內蒙古固陽縣主要灌木人工林植被層固碳速率研究

劉金鵬 高潤紅 謝金君

摘要：為了探究內蒙古固陽縣不同灌木人工林植被層的固碳速率，以固陽縣3種常見灌木人工林樹種（檸條，沙棘，山杏）為研究對象，通過實地標準木取樣，建立各樹種生物量模型結合空間代替時間的方法，對研究區內3種常見灌木林樹種進行碳含量測定，并分析估算不同灌木樹種的碳密度和固碳速率。結果表明：固陽地區不同3種灌木不同林齡人工林植被層固碳速率范圍為0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1，其中檸條人工林植被層固碳速率范圍在0.12-0.38 t ·hm^-2·a^-1，沙棘人工林植被層固碳速率范圍在0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1，山杏人工林植被層固碳速率范圍在0.22-0.68 t ·hm^-2·a^-1之間，這一研究結果對西北干旱半干旱區灌木林固碳增匯以及灌木碳匯林營造時的的樹種選擇上提供了一定參考。

關鍵詞：人工林；灌木林；碳密度；固碳速率

中圖分類號：S718.55???????文獻標識碼：B

Study on Carbon Fixation Rate of Main Shrub Artificial Forests in Guyang County， Inner Mongolia

Liu Jinpeng¹，Gao Runhong¹，Xie Jinjun^1，

• College of Forestry， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010019）

Abstract：[Objective]In order to investigate the carbon sequestration rate of different shrub artificial forest cover layers in Guyang County， Inner Mongolia，[Method]three common shrub artificial forest tree species （Caragana korshinskii， Hippophae rhamnoides， and Apricot） were selected as the research object. Through on-site standard wood sampling， biomass models of each tree species were established， and the method of space replacing time was used to measure the carbon content of three common shrub forest tree species in the study area. The carbon density and carbon sequestration rate of different shrub tree species were analyzed and estimated，[Result]The results showed that the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of three different shrubs and different forest ages in Guyang area ranged from 0.12 to 1.0t C · hm^-2· a^-1， with the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Caragana korshinskii ranging from 0.12 to 0.38t C · hm^-2· a^-1， the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Hippophae rhamnoides ranging from 0.12 to 1.0t C · hm^-2· a^-1， and the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Prunus armeniaca ranging from 0.22 to 0.68t C · hm^-2· a^-1，[Conclusion]This research result provides a certain reference for the carbon sequestration and sink enhancement of shrub forests in the arid and semi-arid regions of northwest China， as well as the selection of tree species for the construction of shrub carbon sink forests.

Keywords：artificial forest; Shrubs; Carbon density; Carbon sequestration rate

全球氣候問題日益嚴重，人類活動導致大氣溫室氣體過量，氣候變暖深刻影響著我們的生活。森林在吸收大氣二氧化碳，減少溫室氣體含量上具有重要作用^[1-2]，在我國碳達峰碳中和的目標背景下，人工林的營造和擴大是吸收大氣二氧化碳、增加碳匯極具價值和生態效益的方法之一^[3-5]。

內蒙古是我國植樹造林的重點區域之一，是我國北疆生態安全的重要屏障，固陽縣地處內蒙古中西部，氣候干旱降水稀少，屬于典型的干旱半干旱區，灌木人工林在此區域占有很大比重。檸條錦雞（Caragana korshinskii）、山杏（Prunus sibirica）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等灌木樹種具有抗旱耐寒，耐鹽堿，耐土壤貧瘠，造林成本低，需水量少，成活率高，防風固沙等優良特性，是西北干旱半干旱區主要的造林樹種，目前已有很多對于內蒙古地區森林碳儲量的研究^[6-8]，由于內蒙古東部森林資源豐富，對于碳儲量和固碳速率的研究大多聚焦于中東部區的喬木林以及喬木樹種^[9-14]，而灌木林的固碳作用長期以來被忽視，對于以灌叢，灌木林為主體生態系統的內蒙古中西部來說，研究灌木的固碳特征具有重要意義，目前對于灌木的固碳研究大多聚焦于生物量以及碳密度^[15-18]，而對于灌木林的固碳速率，研究較為匱乏，為此本文以內蒙古中西部固陽縣的主要3種人工灌木林樹種（檸條、山杏、沙棘）為研究對象，通過野外實地樣地調查，標準木采集，建立各樹種生物量模型并結合空間代替時間的方法估算了不同林齡灌木林植被層的碳密度以及固碳速率，綜合分析不同灌木樹種碳密度以及固碳速率之間的差異性。為西北干旱半干旱區灌木人工林的固碳增匯以及灌木碳匯林營造時的樹種選擇提供了科學參考。

1材料與方法

1.1研究區概況

固陽縣隸屬于包頭市位于內蒙古自治區中西部，東經109°40′-110°41′，北緯40°42′-41°08′、地處大青山北麓，地勢南高北低，東部高于西部，平均海拔1300m，屬中溫帶大陸型干旱半干旱季風氣候，氣溫偏低、降水少、光照充足，溫差大是其最明顯的氣候特征。全年無霜期為69-177d。年平均降水量為291.1mm，降水主要集中在6～8月，年平均蒸發量1941.4mm。占年降水量的64%，年日照小時數在3200h左右年平均氣溫5.5℃，土壤類型主要為栗鈣土、灰褐土和草甸土。森林覆蓋率達到23%，森林資源面積11.5萬hm²，主要樹種喬木樹種有白樺（Betula platyphylla）、小葉楊（Populus simonii）、榆樹（Ulmus pumila）和油松（Pinus?tabuliformis），灌木樹種有柄扁桃（Prunus pedunculata）、檸條（Caragana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、山杏（Prunus sibirica）、白刺（Nitraria tangutorum）等，草本植物有冷蒿（Artemisia?frigida）、羊草（Leymus?chinensis）、克氏針茅（Stipa?capillata）、鐵桿蒿（Tripolium?pannonicum）、山韭（Allium senescens）等。

1.2 野外樣地調查

于2022～2023年6月至9月連續在內蒙古自治區固陽縣灌木人工林規模較大的三個區域即固陽林場、萬畝試驗田、二相公路南人工林種植區進行野外樣地調查和樣品采集，林齡的鑒定根據固陽林草局提供的造林年限資料，林齡按照3-5a，＞5-10a，＞10-15a、＞15-20a，＞20-25a進行劃分，同一樹種相近林齡設置3個重復樣地，共計54個，灌木林樣地大小設置為為10m×10m，進行每木檢尺，記錄灌木地徑、株（叢）高、平均冠幅、密度等樹木特征，草本層樣地大小為1m×1m設置于灌木樣地內，記錄草本植物種類、株（叢）高、蓋度、株（叢）數，樣地基本信息表見表1.

1.3 樣品采集與碳含量測定

在灌木樣方的標準樣地內，根據樣方內灌木基徑，株高、冠幅的平均值選取標準木，將其伐倒，根系采用挖掘收獲法，剝離根、莖、葉、枝，分別測量各器官鮮質量并帶回實驗室烘箱85℃烘干至恒質量，得到標準木干重即生物量，含碳率測定采用干燒法，經烘干的樣品通過球磨儀研磨，過0.2mm篩，利用元素分析儀（Elementer VARIO Macro，德國）測定樹木各器官樣品的碳含量取平均值。在草本樣地內，沿地面齊平收割所有草本植物（地上部分），并挖取收獲地下1m深度草本植物根系，干重及含碳率測定同灌木。

1.4灌木生物量預測模型的建立

本文所用數據為樣地實測灌木單株生物量數據，樣本數量共計162棵，其中檸條、沙棘、山杏各為54棵，建立灌木生物量預測模型，計算3種灌木的生物量，以常見的測樹因子基徑（D）、樹高（H），平均冠幅（C），樹冠面積（S）植被體積（V）以及聯合因子D²H為自變量，建立函數關系，加以比較并得到最優方程。本研究利用計算樹木生物量計算常見的線性模型、二次函數模型、冪函數模型，指數函數模型和對數函數模型擬合灌木生物量。采用F檢驗，平均系數（R²），估計值的標準差（SEE），3項指標對模型擬合優度進行評估。

1.5碳密度的估算

利用實測得到各樹種單株標準木的生物量，通過函數模型擬合得到各樹種最優生物量方程，結合實驗室實測單株標準木含碳量從而得到單株標準木的碳儲量（公式6），通過樣地灌木密度與面積的換算得到林分灌木層碳密度（公式7），草本層單位面積的生物量與含碳量相乘得到草本層碳密度（公式8），整個林分植被層碳密度等于灌木層碳密度與草本層碳密度之和（公式9）

1.6林分固碳速率的估算

林分植被層固碳速率的計算采用空間代替時間的方法，不同林齡林分植被層碳密度的差值與林齡之差的比值為一段時間內的平均固碳速率（公式10），利用不同林齡林分植被層固碳速率與其對應林齡之間建立回歸關系方程式，并得出固碳速率隨林齡的變化趨勢線。

式中P為林分植被層固碳速率，T_n為林分的林齡，C_n為n年林齡林分植被層的碳密度

1.7數據處理

使用Excel2021和SPSS26軟件進行樣地數據統計處理分析與作圖，使用單因素方差分析法（one-way ANOVA）分析差異顯著性。

2結果與分析

2.1各樹種生物量模型的篩選

固陽地區3種灌木人工林樹種各器官以及全株生物量擬合方程和相關參數見表2

2.2不同樹種含碳量結果

固陽地區3種灌木人工林樹種各器官以及全株樣品含碳量的實測值如圖1所示，其中檸條各部分平均碳含量為葉（503.74g·kg^-1）＞枝（431.73g·kg^-1）＞根（422.64g·kg^-1）其中葉與枝、葉與根之間存在顯著差異性（P＜0.05），沙棘各部分平均碳含量為葉（541.71g·kg^-1）＞干（527.16g·kg^-1）＞枝（515.35g·kg^-1）＞根（454.86g·kg^-1），其中枝與葉，根與干、根與枝、根與葉都存在顯著差異性（P＜0.05）。山杏各部分平均含碳量為枝（431.32g·kg^-1）＞干（429.77g·kg^-1）＞葉（426.59g·kg^-1）＞根（417.61g·kg^-1），各器官均不存在顯著差異性（P＞0.05）。各樹種林下草本含碳量為檸條（435.86g·kg^-1）＞山杏（415.11g·kg^-1）＞沙棘（412.20g·kg^-1），林下草本含碳量無明顯差異（P＞0.05），整株平均碳含量為沙棘（502.84g·kg^-1）＞檸條（437.57g·kg^-1）＞山杏（427.30g·kg^-1），其中沙棘與檸條，沙棘與山杏的整株含碳量存在顯著性差異（P＜0.05）。

2.3不同樹種林分碳密度結果

固陽地區3種主要人工灌木林樹種植被層碳密度結果如下，檸條人工林植被層碳密度范圍在0.78～5.18 t ·hm^-2之間，按照林齡來看21年檸條林（5.18 t ·hm^-2）＞17年生檸條林（4.67 t ·hm^-2）＞13年生檸條林（3.80 t ·hm^-2）＞8年生檸條林（2.48 t ·hm^-2）＞5年生檸條林（1.36 t ·hm^-2＞3年生檸條林（0.78 t ·hm^-2），檸條人工林植被層碳密度隨著林齡的增加而增大，不同林齡碳密度之間差異不顯著（P>0.05）；沙棘人工林植被層碳密度范圍在0.91～14.06 t ·hm^-2之間，按照林齡來看22年生沙棘林（14.06 t·hm^-2）＞18年生沙棘林（13.57 t ·hm^-2）＞13年生沙棘林（9.99 t ·hm^-2）＞8年生沙棘林（4.98 t ·hm^-2）＞5年生沙棘林（2.32 t ·hm^-2）＞3年生沙棘林（0.91 t ·hm^-2）沙棘人工林植被層碳密度隨著林齡的增加而增大，不同林齡之間碳密度呈現顯著差異性（P＜0.05）山杏人工林植被層碳密度范圍在0.77～9.81 t ·hm^-2之間，按照林齡來看22年生山杏林（9.52 t ·hm^-2）＞16年生山杏林（8.17 t ·hm^-2）＞12年生山杏林（6.32 t ·hm^-2）＞8年生山杏林（3.43 t ·hm^-2）＞5年生山杏林（1.41 t ·hm^-2）＞3年生山杏林（0.77 t ·hm^-2）山杏人工林植被層碳密度隨著林齡的增加而增大，不同林齡之間碳密度呈現顯著差異性（P＜0.05）。在不同樹種之間，灌木人工林造林初期（3-5年，5-10年、10-15年）3種灌木人工林植被層碳密度整體相近，無顯著差異性（P＞0.05），在灌木林成熟以及過熟階段（15-20，20-25年）檸條的碳密度顯著小于沙棘與山杏（P＜0.05）。

2.4灌木林植被層固碳速率

固陽地區3種主要灌木人工林植被層固碳速率如圖所示，其中檸條人工林植被層固碳速率介于0.12-0.38 t ·hm^-2·a^-1之間，伴隨著林齡的增長，檸條人公林固碳速率呈現出先增大后減小的趨勢，在8年左右達到一個固碳速率高峰，但是林分達到成熟階段后（15-25年），其林分固碳速率顯著降低。沙棘人工林植被層固碳速率介于0.12-1.0 t·hm^-2·a^-1之間，林分植被層固碳速率隨著林齡的增長呈現先增大后減小，固碳速率最大值出現在13年左右，山杏人工林植被層固碳速率介于0.22-068 t ·hm^-2·a^-1之間，伴隨著林齡的增長其固碳速率呈現出先增大后減小的趨勢，固碳速率峰值出現在林齡12年左右，之后固碳速率逐漸降低。

3討論

本文中3種灌木人工林植被層固碳速率范圍在0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1之間，從灌木人工林平均固碳速率上看，沙棘（0.7424 t ·hm^-2·a^-1）＞山杏（0.5081 t ·hm^-2·a^-1）＞檸條（0.2509 t ·hm^-2·a^-1），與其它學者對內蒙古部分地區灌木林的固碳速率研究如黨曉宏^[19]西鄂爾多斯五種荒漠灌叢年固碳量0.195-0.018 t ·hm^-2·a^-1，張冬梅^[20]阿拉善6種荒漠灌木群落0.04-0.697 t ·hm^-2·a^-1等相比較，本文灌木林固碳速率較大，可能是上述地區研究以荒漠自然灌木林為主，本文研究主體為灌木人工林，有適當的人工灌溉撫育管理，從而在植被固碳速率上優于這些地區。在與內蒙古其它類型人工林固碳速率的比較上，如郭月峰^[21]內蒙古農牧交錯帶小葉楊固碳速率1.5～2.03 t·hm^-2·a^-1 ，趙瑋^[22]內蒙古渾善達克沙地小葉楊人工林喬木層平均固碳速率2.17 t·hm^-2·a^-1 曹貢祥^[23]呼倫貝爾沙地樟子松喬木層平均固碳速率2.13 t·hm^-2·a^-1等區域相比本文所研究樹種固碳速率較低，原因在于從生長特性上講干旱區灌木相較于喬木樹種其生長速度較慢，同時以上區域大部分位于內蒙古東部區，其水分條件普遍優于固陽，由此造成人工林固碳速率上的差異。此外由于干旱區風蝕作用明顯，研究區內林分枯落物層極少且分布不完整，不同區域土壤層含碳量差異較大，本文未對枯落物層和土壤層進行研究分析，可能一定程度會影響研究結果。

4結論

通過研究發現內蒙古固陽干旱半干旱區的檸條、沙棘、山杏3種灌木人工林植被層碳密度和固碳速率與林齡密切相關，其中植被層碳密度隨著林齡的增加而增大與Pregitzer KS， Euskirchen ES等^[24]對全球森林固碳與林齡關系的研究結果一致。3種灌木人工林從幼齡林至過熟林階段，植被層固碳速率都呈現出先增大后減小的趨勢，固碳高峰期都處于中齡林階段，灌木固碳速率隨林齡的變化規律與王娟等^[25]在半干旱區沙地對小葉錦雞兒和黃柳人工灌木林碳匯功能研究結果相似。本文所研究的人工灌木林在林分過熟之后，由于樹木老化，固碳速率顯著降低，因而老齡林和過熟林的碳匯功能很小，與Odum EP.^[26]對老齡林碳匯功能很弱或處于碳中性的研究一致，因此作為碳匯林，當林分進入老齡化之后為增強其碳匯能力，應當及時進行采伐更新和補植等措施。

參考文獻

[1]Houghton J T . Global Warming： The Complete Briefing[M].出版地、出版者不詳，2004.

[2]FAO. Global forest resources assessment 2015， main report [R]. FAO Forestry Paper 140. Rome： FAO， 2015

[3]王濤. 中國可持續發展林業戰略研究總論[J]. 陜西林業， 2003（4）：15-19.

[4]馮瑞芳，楊萬勤，張健.人工林經營與全球變化減緩[J].生態學報，2006（11）：3870-3877.

[5]楊曉菲，魯紹偉，饒良懿，等.中國森林生態系統碳儲量及其影響因素研究進展[J].西北林學院學報，2011，26（3）：73-78.

[6]?昭日格，岳永杰，姚云峰，等.內蒙古自治區森林碳儲量及其動態變化[J].干旱區資源與環境，2011，25（9）：80-84

[7]黃曉瓊，辛存林，胡中民，等.內蒙古森林生態系統碳儲量及其空間分布[J].植物生態學報，2016，40（4）：327-340.

[8]?閆德仁，閆婷.內蒙古森林碳儲量估算及其變化特征[J].林業資源管理，2010（3）：31-33，103

[9]?伏鴻峰，閆偉，陳晶晶.內蒙古大興安嶺林區森林碳儲量及其動態變化研究[J].干旱區資源與環境，2013，27（9）：166-170.

[10]?劉紅梅，呂世杰，劉清泉，等.多倫縣樟子松人工林生物量及碳儲量研究[J].內蒙古農業大學學報（自然科學版），2013，34（3）：49-53.

[11]?舒洋. 大興安嶺落葉松林碳儲量監測及碳層分配特征研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2017.

[12]?唐學君，查印水，湯序軍，等.內蒙古東部區不同林齡油松人工林的固碳特征[J].江西農業學報，2020，32（1）：49-54.

[13]?郭倩倩. 中國東北、內蒙古林區主要造林樹種森林植被碳儲量估算[D].北京：北京林業大學，2012.

[14]?王文波，姜喜麟，趙鵬武.基于森林資源連續清查的森林碳儲量估算——以內蒙古呼倫貝爾地區為例[J].東北林業大學學報，2015，43（7）：116-119.

[15]烏日古瑪拉.內蒙古興安盟主要灌木林地上碳儲量的模型研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2016.

[16]郭玉東.庫布齊沙漠地區人工灌木林生物量與碳密度研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2021.

[17]周甜甜. 基于多源遙感的恩格貝生態示范區植被覆蓋度及碳儲量研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2023.

[18]黨曉宏，高永，蒙仲舉等.西鄂爾多斯荒漠灌叢生態系統碳密度[J].中國沙漠，2018，38（2）：352-362

[19]黨曉宏. 西鄂爾多斯地區荒漠灌叢生態系統固碳能力研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2016.

[20]張冬梅. 阿拉善荒漠灌木群落碳收支及影響因子分析研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2013.

[21]?郭月峰，祁偉，姚云峰，等.內蒙古農牧交錯帶小葉楊人工林碳匯效應研究[J].生態環境學報，2016，25（6）：920-926

[22]?趙瑋，胡中民，楊浩，等.渾善達克沙地榆樹疏林和小葉楊人工林碳密度特征及其與林齡的關系[J].植物生態學報，2016，40（4）：318-326.

[23]?曹恭祥，郭中，王云霓，等.呼倫貝爾沙地樟子松人工林喬木層固碳速率及其對氣象因子的響應[J].生態學雜志，2020，39（4）：1082-1090.

[24]Pregitzer KS， Euskirchen ES. Carbon cycling and stor age in world forests： Biome patterns related to forest age.Global Change Biology， 2004，10， 2052–2077.

[25]王娟. 半干旱區沙地小葉錦雞兒和黃柳人工灌木林碳匯功能研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2016.

[26]Odum E P. ?The strategy of ecosystem development[J]?.Science， 164， 262–270.