同一林齡核桃樹而言，其土壤碳儲量隨土壤深度的增加而逐漸降低;而對于不同林齡的核桃樹而言，其林地各土層（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm）的土壤碳儲量均呈現出隨林齡的增加而逐漸增高的趨勢。

參考文獻：

[1] 劉婷婷. 基于樹體結構推算楊樹人工林生物量及碳儲量[D].北京：北京林業大學，2009.

[2] 劉世榮，王 暉，欒軍偉.中國森林土壤碳儲量與土壤碳過程研究進展[J].生態學報，2011，31（19）：5437-5448.

[3] MALHI Y， BALDOCCHI D D， JARVIS P G. The carbon balance of tropical， temperate and boreal forests[J]. Plant Cell and Environment，1999，22（6）： 715-740.

[4] 陳 潔，陳會玲，金曉玲. 三種常見灌木的固碳釋氧和降溫增濕效益研究[J]. 現代園藝，2015（3）：9-10.

[5] 張艷麗，費世民，李智勇，等. 成都市沙河主要綠化樹種固碳釋氧和降溫增濕效益[J]. 生態學報，2013，33（12）：3878-3887.

[6] 劉嘉君，王志剛，閻愛華，等. 12種彩葉樹種光合特性及固碳釋氧功能[J]. 東北林業大學學報，2011，39（9）：23-25，30.

[7] 喬小菊. 南京城區園林綠化中常見闊葉喬木樹種的光合特性及相關生態功能的研究[D]. 南京：南京農業大學， 2016.

[8] 萬 昊，劉衛國. 六盤山2種森林植被固碳釋氧計量研究[J]. 水土保持學報，2014，28（6）：332-336.

[9] 安利波. 栓皮櫟天然次生林土壤碳儲量分配格局[J]. 西部林業科學，2017，46（1）：49-53.

[10]王 鑫，楊德剛，熊黑鋼，等. 新疆干旱區8種常見灌叢生物量碳和土壤有機碳特征[J]. 生態學雜志， 2016， 35（8）：1996-2002.

[11]江 燾，方傳波. 山核桃豐產栽培技術[J]. 林業科技開發，2002（6）：42-43.

[12]張日清，呂芳德. 優良經濟樹種—美國山核桃[J]. 廣西林業科學， 1998（4）：202.

[13]丁 杰，李少寧，魯紹偉，等. 北京市常見經濟林水分利用及固碳釋氧功能[J]. 江蘇農業科學，2017，45（18）：130-133.

[14]施溯筠，李 光，張三煥. 長白山區森林固定CO2價值的評估[J]. 延邊大學學報（自然科學版）， 2002，28（2）：134-137.

[15]GUDKOV S V， GRINBERG M A， SUKHOV V， et al. Effect of ionizing radiation on physiological and molecular processes in plants[J]. Journal of Environmental Radioactivity，2019，202（6）：8-24.

[16]LUO F L， ZENG B， CHEN T， et al. Response to simulated flooding of photosynthesis and growth of riparian plant salix variegate in the three gorges reservoir region of China[J]. Journal of Plant Ecology， 2007， 31（5）：910-918.

[17]王 立，王海洋，常 欣. 常見園林樹種固碳釋氧能力淺析[J]. 南方農業，2012，6（5）：54-56.

[18]姚利輝，康文星，趙仲輝，等. 會同杉木人工林不同生長階段植物固碳特征[J]. 生態學報，2015，35（4）：1187-1197.

[19]楊眾養，陳宗鑄，陳小花，等. 海南島北部3種經濟林樹種的生物量、碳儲量及其分配特征[J]. 經濟林研究，2018，36（3）：62-68.

[20]王曉峰，汪思龍，張偉東. 杉木凋落物對土壤有機碳分解及微生物生物量碳的影響[J]. 應用生態學報，2013，24（9）：2393-2398.

[21]陶玉華，馮金朝，馬麟英，等. 廣西羅城馬尾松、杉木、桉樹人工林碳儲量及其動態變化[J]. 生態環境學報，2011，20（11）：1608-1613.

[22]劉維佳，李 疆，時 坤，等. 不同樹齡庫爾勒香梨園土壤有機碳儲量及其對樹體生長的影響[J]. 新疆農業科學，2012，49（2）：209-215.

[23]韓煥金. 哈爾濱市主要植物生理生態功能研究[J]. 江蘇林業科技，2005（4）：5-10.

[24]蘭斯安，杜 虎，曾馥平，等. 不同林齡杉木人工林碳儲量及其分配格局[J]. 應用生態學報，2016，27（4）：1125-1134.

（責任編輯：張震林）

收稿日期：2020-06-05

基金項目：林業公益性行業科研專項經費項目（201504408）;河北農業大學大學生創新創業訓練項目（2018128）

作者簡介：張 敏（1997-），女，河北灤南人，本科生，主要從事經濟林栽培生理研究。（E-mail）1137916489@qq.com

通訊作者：齊國輝，（E-mail）bdqgh@sina.com