桂西北毛竹林生態系統碳儲量及其分布特征

摘要：為了探究桂西北毛竹林碳匯功能，為其可持續經營提供依據。采用標準地調查和實驗室化學分析方法，研究了廣西南丹縣毛竹林生態系統碳素含量、碳儲量及分布特征。結果表明.毛竹各器官碳素含量介于436.4 ～501.2 g/kg 之間，其由大到小排列次序為竹枝>竹稈>蔸根>竹蔸>竹葉。灌木層、草本層和凋落物層碳含量分別為449.8、392.5和424.7 g/kg。土壤（0～80 cm）平均碳含量為19.80 g/kg，各土層碳含量隨土層深度增加而減少。毛竹林生態系統碳儲量為209.58 t/hm2，其中喬木層為33.05 t/hm2，占15.77%;灌草層為0.73 t/hm2，占0.34%;凋落物層為1.54 t/hm2，占0.73%;林地土壤為174.26 t/hm2，占83.15%。毛竹林喬木層年凈生產力為11.48 t/（hm2·a），有機碳年凈固定量為5.51 t/（hm2·a），年凈吸收CO2量為20.20 t/（hm2·a）。

關鍵詞：毛竹林;碳貯量;碳分配;桂西北

由于人類大量使用化石燃料以及毀林開荒等活動而造成CO2等溫室氣體濃度的不斷上升，從而引發了全球性的氣候問題，并已威脅到全球生態環境和人類的生存與發展[1]。森林是陸地生態系統的主體[2]，人工林作為森林生態系統的重要組成部分，在增加森林碳匯和碳吸存能力、改善生態環境等方面發揮著越來越重要的作用[2-4]。我國是世界人工林面積最大的國家，通過造林、再造林等活動增加森林生態系統碳固定量，已成為推進中國碳匯林業發展和實施碳減排計劃最主要的途徑。

毛竹（Phyllostachys heterocycla）是我國南方重要的森林資源，具有適應性廣，生長更新迅速、自然成熟期短等優點，一般5～6 a即可砍伐用材，是中國南方重要的森林資源。有研究表明，毛竹林的固碳能力極強，其年碳固定量可達到杉木等速生樹種的1.33～2.46倍。我國竹類資源豐富，竹子種類和竹林面積均約占全世界的三分之一，其中毛竹林面積約450萬hm2，約占全國竹林面積的3/4。因此，竹林生態系統在減少溫室氣體（減排）和森林碳匯中發揮積極作用。研究毛竹林生態系統固碳及增匯潛力對科學評價其生態功能及其效益有著重要的意義。近些年來，有關毛竹林生態系統碳儲量及其影響因素的研究已有較多報道。本研究以位于廣西西北部（桂西北）的南丹縣毛竹林為研究對象，通過探討其碳素含量、碳貯量、固碳能力及其分布特征，為進一步評估毛竹林的固碳潛力和生態效益，促進其可持續經營提供依據。

1 材料與方法

1.1.研究區自然概況

研究區位于廣西西北部的南丹縣城關鎮（107°31′E，24°59′′N）。南丹縣屬中亞熱帶山地氣候類型，海拔多數在500～1000 m之間，年平均溫度16.9℃，年平均降雨量1498.2 mm。試驗地設置在山口林場山口分場，海拔約850 m，土壤母巖為砂頁巖，土壤類型屬于山地紅壤、黃紅壤，平均厚度在80 cm以上。林下植物中灌木層主要有山烏桕（Sapium discolor）、油茶（Camellia oleifera）、杜莖山（Maesa japonica）等，草本植物主要有淡竹葉（Lophatherum gracile）、黃茅（Heteropogon contortus）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置

由于毛竹4～10月生長活躍，11月后生長逐漸停止，因此本研究為了更準確地測量毛竹的生長量和生物量，于2018年12月初在研究區中選擇毛竹林生長良好的地塊，隨機設置3塊樣地，面積均為400 m2（20 m×20 m）。調查測定樣地內所有立竹的胸徑、樹高。毛竹林的基本情況如表1所示。

1.2.2生物量測定

根據平均胸徑和平均竹高選擇5株標準竹，砍伐后地上部分采用“分層切割法”按竹稈、 竹枝和竹葉分別稱其鮮質量，地下部分采用挖掘法挖出竹蔸和所有根系，然后用水漂洗干凈，分別稱其鮮 重。采集毛竹將各組分約0.5～1.0 kg帶回實驗室，放入烘箱中于80°C烘干至恒重，求算生物量。

在各樣地內按對角線分別設置小樣方3個，面積均為2 m ×2 m，對樣方內灌木、草本的種類、個體數、高度和覆蓋度等進行調查，然后采用“樣方收獲法”測定灌木層、草本層和凋落物層鮮質量。采集喬木層各器官、灌木層、草本層和凋落物層樣品各約500g，帶回實驗室放入烘箱內于80 ℃烘至恒質量，測定各樣品的含水率和干質量，估算各組分生物量。

1.2.3 土壤樣品的采集

在各樣地內桉對角線設置方法挖掘3個土壤剖面，按0～20、20～40、40～60、60～80 cm共4個層次各采集約1 kg土壤，同一樣地內相同土層樣品混合后按四分法取約1 kg裝入布袋內，于室內自然風干后研磨過0.149 mm篩，裝入自封袋，與待測植物樣品均采用K2CrO7容量法測定有機碳含量。

1.2.4 樣品含碳量測定

土壤和植物樣品中碳含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法。

12.5 生態系統碳貯量和喬木層年凈固碳量的計算

毛竹生態系統碳貯量為喬木層、灌木層、草本層、枯落物層和土壤層碳貯量之和。由于毛竹林為異齡林，一直處于生長的動態平衡中，經營過程中采取的是擇伐作業，通常隔年伐去3度以上毛竹。每次采伐毛竹的生物量約為其現存生物量的1/3。因此，本研究參照周國模等[14]采用現存喬木層生物量的1/3進行其年生長量（或碳固定量）的計算。

1.2.6 數據統計與處理

利用Excel2013軟件進行相關數據處理，采用SPSS 22.0軟件對毛竹林生態系統中喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳含量、碳貯量及喬木層不同器官年碳固定量間差異性等進行單因素方差分析（ANOVA）。

2 結構與分析

2.1 毛竹林生態系統碳含量

2.1.1毛竹各器官碳含量

毛竹各器官碳含量介于462.36～488.0 g/kg之間，全樹平均碳含量為480.2 g/kg，，其大小為竹桿（488.02 g/kg）>竹枝（472.84 g/kg）>竹兜（471.50 g/kg）>竹根（467.54 g/kg）>竹葉（462.36 g/kg），各器官碳含量間的差異均不顯著（P>0.05）（表2）。

2.1.2 林下植被層、凋落物層和土壤層碳含量

從表3可知，毛竹林林下植被層和凋落物層碳含量大小表現為灌木層（442.7 g/kg）>凋落物（407.3 g/kg）>草本層（387.5 g/kg），均遠高于各土層碳含量（7.15～43.70 g/kg）。受地表腐殖化作用所形成有機物質聚集效應的影響，不同土層有機碳含量呈現隨土壤深度增加而顯著下降（P<0.05）的變化趨勢，其中0～20 cm土層有機碳含量（43.70 g/kg）分別是20～40、40～60和60～80 cm土層的174、3.49和6.11倍。

2.2 生態系統碳儲量及其分配

2.2.1 植被層碳儲量

毛竹林生態系統的植物層包括喬木層、灌木層、草本層和凋落物層。從表4可知，毛竹林植物層生物量和碳儲量分為68.83和33.05 t/hm2，其不同層次生物量及碳儲量間差異均顯著（P<0.05），其中，喬木層碳儲量（33.05 t/hm2）占植被層碳儲量（35.32 t/hm2）的92.48%。喬木層不同器官碳儲量由大到小排列順序為：竹桿（19.53 t/hm2）、竹蔸（4.07 t/hm2）、竹枝（3.77 t/hm2）、竹根（3.58 t/hm2）、竹葉（2.10 t/hm2），其所占喬木層碳儲量比例分別為59.09%、12.31%、11.41%、10.83%、6.35%，與其生物量所占比例的排序相一致。

受毛竹生物學特性及其林分結構等影響，其林分郁閉度較大，林下植被發育較差，覆蓋度較?。ū?），因此林下植被組成中的灌木層、草本層生物量也都較少，分別為0.50和1.32 t/hm2，碳儲量依次為0.22和0.51 t/hm2，僅分別占植被層碳儲量的0.62%和1.44%。凋落物層相對較豐富，其生物量和碳儲量分別為3.78和1.54 t/hm2，分別占植被層生物量和碳儲量的5.08%和4.36%。

2.2.2 土壤層碳儲量

毛竹林土壤層（0～80 cm）碳儲量為174.26 t/hm2，各土層碳儲量在垂直分布上表現出與其碳含量相同的變化趨勢，即隨土層加深而減少，且各土層間差異顯著（P<0.05）（表5）。在各土層碳儲量的分配中，0～20 cm土層所占比例（42.63%），遠高于20～40、40～60和60～80 cm土層碳儲量分別所占比例（27.82%、15.78%和9.92%）。

2.2.3 生態系統碳儲量及其分配

從表6可見，禿杉林生態系統總碳儲量為209.58 t/hm2，其中喬木層（33.05 t/hm2）占15.77%，灌木層、草本層和凋落物層（0.22、0.51和1.54 t/hm2）分別占0.10%、0.24%和0.73%;土壤層（174.26 t/hm2），占83.15%。可見，土壤層是毛竹林生態系統碳儲量的主體。

2.3 喬木層年凈固定碳量

根據估算（表7），毛竹林喬木層年凈生產力為11.48 t/（hm2·a），年凈固定碳量為5.51 t/（hm2·a），相當于年CO2量20.20 t/（hm2·a）。喬木層不同組分年凈固定碳量以竹竿最大，為3.26 t/（hm2·a），占喬木層年凈固定碳量的59.17%;其次是竹蔸、竹枝和竹根，分別為0.68、0.63和0.60 t/（hm2·a），分別占12.34%＼11.43%和10.89%;竹葉最少，為0.35 t/（hm2·a），僅占6.35%。

3 結論與討論

研究表明，桂西北毛竹林各器官碳含量在436.4 ～501.2 g/kg 之間，與相同區域杉木不同器官碳含量介于464.5～508.9 g/kg、馬尾松不同器官碳含量介于463.4～511.2 g/kg以及禿杉不同器官碳含量介于425.3～507 g/kg相似。毛竹平均碳含量（480.2 g/kg）也介于目前國內外學者進行森林碳儲量計算時采用的轉換系數450 g/kg～500 g/kg之間。毛竹不同器官碳含量大小為竹枝>竹稈>蔸根>竹蔸>竹葉，與周國模等（竹根 >竹稈 >竹蔸 >竹枝 >竹鞭 >竹葉）和王兵等（竹枝>竹稈>蔸根>竹蔸>竹葉）的研究結果相似，但與相同地區杉木、禿杉和馬尾松人工林的研究結果存在差異，說明毛竹各器官碳含量的變化規律與上述林木存在差異，這可能與毛竹生物學特性等有關

毛竹林生態系統總碳儲量為209.58 t/hm2，其中喬木層碳儲量為33.05 t/hm2，占生態系統碳儲量的15.77%，占植被層碳儲量（35.32 t/hm2）的92.48%，表明喬木層碳儲量是毛竹林整個植被層碳儲量的主體。據報道，中國森林喬木層平均碳儲量為57.07 t/hm2，中國熱帶、亞熱帶針葉林碳儲量為63.17 t/hm2，相同區域12年生西南樺人工林、26年生馬尾松人工林的喬木層碳儲量分別為喬木層碳儲量為57.13和 92.67t/hm2，浙江省臨安市毛竹林喬木層碳儲量為30.58 t/hm2，說明本研究毛竹林喬木層碳儲量雖然比一些人工用材林相對較低，但在毛竹林中處于較高水平，其原因可能與毛竹林的結構和經營方式的特殊性有關。本研究中毛竹林土壤有機碳儲量為174.26 t/hm2，高于我國人工林土壤平均碳儲量（107.10 t/hm2），這也是研究區毛竹林生長良好并具有較高生物量和碳儲量積累能力的重要原因。

毛竹林喬木層年凈固定碳量為5.51 t/（hm2·a），相當于年吸收CO2 量為20.20 t/（hm2·a），分別高于相同區域12年生西南樺人工林（4.77 t/（hm2·a））、26年生馬尾松人工林（5.41 t/（hm2·a）），也高于浙江省臨安市毛竹林（5.10 t/（hm2·a））和湖南省桃江縣5年生毛竹林（4.70 t/（hm2·a）），因此，本研究區毛竹林具有較強的碳匯功能，合理經營和發展毛竹人工林將是當地一種兼具木材收獲和碳匯雙重效益或功能的重要經營模式。

參考文獻

[[1]何功秀，文仕知，邵明曉，劉興鋒.湖南永順閩楠人工林生態系統碳貯量及其分布特征[J].水土保持學報，2014，28（5）： 159-163.

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[3]徐新良，曹明奎，李克讓.中國森林生態系統植被碳儲量時空動態變化研究[J].地理科學進展，2007，26（6）：1-10

[4]魏曉華，鄭吉，劉國華，等.人工林碳匯潛力新概念及應用[J].生態學報，2015，35（12）：3881-3885.

基金項目：廣西創新驅動發展專項資金項目（桂科AA17204087-11）;國家自然科學基金資助項目（31760201，31560206）。

作者簡介：劉凡勝（1965?），男，工程師，廣西南丹縣人，工程師，從事人工林培育技術研究。