将乐县针阔混交林生态系统碳储量格局
2014-09-16 03:22谢裕红
《福建林业科技》杂志 2014年3期
谢裕红
(将乐县林业局，福建 将乐 353300)
将乐县针阔混交林生态系统碳储量格局
作者：谢裕红
(将乐县林业局，福建 将乐 353300)
依据全国碳汇专项调查的理论和调查方法，对福建省将乐县不同龄组针阔混交林生态系统的碳储量进行调查分析。结果表明：针阔混交林生态系统碳储量随着林分年龄的增加而增加，幼龄林、中龄林、成熟林生态系统总碳储量分别为121.13、176.00、253.33 t·hm-2；在幼龄林、中龄林和成熟林中，乔木层碳储量所占比重分别为33.16%、46.94%、28.27%，土壤层有机碳储量所占比重分别为60.10%、50.45%、68.21%，土壤层和乔木层碳储量占生态系统总碳储量的90%以上；除成熟林中，30～100 cm土层有机碳储量略高于10～30 cm土层外，土壤层有机碳储量在各龄组针阔混交林中均表现为随土壤深度的增加而减少，随着林分年龄的增加而增加；各龄组针阔混交林其他层次不同组分碳储量差异各不相同，估算针阔混交林生态系统碳储量应充分考虑这种差异性，以提高估算精度。
针阔混交林；生态系统；碳储量
森林是陆地生态系统的主体，其储存的有机碳占陆地生态系统的76%～98%[1-2]。森林生态系统不仅在维护全球生态环境上起着重要作用，而且是维持全球CO2收支平衡的主要调节者之一。准确评估森林碳储量和碳平衡是估算未来大气CO2浓度，预测气候变化及其对陆地生态系统影响的关键[3]，因此研究森林生态系统碳储量具有重要意义。区域森林植被碳储量的估算是研究全球森林植被碳储量的基础[4-5]，我国亚热带植被分布面积大，类型丰富，生物多样性高，对我国碳汇贡献和维持全球碳循环平衡均具有极其重要的作用。将乐县位于福建省西北部，森林覆盖率居全省首位，拥有典型的亚热带植被类型，其中针阔混交林森林面积(7.29 万hm2)占将乐县总森林面积(18.29 万hm2)的39.86%，这些针阔混交林大部分为生态公益林，对维护区域生态安全、保护生物多样性和经济社会可持续发展具有重要作用[6]。目前对将乐县森林生态系统，特别是针阔混交林生态系统的碳储量研究尚未见报道。估算该区域森林生态系统的碳储量，有助于揭示森林生态系统的固碳功能规律和碳循环机理，为亚热带植被碳储量提供更精确的数据，为福建省乃至全国森林生态系统的碳汇估算提供基础数据。
1 研究区概况
将乐县位于福建省三明市西北部，介于北纬26°26′—27°04′、东经117°05′—117°40′之间，属中亚热带季风气候，具有海洋性和大陆性气候特点，气候温和，雨量充沛，年均气温19.8 ℃，冬季均温18.6 ℃，秋季均温28.6 ℃，年均降水量1680 mm，年均蒸发量1205 mm，无霜期287 d。以丘陵地貌为主，土壤为山地红壤，pH值为5.00～6.00，有机质较丰富，速效磷、钾含量较少。森林资源丰富，全县山地面积1920 km2，其中有林地面积1887 km2，森林覆盖率达85.2%，林木蓄积量1598万m3，是典型的针阔叶林、针叶纯林、竹林、灌草分布区。
2 研究方法
2.1 样地选择
采用分层抽样法，按森林起源、森林类型、龄组从将乐县已有的森林资源一类清查样地上抽取3块有代表性的针阔混交林样地，样地基本情况见表1。样地植被情况为：乔木层树种主要有木荷(Schimasuperba)、青冈(Cyclobalanopsisglauca)、杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)等；林下常见植被有石斑木(Rhaphiolepisindica)、乌饭树(Vacciniumbracteatum)、九节木(Psychotriarubra)、山茶花(Camelliajaponica)等；草本植物主要为芒萁骨(Dicranopterisdichotoma)、凤尾蕨(Spiderbrake)、乌蕨(Stenolomachusanum)等。
表1 各样地基本情况
2.2 样地调查与取样
参照IPCC提供的全球森林碳库估算参数，分乔木层、灌木层、草本层、枯死木枯落物层、土壤层进行调查取样。其中，乔木层碳储量通过调查乔木层的蓄积量换算得出，乔木层蓄积量是基于每木调查获得计算蓄积量基本信息，通过活立木材积表求出。乔木层每木调查信息通过整理福建省第八次森林资源一类清查数据得出。灌木层、草本层、枯落物碳储量通过设置样方采用收获法调查获得生物量数据换算得出，样方设置在全国森林资源清查一类样地的4个顶点向外2 m的区域，其中西南桩点固定为土壤采样点，其他桩点布设3个2 m×2 m的灌木样方，在灌木样方内随机布设1 m×1 m的草本和枯落物样方。每个灌木样方内选取3株平均大小的灌木作为平均灌木，记录种名、高度、地径、冠幅，采用全株收获法分别测定3株标准木地上干、枝、叶和地下根系的鲜重。草本样方则调查记录样方内所有草本植物的种名、盖度、平均高，再分地上部分和地下部分完全收获样方内的草本植物，枯落物样方同样完全收获样方内所有地表枯落物。灌木、草本、枯落物各部分再取300～500 g样品称其鲜重带回实验室测含水率。土壤碳储量调查采用剖面法分0～10 cm、10～30 cm、30～100 cm 3个层次用环刀采集原状土，测土壤容重和有机质含量。枯死木调查分枯立木调查和枯倒木调查，对于枯立木，测定胸径和实际高度，记录枯立木分解状态；对于枯倒木，测定其区分段直径和长度，按1 m区分进行材积计算，同时记录枯倒木密度级。
2.3 碳储量计算
2.3.1 乔木层碳储量的计算 采用侯元兆[14]的森林蓄积量扩展法，其基本思路是利用较容易获取数据的森林蓄积(树干材积)为基础，通过蓄积扩大系数推算整树生物量(包括枝叶、树根)，再利用含碳率系数计算碳储量，其计算形式为：CT=VT·δ·γ，式中：CT为整树碳储量；VT为整树材积量；δ为蓄积扩大系数(国际通用IPCC默认值为1.90)；γ为含碳率系数(国际通用IPCC默认值为0.5)。
2.3.2 灌木层、草本层、枯落物层碳储量的计算 是将各自生物量与含碳率相乘计算得出，本文采用中国林业温室气体清单课题组研究结果，确定含碳率系数为0.5。
3 结果与分析
3.1 各龄组针阔混交林乔木层碳储量
由表2可知，针阔混交林各龄组的蓄积量大小依次为中龄林(175.244 m3·hm-2)>成熟林(151.694 m3·hm-2)>幼龄林(84.315 m3·hm-2)，其中成熟林、中龄林蓄积量分别是幼龄林的1.80倍、2.08倍，成熟林与中龄林的碳储量差异不大；平均单株材积则表现为成熟林(0.163 m3·株-1)>中龄林(0.076 m3·株-1)>幼龄林(0.055 m3·株-1)，成熟林的平均单株材积是中龄林、幼龄林的2.14倍、2.96倍，中龄林的平均单株材积是幼龄林的1.38倍；平均单株碳储量在各龄组中与平均单株材积的表现趋势一致，为成熟林(0.077 t·株-1)>中龄林(0.036 t·株-1)>幼龄林(0.026 t·株-1)；单位面积乔木层碳储量表现为中龄林(82.62 t·hm-2)>成熟林(71.61 t·hm-2)>幼龄林(40.17 t·hm-2)，中龄林单位面积碳储量分别是成熟林和幼龄林的1.15倍、2.06倍。
表2 各龄组针阔混交林乔木层碳储量
3.2 各龄组针阔混交林林下植被碳储量
由表3可知，在成熟林中，灌木层各器官碳储量从大到小依次为根(0.42 t·hm-2)>干(0.34 t·hm-2)>叶(0.13 t·hm-2)>枝(0.10 t·hm-2)，草本层各器官碳储量从大到小依次为地下部分(0.37 t·hm-2)>地上部分(0.28 t·hm-2)；在中龄林中，灌木层各器官碳储量从大到小依次为干(0.28 t·hm-2)>叶(0.17 t·hm-2)>枝(0.09 t·hm-2)>根(0.07 t·hm-2)；幼龄林中，灌木层各器官碳储量从大到小依次为干(0.92 t·hm-2)>根(0.78 t·hm-2)>枝(0.37 t·hm-2)>叶(0.29 t·hm-2)，草本层各器官碳储量从大到小依次为地上部分(0.31 t·hm-2)>地下部分(0.13 t·hm-2)；各龄组灌木层总碳储量均远大于草本层总碳储量。
灌木层中，各龄组灌木干的碳储量大小依次为幼龄林(0.92 t·hm-2)>成熟林(0.34 t·hm-2)>中龄林(0.28 t·hm-2)，枝与干的表现一致，为幼龄林(0.37 t·hm-2)>成熟林(0.10 t·hm-2)>中龄林(0.09 t·hm-2)，叶的碳储量大小依次为幼龄林(0.29 t·hm-2)>中龄林(0.17 t·hm-2)>成熟林(0.13 t·hm-2)，根的碳储量大小依次为幼龄林(0.78 t·hm-2)>成熟林(0.42 t·hm-2)>中龄林(0.07 t·hm-2)，总碳储量大小依次为幼龄林(2.37 t·hm-2)>成熟林(0.99 t·hm-2)>中龄林(0.62 t·hm-2)；生态系统中草本层地上部分碳储量大小依次为幼龄林(0.31 t·hm-2)>成熟林(0.28 t·hm-2)>中龄林(0)，地下部分碳储量大小依次为成熟林(0.37 t·hm-2)>幼龄林(0.13 t·hm-2)>中龄林(0)。
表3 各龄组针阔混交林林下植被碳储量 t·hm-2
3.3 各龄组针阔混交林林内枯木、枯落物碳储量
由表4可知，枯立木蓄积量大小依次为成熟林(4.54 m3·hm-2)>中龄林(2.24 m3·hm-2)>幼龄林(0)，枯倒木蓄积量大小依次为中龄林(2.27 m3·hm-2)>成熟林(1.89 m3·hm-2)>幼龄林(0)，枯落物量大小依次为幼龄林(10.69 t·hm-2)>成熟林(8.44 t·hm-2)>中龄林(3.64 t·hm-2)；枯立木碳储量大小依次为成熟林(2.16 t·hm-2)>中龄林(1.06 t·hm-2)>幼龄林(0)，枯倒木碳储量大小依次为中龄林(1.08 t·hm-2)>成熟林(0.90 t·hm-2)>幼龄林(0)，枯落物碳储量大小依次为幼龄林(5.35 t·hm-2)>成熟林(4.22 t·hm-2)>中龄林(1.82 t·hm-2)；枯木和枯落物总碳储量大小依次为成熟林(7.27 t·hm-2)>幼龄林(5.35 t·hm-2)>中龄林(3.96 t·hm-2)。
成熟林中，蓄积量大小依次为枯立木(4.54 m3·hm-2)>枯倒木(1.89 m3·hm-2)，碳储量大小依次为枯落物(4.22 t·hm-2)>枯立木(2.16 t·hm-2)>枯倒木(0.90 t·hm-2)；中龄林中，蓄积量大小依次为枯倒木(2.27 m3·hm-2)>枯立木(2.24 m3·hm-2)，碳储量大小依次为枯落物(1.82 t·hm-2)>枯倒木(1.08 t·hm-2)>枯立木(1.06 t·hm-2)。
表4 各龄组针阔混交林林内枯木、枯落物碳储量
3.4 各龄组针阔混交林土壤层有机碳储量
由表5可知，各龄组不同土层深度土壤有机碳储量大小，成熟林依次为0～10 cm(320 t·hm-2)>30～100 cm(164 t·hm-2)>10～30 cm(130 t·hm-2)，中龄林依次为0～10 cm(217 t·hm-2)>10～30 cm(122 t·hm-2)>30～100 cm(61 t·hm-2)，幼龄林依次为0～10 cm(274 t·hm-2)>10～30 cm(80 t·hm-2)>30～100 cm(42 t·hm-2)。
各土层不同龄组土壤有机碳储量大小，0～10 cm土层依次为成熟林(320 t·hm-2)>幼龄林(274 t·hm-2)>中龄林(217 t·hm-2)；10～30 cm土层依次为成熟林(130 t·hm-2)>中龄林(122 t·hm-2)>幼龄林(80 t·hm-2)；30～100 cm土层与10～30 cm土层表现一致，为成熟林(164 t·hm-2)>中龄林(61 t·hm-2)>幼龄林(42 t·hm-2)；0～100 cm土层的平均有机碳储量大小依次为成熟林(173 t·hm-2)>中龄林(89 t·hm-2)>幼龄林(73 t·hm-2)。
表5 各龄组针阔混交林土壤层有机碳储量
3.5 各龄组针阔混交林生态系统碳格局
由表6可知，成熟林、中龄林、幼龄林的碳储量分布格局均表现为土壤层>乔木层>枯木、枯落物层>灌木层>草本层。各龄组乔木层碳储量比重大小为中龄林(46.94%)>幼龄林(33.16%)>成熟林(28.27%)，灌木层表现为幼龄林(1.96%)>成熟林(0.39%)>中龄林(0.35%)，草本层表现为幼龄林(0.36%)>成熟林(0.26%)>中龄林(0)，枯木、枯落物层表现为幼龄林(4.42%)>成熟林(2.87%)>中龄林(2.25%)，土壤层表现为成熟林(68.21%)>幼龄林(60.10%)>中龄林(50.45%)。各龄组所有层次的总碳储量表现为成熟林(253.33 t·hm-2)>中龄林(176.00 t·hm-2)>幼龄林(121.13 t·hm-2)。
表6 各龄组针阔混交林生态系统碳格局
4 结论与讨论
将乐县针阔混交林植被层碳储量大小：乔木层为中龄林>成熟林>幼龄林，林下植被为幼龄林>成熟林>中龄林，枯落物层为幼龄林>成熟林>中龄林。各龄组乔木层碳储量大小与各龄组乔木层蓄积量有关，本研究发现成熟林和中龄林蓄积量大于幼龄林；而中龄林蓄积量大于成熟林，是由于成熟林的自疏作用[7]，使中龄林立木密度远高于成熟林，这与田大伦等[8]对杉木、木荷混交林的研究结果一致。各龄组林下植被层碳储量大小与各龄组林分郁闭度有关，本研究发现，幼龄林郁闭度远低于中龄林和成熟林，较低的林分郁闭度使林下透光率提高，林下植被能够利用的太阳光能更多，植被生长旺盛，植株生物量大，碳储量相应提高。各龄组枯落物层碳储量大小与土壤发育程度和土壤微生物有关，本研究发现，幼龄林枯落物的分解程度最低，可能与幼龄林土壤发育程度较低，土壤微生物群落的种类和数量少，枯落物分解较慢[9]，枯落物中碳含量相对较高有关；与中龄林相比，成熟林凋落量大，林分的养分需求较低，枯落物分解速率相对较小，因此，成熟林中枯落物碳含量高于中龄林。本研究还发现，中龄林和成熟林中均存在一定数量的枯木，它们不但是森林生态系统中不可忽视的重要碳库，而且在森林土壤发育、林分更新、森林水文等方面也有重要的生态功能[10]。
各龄组针阔混交林土壤层有机碳储量总体上表现为随着土壤深度的增加而逐渐减小，这是因为土壤中的有机碳主要来源于土壤表层的枯落物和根系分泌物[11]，而随着土壤深度的增加，枯落物和植物根系进入到深层土壤的量越来越少，因此土壤有机碳含量也逐渐减少。成熟林中，30～100 cm土层的有机碳储量略高于10～30 cm土层，一方面，与成熟林深层土壤林木根系庞大有关；另一方面，还可能与成熟林土壤发育程度高，土壤水稳性团聚体含量高，结构疏松，表层水溶性有机碳易被雨水淋溶至深层有关。土壤有机碳储量随着林龄的增加，呈现逐渐上升的趋势，这主要是由于发育较成熟的成熟林林下枯落物的结构组成和数量、土壤中的C/N、土壤微生物的种类和数量等[12]均明显优于幼龄林和中龄林，导致成熟林林下土壤有机碳的输入量较大。幼龄林处于森林发育的初期，土壤发育程度远不如成熟林、中龄林，因此林下土壤有机碳储量最小。
各龄组针阔混交林生态系统碳储量大小依次为成熟林>中龄林>幼龄林。其中，土壤层碳储量所占比重均最大，可见，土壤层碳储量是亚热带针阔混交林碳储量的主体。随着林分年龄的增加，土壤层碳储量比重呈先下降后增大的趋势。在幼龄林阶段，由于乔木层处于发育初期，其碳储量所占比重较小，因此相对提高了土壤层碳储量；随着林分年龄的增加，乔木快速生长，森林蓄积量相应增加，其碳储量比重相应提高，土壤层比重下降，另一方面，快速生长的乔木消耗了土壤中的有机碳，也对土壤层碳储量的比重产生影响；在成熟林阶段，乔木生长趋于停止，但林下植被物种种类和数量大量增加，土壤微生物的种类和数量亦随之增加，乔木和林下植被产生的大量枯落物被微生物不断分解形成腐殖质或水溶性有机碳淋溶进入土壤，使土壤有机碳储量增加。
针阔混交林成熟林、中龄林林分植被碳储量分别为73.26 t·hm-2、83.24 t·hm-2均高于我国森林植被碳储量的平均值(57.07 t·hm-2)[13]，说明针阔混交林具有较高的碳汇价值。成熟林、中龄林、幼龄林土壤层碳储量分别为172.80、88.80、72.80 t·hm-2，枯木、枯落物层碳储量分别为7.27、3.96、5.35 t·hm-2，分别低于我国森林生态系统土壤层碳储量平均值(193.55 t·hm-2)、枯落物层碳储量平均值(8.21 t·hm-2)[13]，这可能是由于将乐县针阔混交林地处我国中亚热带气候带，温湿度大，枯落物分解快，土壤呼吸速率高，碳物质流进入植被形成植被碳库，积累到土壤中的有机碳较少，故土壤碳储量处于较低水平。
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Carbon Stock and its Allocation Study on Theropencedrymion Ecosystem in Jiangle County
XIE Yu-hong
(JiangleCountyForestryBureau，Jiangle353300，Fujian，China)
The carbon stock and its allocation were analyzed among different age-groups of theropencedrymion ecosystem in Jiangle county by using the theory which was based on National Carbon Sequestration special investigation.Results showed that： the carbon stock of theropencedrymion ecosystem increased along with the growth of stand age，the total carbon stock in young forest，middle-aged forest，mature forest ecosystem were respectively 121.13 t·hm-2，176 t·hm-2，253.33 t·hm-2；in young forest，middle-aged forest and mature forest，the tree layer carbon storage accounted for 33.16%，46.94%，28.27%；soil organic carbon stock accounted for 60.10%，50.45%，68.21%，meanwhile，the carbon stock including soil layer and tree layer was more than 90% of the total carbon storage of the ecosystem；soil organic carbon stock in each age-group of theropencedrymion reduced while soil depth increased，but increased with the stand age growth，however，the carbon stock of 30～100 cm depth soil layer was slightly more than 10～30 cm depth soil layer in mature forest.In order to improve the accuracy of estimating carbon stock of theropencedrymion ecosystem，it should consider the differences of carbon stock in each age-group，layer，and organ of theropencedrymion ecosystem.
theropencedrymion；ecosystem；carbon stock
10.13428/j.cnki.fjlk.2014.03.011
2014-04-01；
2014-04-28
福建省林业碳汇调查项目资助
谢裕红(1972—)，女，福建浦城人，将乐县林业局工程师，从事营林生产工作。E-mail： jlxyh2393@163.com。
S718.55
A
1002-7351(2014)03-0048-06