黃榮珍，樊后保，李 鳳，肖 龍

(1.南昌工程學院生態(tài)環(huán)境系，江西南昌330099;2.泰和縣水土保持站，江西泰和343700)

全球氣候變暖已經成為無可爭議的事實，造成氣候變暖的主要原因是以二氧化碳為主的溫室氣體排放過多，而降低大氣中二氧化碳等溫室氣體的含量有兩種辦法:一是直接的節(jié)能減排，二是間接手段，即通過生態(tài)手段吸附、固化大氣中的二氧化碳。

在間接減排的各種努力中，森林的經營與管理具有十分重要和不可替代的作用和地位。森林就像地球的“肺”，在吸收二氧化碳、減緩全球氣溫上升方面發(fā)揮著舉足輕重作用，作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其匯聚著全球植被碳庫86%以上的碳及全球土壤碳庫73%的碳[1-2]。江西省作為我國南方嚴重的紅壤侵蝕區(qū)，在侵蝕劣地生態(tài)修復方面開展了卓有成效的工作，近幾十年森林覆蓋率大幅度提高，但總體上依然暴露出林分質量偏低，未能充分發(fā)揮當地豐富氣候資源潛力的態(tài)勢，這與缺乏科學研究支持及由此帶來的認識不足、資金缺位密切相關，嚴重制約了廣大水土流失地生態(tài)修復工作的深入開展。以往在進行生態(tài)修復效益評價時，對其吸收二氧化碳、抑制氣候變暖效益往往忽略或重視不夠。本研究選擇在井岡山水土保持科技示范園(水利部第一批水土保持科技示范園)設立實驗地，以嚴重侵蝕紅壤地不同人工修復措施林分為研究對象，對群落的喬木層、土壤層的碳儲量及其“碳匯”價值進行探討，以期對人工修復林分的“碳匯”效益有更深入的了解，為生態(tài)修復的生態(tài)補償提供理論依據和基礎數據，促進生態(tài)修復工作的深入開展。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于泰和縣老虎山小流域內，地理位置為東經 114°52′—114°54′，北緯 26°50′—26°51′，屬中亞熱帶季風氣候，多年平均雨量為1 363 mm。無霜期288 d，平均氣溫為18.6℃，平均大于10℃的積溫為5 918℃，極端最高、最低氣溫分別為40.4℃和-6℃。老虎山小流域屬平原面丘陵區(qū)，海拔在80～200 m之間，境內丘坡平緩，坡度多在5°左右，土壤為第四紀紅色粘土發(fā)育而成的紅壤，厚度一般為3～40 m。

試驗地包括裸露地(植被恢復前的對照，用CK表示)，以及在裸露地上治理恢復的強烈干擾馬尾松(Pinus massoniana)林分(打松枝、耙松針，無任何撫育管理措施，用A表示)，竹節(jié)溝馬尾松林分(開挖水平竹節(jié)溝，用B表示)，種草竹節(jié)溝馬尾松林分(帶狀種草且開挖水平竹節(jié)溝，用C表示)和竹節(jié)溝濕地松(Pinuselliotti)林分(開挖水平竹節(jié)溝，用D表示)，治理前均為A層土壤全部剝蝕，B層出露，本底條件相似。

裸露地屬強度土壤侵蝕，B層出露，地表無任何草灌。馬尾松和濕地松都是1983年同密度植苗造林治理形成的，竹節(jié)溝全部為2000年開挖完成。本試驗于2008年4月進行每木調查和土壤樣品的野外采樣。調查強烈干擾馬尾松平均樹高4.44 m、平均胸徑9.38 cm，密度1 450株/hm2，林地內除了少數的萌芽松苗外，沒有灌木和草本;竹節(jié)溝馬尾松平均樹高6.44 m、平均胸徑8.04 cm，密度 1 500株/hm2，林地內偶見極少數的低矮草灌。種草竹節(jié)溝馬尾松平均樹高5.68 m、平均胸徑8.85 cm，密度1 525株/hm2，草種為2002年播種的百喜草(Paspalum notatum Flugge)，林地內現存極少數的低矮灌木，草本的覆蓋率約為40%。竹節(jié)溝濕地松平均樹高13.12 m、平均胸徑14.74 cm，密度1 300株/hm2，林地內現存少數的低矮草灌，草灌的覆蓋率約為30%。為研究方便，林地內的草灌由于量少數微，且沒有合適的方程供計算選擇，故不計入生物量及固碳量。

2 研究方法

2.1 材積與林分固碳量計算方法

單株材積采用同位于泰和縣、紅壤侵蝕地上建立起來的二元材積方程[3]，標準地的材積采取每木調查法、計算單株材積的總和得到。

式中:V馬，V濕——分別為馬尾松、濕地松單株林木的樹干材積(m3);D——林木的胸徑(cm);H ——林木的樹高(m)。

根據研究，同地區(qū)和同年齡馬尾松木材干物質密度346.6 kg/m3，濕地松木材干物質密度 298.9 kg/m3[3];馬尾松干、葉、枝、根分別占生物量干質量的比例為 65.1%，11.8% ，10.5% ，12.6%[4];含碳量分別為51.614%，44.617%，47.563%，50.737%[5];濕地松干、葉、枝、根的比例分別為63.8%，11.2% ，12.9%，12.1%[4];含碳量分別為 54.786%，59.33%，5.59%和56.311%[6]。

2.2 土壤碳計算方法

土壤碳庫儲量計算采用的公式為:

式中:SOCP——每一土層土壤碳庫儲量(t/hm2);d——每一土層厚度(cm);Q——土壤容重(g/cm3);f——每一土層＞2 mm 石礫含量(%);c——每一土層深度有機碳含量(g/kg)。

土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定。

2.3 固碳價值計算方法

目前對森林生態(tài)系統(tǒng)單位CO2吸收功能經濟價值的評估多采用碳稅法和造林成本法。由于西方國家稅收水平較高，造林成本法又難以反映人們的實際支付意愿，取2種計算方法的平均值更接近其實際價值，碳稅法在計算中一般使用瑞典稅率(150美元/t)，折合成人民幣約為1 245元/t[7]，中國的造林成本一般采用 71.2元/t，折合為 261.3元/t[8]。

3 結果與分析

3.1 不同林分喬木層固碳量

從圖1可以看出，強烈干擾馬尾松、竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松林分林木的固碳量分別為 6.12 ，6.83 ，8.20，32.69 t/hm2;以竹節(jié)溝濕地松最高，分別為強烈干擾馬尾松、竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松的5.34，4.48和3.99倍，其中竹節(jié)溝馬尾松和種草竹節(jié)溝馬尾松比較接近，種草的比沒種草的高19.96%，同時兩者分別比強烈干擾馬尾松高11.58%和33.85%。說明濕地松生長快、生物量大，固定CO2的能力強，而兩種開挖竹節(jié)溝的馬尾松林均高于受到強烈擾動破壞林分，這與竹節(jié)溝截短坡長、減緩坡度，改變坡面小地形，調控坡面徑流、改善坡面水肥運動狀況從而促進林木生長有關;種草的優(yōu)于沒有種草的，揭示了種草不僅可以增加地表覆蓋，直接減少徑流和土壤沖刷，亦可通過種草從而有利于喬木生長、更好保護地表，起到間接的水土保持作用。

葉、枝、根的固碳量占總量的比例都在33%(濕地松為37%)以上，其重要性不可輕視，因此，森林被采伐利用時，木材部分被制成家具或建筑物可以被“永久的”保存起來，成為緩沖性質的林產品碳庫，對調節(jié)地球環(huán)境中碳周轉速率和周轉量具有重要的意義[9];采伐剩余物枝、葉、皮、根等應保留在林地內，讓其在自然狀態(tài)下緩慢分解，經由腐殖質的最后分解階段常常需要很長的時間——有時達到幾年或幾十年[4]，減緩CO2排放。同時，如果能夠在采伐后及時完成CO2更新過程，所造成的CO2的排放量不是很大。反之，森林采伐后，大量樹根、葉、枝、皮等被移出林外作薪材，或進行“煉山”，這將導致大量的有機質在很短時間內迅速氧化分解，尤其是土壤表層有機質在高溫下迅速氧化，將排放大量的CO2[10]。

圖1 不同林分喬木層固碳量

3.2 土壤有機碳含量及其垂直分布

裸露地80 cm土層內土壤有機碳平均含量為3.03 g/kg(圖2)，變幅在2.5～3.3 g/kg之間。人工修復后，竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松林80 cm土層內土壤有機碳含量分別比裸露地高48.68%，92.20%和213.67%，既使是強烈干擾馬尾松也比裸露地高23.19%。人工修復后土壤有機碳含量的增加主要是由于植物凋落物分解輸入和土壤侵蝕的減少。裸露地0—80 cm土層內土壤有機碳含量沒有顯著的垂直變化(圖2)，而人工修復后土壤有機碳含量垂直變化明顯，其中以竹節(jié)溝濕地松最為突出。4種人工修復林分0—10 cm，10—20 cm和20—40 cm土壤有機碳含量均顯著高于裸露地的(圖2)，其中0—10 cm土層土壤有機碳含量修復最為明顯，竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松比裸露地增加了1.89，3.69和4.48倍，強烈干擾馬尾松增加的相對較少，僅有1.47倍，這主要與植物凋落物和草本聚集在地表有關。在20 cm土層深度以下土壤有機碳含量下降速率變緩，20—80 cm僅竹節(jié)溝濕地松顯著高于裸露的。40 cm土層深度以下的土壤容重大，養(yǎng)分貧乏，根系數量少，因此人工植被修復對底層土壤有機碳的影響較小。竹節(jié)溝濕地松在40—80 cm土層深度土壤有機碳含量與裸露地的仍有較大差異，超出了其根系活躍的深度，此問題有待于進一步研究。

種草竹節(jié)溝馬尾松林地播種百喜草6 a后0—10 cm的土壤有機碳含量相比10—20 cm土層急劇增加(圖2)，增大了1.36倍，20—80 cm 土層有機碳含量則與沒種草的沒有明顯差異，表明土壤有機碳的修復效果最主要體現在0—10 cm土層，即侵蝕退化地種草治理可能在短時間內修復表層土壤有機碳含量。這主要是因為百喜草根系匍匐地表，每到冬季百喜草莖葉及須根大量枯死，為表層土壤補充了大量的有機物質，而且百喜草的覆蓋有效減少了土壤有機質的流失。

圖2 土壤有機碳垂直分布

3.3 不同林分土壤碳儲量

土壤是僅次于海洋和地質庫的碳儲庫，全球土壤有機碳庫約1 500 Pg(1 Pg=1015g)，大約分別是大氣(750 Pg)和陸地生物(550～570 Pg)碳庫的2～3倍，在全球碳循環(huán)中起著至關重要的作用，它的微小變化可能對大氣CO2濃度具有顯著影響[11]。自然植被遭人為嚴重破壞時，導致土壤有機碳的損失，而適當的管理和植被恢復可以使退化土壤重新吸存有機碳，成為緩和大氣CO2濃度上升的有效手段之一[12]。從表1可以看出，不同人工修復林分土壤碳儲量不同，以裸露地最低，分別為強烈干擾馬尾松、竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松的86.31%，72.75%，62.46%和36.84%。主要是因為裸露地沒有凋落物的歸還與自肥作用，且在長期的土壤侵蝕和礦化作用影響下，土壤有機碳損失嚴重。修復為種草竹節(jié)溝馬尾松林和竹節(jié)溝濕地松林后土壤有機碳儲量顯著增加，0—80 cm土層的碳儲量分別為49.060和83.170 t/hm2，但仍明顯低于我國亞熱帶常綠闊葉林(124 t/hm2)和亞熱帶、熱帶常綠針葉林(95 t/hm2)及亞熱帶、熱帶灌叢矮林(94.9 t/hm2)[13]，也低于一些研究者估算的我國森林土壤的平均碳儲量(115.90或193.55 t/hm2)[13-14]，以及世界土壤的平均碳儲量(189.10 t/hm2)[14]。

在0—80 cm土層內，土壤有機碳儲量均隨著土壤深度增加而減少(表1)。0—10 cm土層土壤有機碳儲量修復最明顯，強烈干擾馬尾松、竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松分別比裸露地分別增加了0.41，0.80，2.33和3.19倍。按相同的土層厚度計算，人工修復后，0—10 cm土層土壤有機碳儲量所占比重最大，尤其是種草竹節(jié)溝馬尾松0—10 cm土層的土壤有機碳儲量占土壤有機碳總儲量的27.32%，而裸露地0—10cm土層有機碳儲量與其它層次的差異較小。

表1 不同人工修復措施林分土壤碳儲量 t/hm2

人工修復后，0—20 cm土層是土壤儲存有機碳的主要層次，如裸露地0—20 cm土層有機碳儲存量只占0—80 cm土層的26.37%，而強烈干擾馬尾松、竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松地則分別占30.94%，31.76%，39.73%和 37.56%，分別比裸露地增加了35.93%，65.53%，141.23%和286.58%;而在40 cm土層深度以下，每個層次土壤有機碳儲量占總儲量的比例相對穩(wěn)定，強烈干擾馬尾松、竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松地分別約為20%，22%，19%和16%左右，因此，上述措施對40 cm以下深度土壤有機碳儲量的影響不明顯。

3.4 不同林分固碳價值

不同林分固碳價值差異顯著(表2)，強烈干擾馬尾松、竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松林分的固碳價值分別為3.14，3.69，4.31和8.73萬元/hm2，比裸露地分別增加了0.36，0.60，0.87和2.78倍。人工修復的植被碳庫中以強烈干擾馬尾松最低，竹節(jié)溝濕地松最高，后者是前者的5.34倍，竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松的植被碳庫價值居中，分別是竹節(jié)溝濕地松20.90%和25.07%。以裸露地為對照，強烈干擾馬尾松、竹節(jié)溝馬尾松、種草竹節(jié)溝馬尾松和竹節(jié)溝濕地松林分增加的固碳價值分別為0.83，1.38，2.00和 6.42萬元/hm2。

表2 不同林分固碳價值

4種人工修復林分中，除了竹節(jié)溝濕地松，另外3種林分土壤碳庫價值所占比例俱在85%以上，顯示了保護土壤碳庫、提高其固碳能力的重要性。保護土壤碳庫、提升其碳吸存能力，除了改變小地形、增加地表覆蓋、避免徑流破壞外，還需要栽植速生、喬灌草結合或種植凋落物量大的植物，以增加土壤的有機物質輸入。在嚴重侵蝕退化的立地條件下，創(chuàng)造有利于苔蘚、地衣等低等植物生存的微環(huán)境，促進微生物種群和數量的增加，加快生態(tài)系統(tǒng)正向演替的進程。

4 結論

(1)人工修復明顯增加了侵蝕退化地的有機質的恢復，固定了大量的CO2，增加了碳匯，顯示了其顯著的固碳效益。在4種人工修復林分中，強烈干擾馬尾松的固碳量最低，竹節(jié)溝濕地松的最高，其原因在于濕地松前期生長迅速、枝葉繁茂，而強烈干擾馬尾松經常存在打枝、耙松針、人為踐踏頻繁、水土流失嚴重等障礙，生長嚴重不良。

(2)土壤有機碳含量隨著土層深度的增加而降低，裸露地土壤碳儲量極低，有機碳的垂直分布也不明顯。人工恢復顯著增加了侵蝕退化地土壤有機碳含量和儲量，尤其是0—10 cm土層土壤有機碳含量和儲量受植被恢復影響最大，0—20 cm土層是儲存有機碳的主要層次，40 cm以下深度土層有機碳受植被恢復的影響很小。

(3)與同緯度的地帶性植物群落相比，嚴重退化修復地上的植被碳庫和土壤碳庫都相差甚遠，揭示其尚有很大的碳吸存潛力，但在侵蝕退化地上，各種營養(yǎng)元素含量極低，植被生長環(huán)境條件惡劣，依靠植物自身能力恢復速度十分緩慢，亟需外來進一步的人工干預，以加速其恢復的進程，此也將提供一個巨大的碳吸存空間，從而為延緩氣候變暖做出積極貢獻。

(4)我國南方紅壤嚴重侵蝕劣地普遍采用馬尾松、濕地松兩種先鋒樹種，本研究結果表明濕地松的固碳效益遠大于馬尾松，但其短期內并不能取代鄉(xiāng)土樹種馬尾松，作為外來樹種，濕地松抗逆性不如前者，2008年春的雨雪凍害致其大面積倒伏，要更大面積地推廣種植，需要開展進一步的改良和研究。

[1] Woodwell G M，Whittaker R H，Reiners W A，et al.The biota and the world carbon budget[J].Science，1978，199:141-146.

[2] 劉國華，傅伯杰，方精云.中國森林碳動態(tài)及其對全球碳平衡的貢獻[J].生態(tài)學報，2000，20(5):733-740.

[3] 李軒然，劉琪，陳永瑞，等.千煙洲人工林主要樹種地上生物量的估算[J].應用生態(tài)學報，2006，17(8):1382-1388.

[4] 李曉曼，康文星.廣州市城市森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2008，28(1):8-13.

[5] 方晰，田大倫，胥燦輝.馬尾松人工生產與碳素動態(tài)[J].中南林學院學報，2003.23(2):11-15.

[6] 方晰，田大倫，項文化，等.不同密度濕地松人工林碳的積累與分配[J].浙江林學院學報，2003，20(4):374-379.

[7] 宋離東，張江山.福建省森林固定 CO2價值評估[J].云南環(huán)境科學，2005，24(3):24-26.

[8] 馬婭，匡耀求，黃寧生，等.森林固碳釋氧價值動態(tài)變化及其與區(qū)域發(fā)展水平相關分析:以廣州市為例[J].林業(yè)經濟問題，2008，28(5):692-696.

[9] 徐德應，劉世榮.溫室效應、全球變暖與林業(yè)[J].世界林業(yè)研究，1992(1):25-32.

[10] 方晰，田大倫.杉木人工林林地CO2釋放量的研究[J].林業(yè)科學 ，1997，33(2):94-103.

[11] Rosenzweig C，Hillel D.Soils and global climate change:Challenges and opportunities[J].Soil Science，2000，165(1):47-56.

[12] Post W M，Kwon K C.Soil carbon sequestration and land use change:Processes and potential[J].Global Change Biology，2000 ，6:317-327.

[13] 周玉榮，于振良，趙士洞.我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和碳平衡[J].植物生態(tài)學報，2000，24(5):518-522.

[14] Dixon R K，Brown S，Houghton R A，et al.Carbon pools and flux of global forest ecosystems[J].Science，1994，263:185-190.