安太堡露天煤礦刺槐人工林喬木層碳密度動態特征

郭春燕，曹銀貴，武玉珍，張謹華，吳瓊，張峰

（1.晉中學院 生物科學與技術系，山西 晉中 030600；2.中國地質大學 土地科學技術學院，北京 100083；3.山西大學 黃土高原研究所，山西 太原 030006）

0 引言

露天煤礦生態環境治理一直備受關注［1］。20世紀90年代以來，隨著環境治理主體與責任的明確化及生態修復技術的提高，露天煤礦植被得以大幅度的恢復［2］。礦區多種人工植被的重建，極大改善了區域生態環境，不僅防止了水土流失，而且發揮了固碳釋氧等生態效益。在全球節能減排，努力實現碳中和的背景下，這部分人工植被作為陸地生態系統碳庫的重要組成部分，在調節區域碳平衡方面做出了巨大貢獻［3-4］。國內外學者采用生物量法、碳通量監測法及穩定性同位素法對區域、國家乃至全球尺度上森林生態系統碳密度、碳儲量進行了研究，其中營林措施、林分密度、林齡、氣候、地形等因素對森林碳儲量的影響研究較為成熟，但在森林演替過程中碳密度和碳儲量的變化及其時空分布格局等方面研究稍顯不足［5］。

刺槐（Robinia pseudoacacia）作為一種耐瘠薄速生植物引入我國后，在水土保持與生態修復中發揮著重要作用［6］。據統計，除黑龍江省與海南省外，刺槐在我國其他省市自治區均被廣泛栽培，是我國重要的人工林樹種［7］。我國學者對刺槐栽培技術、生理生態［8-9］、群落結構特征［10］等進行了系統研究。20世紀90年代初，山西安太堡露天煤礦復墾區開始引種大量刺槐，進行植被恢復模式的配置與篩選試驗。經過20余年的跟蹤調查研究，發現刺槐在不同恢復模式中生長差異明顯，部分刺槐枯梢，冠幅縮小，碳匯能力減弱。為探明刺槐碳密度變化規律，本文以山西安太堡露天煤礦南排土場刺槐人工林為研究對象，通過野外調查不同林分喬木胸徑、樹高等結構指標，分析喬木生物量及碳密度特征，以期為刺槐人工林的管護及其碳匯研究提供科學依據。

1 研究區域概況

安太堡露天煤礦位于山西省朔州市平魯區（112°10′～112°30′E，39°23′～39°37′N），該區域為黃土高原丘陵生態極度脆弱區，受溫帶半干旱大陸性季風氣候的影響，冬春寒冷多風、干旱少雨，夏秋溫涼少風、降水集中。年均降水量 428.2 mm～449.0 mm，年 蒸 發 量 1 786.6 mm～2 598.0 mm。年均氣溫4.8℃～7.8℃。全年無霜期115 d～130 d。年均風速2.5 m/s～4.2 m/s，最大風速20 m/s。原地貌植被為溫帶草原類型，林地較少，主要為人工林及天然灌叢。土壤貧瘠，土質偏砂，為栗鈣土［11］。

南排土場是安太堡露天煤礦生態修復成效較好的排土場，采用巖土混排工藝［12］，表層覆土50 cm，下層多為采煤剝離的砂石，臺階高度20 m～40 m，臺階坡面角＞30°，總面積 180.5 hm2。1992-2010年對南排土場進行生態修復，修復初期播種無芒雀麥（Bromus inermis）、扁穗冰草（Agropyron cristatum）、直立黃芪（Astragalus adsurgens）等草本植物進行土壤熟化，同時種植刺槐、油松（Pinus tabulaeformis）、臭椿（Ailanthus altissima）、榆（Ulmus pumila）等，闊葉樹種均為1年生苗，均高30 cm；油松為5年生苗，均高1 m。刺槐+油松林隔行種植，行距1 m，刺槐株距1.5 m，油松株距5 m；刺槐純林株行距均為1 m；刺槐+榆+臭椿林為隔行種植，株行距均為1 m［13］。喬木種植后，人工管護3 a，輔助喬木度過成活階段。之后喬木自然生長，僅在其迅速生長期內適度間伐1～2次。成林后，隨著種子的傳播，榆自然定居于刺槐+油松林與刺槐純林之中。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在安太堡露天煤礦南排土場選取3種刺槐人工林建立長期定點觀測樣地（表1），每塊樣地面積0.5 hm2，采用全站儀將樣地測設為50個喬木樣方（10 m×10 m），每個樣方再劃分為4個（5 m×5 m）的灌木樣方，在每個灌木樣方左下角劃分出1個（1 m×1 m）草本樣方。記錄各人工林樣地植被種植模式、種植時間、海拔、地形、立地條件等。

表1 人工林樣地基本概況Table 1 Basic information of the plantation plots

2.2 樣方調查

2010年與2015年分別對每塊樣地50個樣方內所有活立木（不包括幼苗，DBH＜2 cm）進行調查，記錄物種名稱、胸徑（DBH）、樹高（TH）、冠幅、蓋度等。

2.3 數據分析

利用各樣地喬木胸徑、樹高實測數據，采用馮宗煒［14］生物量經驗（回歸）模型估算不同樹種生物量。各樹種生物量計算公式如下：

油松：WS=0.027636（D2H）0.9905，WB=0.0091313（D2H）0.982，WL=0.004 575 5（D2H）0.9894，WT=WS+WB+WL；

榆樹、臭椿：WS=0.044（D2H）0.9169，WP=0.023（D2H）0.7115，WB=0.010 4（D2H）0.9994，WL=0.018 8（D2H）0.8024；

WT=WS+WP+WB+WL；

刺槐：WT=0.049 550 2（D2H）0.952453；

式中，WS樹干生物量，WP樹皮生物量，WB樹枝生物量，WL樹葉生物量，WT地上部分總生物量。

本文參考華北地區及山西省森林類型碳密度研究成果［15-16］，最終確定喬木生物量與其碳密度換算系數為0.498 9。因此，喬木碳密度計算公式如下：

C=0.498 9×W，

式中：C為碳密度，W為單位面積生物量。

不同樹種DBH、TH、生物量和碳密度用方差分析進行顯著性檢驗，用Duncan多重比較進行平均數顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 喬木層結構特征

2010年刺槐純林喬木總密度最大（1596株·hm-2），2015年刺槐+榆+臭椿林喬木總密度最大（2 408株·hm-2），刺槐+油松林喬木總密度均為最小。2010年與2015年均為中均為刺槐純林中刺槐密度最大（1 594株·hm-2，2 098株·hm-2），榆密度最小（2株·hm-2，74株·hm-2）。總體來看，2010年至2015年間，刺槐人工林喬木總密度均有增加（圖1），其中刺槐+榆+臭椿林喬木總密度增加最大（832株·hm-2），刺槐+油松林增加最小（450株·hm-2）。榆在刺槐+油松林與刺槐純林成功定居，且在刺槐+油松林定居數量較多。5年間，榆密度在刺槐+榆+臭椿林增加712株·hm-2，刺槐+油松林增加318株·hm-2，刺槐純林增加72株·hm-2。刺槐密度在各人工林增加幅度不同，其中在刺槐純林增加最大（504株·hm-2），在刺槐+榆+臭椿林增加最小（90株·hm-2）。臭椿密度小幅度增加（30株·hm-2），僅有油松密度小幅度降低（24株·hm-2），這與喬木生理特征有關。

圖1 不同樣地喬木密度Fig.1 Density of trees in the different plots

不同樣地喬木胸徑與樹高均存在極顯著差異（P＜0.01）。2010年刺槐+油松林中刺槐平均胸徑與平均樹高均最大（8.85 cm，7.24 m），其次為刺槐+榆+臭椿林中刺槐（7.57 cm，6.02 m），臭椿均最小（3.30 cm，3.41 m）。2015年刺槐+油松林中刺槐平均DBH與平均TH均最大（10.02 cm，7.26 m），其次為油松（9.35 cm，5.80 m），臭椿均最小（3.66 cm，3.04 m）。隨著密度的增加，各樹種平均DBH與TH呈現出不一致的變化特征（圖2-3）。臭椿平均DBH增大（0.36 cm），但其平均TH降低（0.37m）；油松平均DBH與平均TH均增大（2.48cm，1.42 m）；除刺槐+榆+臭椿林中榆平均TH略有增大外（0.13 m），榆在各樣地平均DBH與平均TH均減小；刺槐在刺槐+油松林平均DBH與平均TH均增大（1.17 cm，0.02 m），但在刺槐純林中均減小（0.2 cm，0.47 m），在刺槐+榆+臭椿林中平均DBH增大（0.44 cm），但平均TH有所降低（0.78 m）。

圖2 不同樣地喬木胸徑Fig.2 DBH of trees in the different plots

3.2 喬木層生物量及碳密度特征

不同樣地喬木單株生物量存在極顯著差異（P＜0.01）。2010年刺槐+油松林中刺槐單株生物量最大（25.62 kg），其次為刺槐純林中榆（22.71 kg），臭椿最小（2.96 kg）。2015年刺槐+油松林中刺槐單株生物量最大（33.07 kg），其次為油松（25.31 kg），刺槐純林中榆最小（2.26 kg）。臭椿、油松與刺槐2015年單株生物量較2010年均有增加，榆正好相反（圖4）。油松單株生物量增加最多（8.57 kg），其次為刺槐+油松林刺槐（7.45 kg），臭椿單株生物量增加0.47 kg，刺槐純林刺槐單株生物量增加最少，僅為0.17 kg。榆在刺槐純林單株生物量減少最多（20.45 kg），在刺槐+榆+臭椿中減少最少（1.24 kg）。

圖3 不同樣地喬木高度Fig.3 TH of trees in the different plots

圖4 不同樣地喬木單株生物量Fig.4 Biomass of a tree in the different plots

2010年與2015年均為刺槐+油松林喬木層碳密度最大（17.454 t·hm-2，26.698 t·hm-2），其次為刺槐+榆+臭椿林，刺槐純林最小（9.943 t·hm-2，13.314 t·hm-2），且刺槐在各林分中碳密度均最大。刺槐人工林喬木層碳密度與各樹種碳密度均為2015年高于2010年（圖5）。刺槐+油松林喬木層碳密度增加 9.244 t·hm-2，年均增加 1.849 t·hm-2，其 中 刺 槐 增 加 6.982 t·hm-2，年 均 增 加 1.396 t·hm-2；油 松 增 加 1.108 t·hm-2，年 均 增 加 0.222 t·hm-2。刺槐+榆+臭椿林喬木層碳密度增加3.866 t·hm-2，年 均 增 加 0.773 t·hm-2，其 中 刺 槐 增 加1.521 t·hm-2，年 均 增 加 0.304 t·hm-2；臭 椿 增 加0.116 t·hm-2，年均增加 0.023 t·hm-2。刺槐純林喬木層碳密度增加 3.372 t·hm-2，年均增加 0.674 t·hm-2，其中刺槐增加 3.311 t·hm-2，年均增加 0.662 t·hm-2。榆作為建群種，其碳密度在刺槐+榆+臭椿林增加最多（2.230 t·hm-2），作為定居種在刺槐+油松林與刺槐純林增加較少（1.154 t·hm-2，0.061 t·hm-2）。

圖5 不同樣地喬木碳密度Fig.5 Carbon density of trees in the different plots

4 討論與結論

碳密度不僅是人工林生態系統固碳能力的關鍵指標，也是評估其碳儲量的重要依據［17-18］。喬木作為人工林優勢種群，對其進行碳密度研究，可初步掌握人工林碳儲量狀況，比較人工林恢復模式的優劣。本文對3種刺槐人工林喬木層碳密度研究結果顯示：刺槐+油松林喬木層碳密度最高，其次為刺槐+榆+臭椿林，刺槐純林喬木層碳密度最低，且其年均增長率也保持相同的變化規律。這表明針闊混交模式最佳，闊葉混交林優于闊葉純林模式，與之前學者的研究結果一致［19］。刺槐+油松林喬木密度最低，且油松生長緩慢，刺槐生長迅速，兩者形成了不同的林層，可以充分利用自然資源，促進林分正向發育。榆能在刺槐+油松林中大量定居，也從側面印證了其空間結構適宜林木生長。刺槐純林林層單一，加之喬木密度較大，林木之間競爭關系增強，致使單株刺槐生物量較低。刺槐+榆+臭椿林喬木密度最大，但其碳密度略高于刺槐純林，一方面是因為不同樹種對自然資源的需求不同，林木之間可以優勢互補、協同共生，另一方面是大量榆幼苗成長為榆幼樹，提高了整個林分的碳儲量。

刺槐人工林喬木層碳密度的差異表明，喬木密度對其碳密度的影響相對較大，喬木密度的改變，不僅引起了林內光照、土壤溫度及水分的變化［20］，還引起了喬木胸徑與樹高結構等一系列變化；其次喬木類型也是影響碳密度的重要因素之一［21］，不同樹種因其生理特點的差異，其碳匯能力也不同。人工林生態系統碳密度受多種因素影響，會不斷發生變化。本研究僅分析了5年間刺槐人工林喬木層碳密度變化規律，今后還有待于對其各組分生物量、碳含量及碳密度做進一步的跟蹤研究。

2010年至2015年間，刺槐人工林喬木碳密度增加明顯，但總體樹高增長緩慢，這些現象表明安太堡露天煤礦南排土場刺槐人工林已由中齡林階段逐漸進入成熟林階段［22］。林木已逐步由胸徑與樹高速生時期進入到材積增長期，此時刺槐人工林已形成穩定的冠層，有利于林下幼苗及幼樹的生長發育，形成次林層。隨著幼苗不斷成長為幼樹，為防止林木擁擠過密，仍需通過人工撫育進行調節，間伐過多的幼苗及妨礙林木生長的不良立木，為刺槐人工林創造良好的生存環境，維持穩定的群落結構。