何 斌 劉紅英

(廣西大學(xué)，南寧，530004)

余春和

(廣西七坡林場)

覃祚玉 羅柳娟 劉 莉

(廣西大學(xué))

當(dāng)前，大氣CO2濃度上升引起的溫室效應(yīng)及其所帶來的一系列生態(tài)環(huán)境問題已成為世界上關(guān)注的熱點和面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第4次評估報告指出［1］:到2200年，全球平均氣溫將升高0.5℃。因此，為最大限度地減少全球變化帶來的不良后果，世界各國積極致力于減緩全球溫室氣體排放的增長速度。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其維持的碳庫占全球總碳庫的46.3%，而森林植被部分維持的碳庫占全球植被碳庫的77.1%［2］。研究森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)對于了解全球碳平衡和人類活動對全球氣候變化的影響均具有重要意義，而通過利用陸地生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤積累有機碳來增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量，已成為當(dāng)前和今后調(diào)節(jié)和控制大氣CO2濃度，減緩全球變暖速度的全球性重大策略和極其重要的途徑［2－4］。黑木相思(Acacia melanoxylon)原產(chǎn)于澳大利亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和印度尼西亞等地，具有速生、干形較直、耐干瘠和抗逆性強等特點，是一種多功能的速生用材樹種，已成為目前廣東、廣西、福建、海南等省區(qū)推廣種植相思類樹種中的首推樹種。目前國內(nèi)有關(guān)黑木相思人工林的研究已有不少報道［5－8］，但主要集中在引種、苗木選育、生長特性以及木材材性等方面，有關(guān)黑木相思人工林碳貯量的研究很少。因此，筆者對8年生黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量、碳貯量及其分布特征進行較系統(tǒng)的研究，以期為準(zhǔn)確評估黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳效益提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西省南寧市北郊，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候帶，年平均溫度21.8℃，極端最高氣溫40℃，≥10℃年積溫約7200℃，年平均降水量1350 mm，降雨多集中在5—9月，相對濕度約79%，年日照時數(shù)1450～1650 h。調(diào)查樣地均位于山坡中下部，海拔200～250 m，坡向為南坡，坡度25°～28°，土壤類型為砂頁巖發(fā)育形成的赤紅壤，土層厚度在70 cm以上。試驗地前茬林分為馬尾松(Pinus massoniana)人工林，2000年12月采伐馬尾松林并經(jīng)煉山整地后，于2001年4月用黑木相思實生苗定植，初植密度1140株/hm2。造林當(dāng)年和第2年除草撫育管理各1次。2009年3月調(diào)查時經(jīng)自然稀疏和間伐后林分保留密度為850株/hm2，郁閉度0.75，林分平均胸徑15.2 cm，平均樹高14.8 m。林下植物灌木層主要有毛桐(Mallotus barbatus)、鹽膚木(Rhus chinensis)、杜莖山(Maesa japonica)、潺槁樹(Litsea glutinosa)、越南懸鉤子(Rubus cochinchinensis)等，草本植物主要有蔓生莠竹(Microstegium vegans)、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus)和淡竹葉(Lophatherum gracile)等，凋落物層厚度2～3 cm。

2 研究方法

喬木層生物量的測定:在對8年生黑木相思人工林全面踏查的基礎(chǔ)上，于鄰近分布、立地條件相似、長勢良好的林分設(shè)置3個20 m×20 m的調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地，測定樣地內(nèi)樹木的樹高和胸徑。根據(jù)林分生長調(diào)查結(jié)果，按林木的徑級分布，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選取各徑級標(biāo)準(zhǔn)木伐倒，地上部分采用2 m區(qū)分段“分層切割法”測定干材、干皮、活枝、枯枝、樹葉鮮質(zhì)量，地下部分(根系)采用全根挖掘法，分別測定根蔸、粗根(直徑 D≥2.0 cm)、中根(直徑 0.5 cm≤D＜2.0 cm)、細(xì)根(D＜0.5 cm)鮮質(zhì)量。各器官分別取樣，在80℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量，計算出各器官的干濕比例和干物質(zhì)質(zhì)量，估算林分生物量。

林下植被及凋落物層生物量調(diào)查:于黑木相思人工林每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)各隨機設(shè)置5個1 m×1 m的小樣方。灌木和草本層用樣方法收割和稱量地上部鮮質(zhì)量，再挖掘和稱量樣方地下20 cm范圍內(nèi)的根。凋落物層則采用收集和稱量樣方內(nèi)所有凋落物，同時取樣測定含水率和干質(zhì)量。年凋落物量測定采用直接收集法，在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機設(shè)置5個1 m×1 m的尼龍網(wǎng)收集器，收集網(wǎng)孔徑為1 mm，每月月底收集凋落物1次，選取混合樣并經(jīng)烘干后測定生物量。

樣品的采集及其碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定:在測定生物量的同時，采集不同器官(樹葉、活枝、枯枝、樹干、樹皮、根蔸、粗根、中根和細(xì)根)及灌木層、草本層和凋落物層樣品，經(jīng)烘干、粉碎、過篩后裝瓶待測。并在各標(biāo)準(zhǔn)地中按上、中、下地段隨機設(shè)置3個采樣點，按0＜土壤深度h≤20、20 cm＜h≤40 cm、40 cm＜h≤60 cm和60 cm＜h≤80 cm分別用環(huán)刀(100 cm3)和布袋取樣。布袋樣品于室內(nèi)自然風(fēng)干、粉碎過篩后用于測定土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，環(huán)刀樣品用于測定土壤密度。植物和土壤樣品碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定［9］。

生態(tài)系統(tǒng)碳貯量計算:黑木相思不同器官、草本層、灌木層和凋落物層生物量與其碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乘積為其相應(yīng)的碳貯量，土壤碳貯量則是土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤密度、采樣深度和面積的乘積，喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳貯量之和為生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量。喬木層碳素年凈固定量由各器官年平均凈生產(chǎn)力及其相應(yīng)的碳素含量計算而得。

3 結(jié)果與分析

3.1 黑木相思人工林林分生物量

從表1可以看出，3個黑木相思人工林生物量平均為108.47 t·hm－2。喬木層作為林分的主要組成部分，其生物量達(dá)到93.12 t·hm－2，占總生物量的85.85%;灌木層為7.87 t·hm－2，占7.26%，草本層為 2.62 t·hm－2，占 2.42%，凋落物層為 4.86 t·hm－2，占 4.48%。

表1 黑木相思人工林生物量 t·hm－2

3.2 黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2.1 喬木層各組分碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表2可以看出，黑木相思不同組分碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為468.5 ～506.7 g·kg－1，不同組分碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)干材最高，然后依次為樹葉、活枝、根蔸、粗根、中根、枯枝、細(xì)根，最低是干皮，如按不同器官碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低次序則為干材、樹葉、樹枝、樹根、干皮。

表2 黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.2.2 林下植被及土壤層碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

從表2可以看到，黑木相思人工林草本層和灌木層的碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出地上部分高于地下部分的趨勢?？偟膩砜矗谀鞠嗨既斯ち稚鷳B(tài)系統(tǒng)中以喬木層碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，其次是凋落物層和灌木層，最低為草本層。黑木相思人工林土壤(0～80 cm)有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出隨土壤深度增加而明顯下降的趨勢，由第1層的16.38 g·kg－1下降到第4層的 4.47 g·kg－1，各層次之間土壤有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均達(dá)到顯著差異(t檢驗，P＜0.05)，其中 0＜h≤20 cm土層碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于其它土層，且隨著土壤深度的增加，相鄰?fù)翆犹妓刭|(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異趨向變小。

3.3 黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配

3.3.1 植被層碳貯量

從表3可以看出，黑木相思人工林喬木層生物量為 93.12 t·hm－2，碳貯量為 46.33 t·hm－2，樹干作為喬木層碳貯量的主體，其碳貯量為24.95 t·hm－2，占喬木層碳貯量的 53.85%;其次是樹根、樹枝(活枝和枯枝)和樹皮，它們的碳貯量依次占喬木層碳貯量的 14.59%、14.24%和 9.88%;樹葉最少，僅占喬木層碳貯量的7.42%。

黑木相思人工林灌木層和草本層生物量分別為7.87、2.62 t·hm－2，碳貯量分別為 3.65、1.13 t·hm－2。凋落物層作為土壤有機碳的最重要來源，在土壤有機碳的積累過程中起著極為重要的作用。受樹種生物學(xué)特性等影響，黑木相思人工林凋落物現(xiàn)存量較少，其生物量(4.86 t·hm－2)和碳貯量(2.26 t·hm－2)均明顯低于相近林齡的厚莢相思人工林［10］，但均略高于相近林齡的杉木［11］和落葉松人工林［12］。

3.3.2 土壤有機碳貯量

黑木相思人工林土壤(0～80 cm)有機碳貯量為89.69 t·hm－2(表3)，其中0＜h≤20 cm 土層有機碳貯量(41.15 t·hm－2)是 20 cm＜h≤40 cm 土層的2.05倍，占土壤層碳貯量的45.88%;其次是20cm＜h≤40 cm土層，這2層土壤碳貯量占整個土壤有機碳貯量的68.25%。由于0＜h≤20 cm和20 cm＜h≤40 cm比較容易受到人為干擾的影響而導(dǎo)致土壤碳損失，因此應(yīng)加強森林植被保護，盡量避免任何引起水土流失的活動，以減少土壤碳損失。

3.3.3 生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其空間分配

黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)的總碳貯量包括喬木層、林下植被層、凋落物層和土壤層。從表3可以看出，黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量為143.06 t·hm－2，喬木層作為生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，其碳貯量為46.33 t·hm－2，占總量的 32.39%，林下植被層(灌草層)碳貯量為4.78 t·hm－2，占總碳貯量的 3.34%;凋落物層為 2.26 t·hm－2，占總量的 1.58%;土壤層(0 ～80 cm)為 89.69 t·hm－2，占總量的62.69%，為植被層碳貯量1.68倍。因此，林地土壤是碳的一個極重要的貯存庫，在平衡大氣中的CO2方面有著重要作用。

表3 黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配

3.4 黑木相思人工林碳素年凈固定量

根據(jù)各組分年凈生產(chǎn)力及相應(yīng)組分的碳素含量，計算出黑木相思人工林年凈固碳量(表4)。從表4可見，黑木相思人工林年凈生產(chǎn)力為17.02 t·hm－2·a－1，碳素年凈固定量為 8.45 t·hm－2·a－1，其中喬木層碳素年凈固定量為 5.79 t·hm－2·a－1，占總碳素年凈固定量的68.52%，為凋落物碳素年凈固定量的2.18倍。不同組分的碳素年凈固定量以干材最大，其年凈固碳量占喬木層碳素年凈固定量53.89%，其次是樹枝、樹根和干皮，最小是樹葉，僅占 7.43%。

表4 黑木相思人工林碳素年凈固定量 t·hm－2·a－1

4 結(jié)論與討論

黑木相思各器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為468.5% ～507.6%，按碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列次序為樹干＞樹枝＞樹葉＞樹根＞樹皮，與馬占相思不同器官碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的排列順序(干皮＞干材或樹葉＞樹枝＞樹根)［3］、杉木不同器官的碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列順序(干皮＞樹葉＞干材＞樹根＞樹枝)［10］和厚莢相思不同器官的碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)排列順序(干材＞樹根＞干皮＞樹枝＞樹葉)［11］等樹種存在一定的差異，反映了黑木相思各器官碳素累積特點。黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層不同層次碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為喬木層＞枯落物層＞灌木層＞草本層，土壤層(0～80 cm)有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨土層深度的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。

8年生黑木相思人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量為143.06 t·hm－2，其中喬木層碳貯量為 46.33 t·hm－2，明顯高于燕山北部13年生落葉松人工林(25.18 t·hm－2)［12］和廣西南丹 14 年生杉木人工林(37.29 t·hm－2)［13］，略低于燕山北部33年生落葉松人工林(49.46 t·hm－2)［12］、福建順昌 20 年生馬尾松人工林(50.28 t·hm－2)［14］和湖南會同 15 年生杉木人工(52.55 t·hm－2)［15］，占生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的 32.39%;灌木和草本層為 10.49 t·hm－2，占 3.34%;凋落物層碳貯量 2.26 t·hm－2，占 1.58%。

森林土壤是碳的一個極重要的貯存庫，我國森林土壤平均有機碳貯量為 193.55 t·hm－2，約占整個生態(tài)系統(tǒng)有機碳貯量的74.78%［16］。而受研究區(qū)所處區(qū)域和前茬林分即原馬尾松人工林的影響，黑木相思人工林土壤碳貯量(89.69 t·hm－2)及其占整個生態(tài)系統(tǒng)有機碳貯量的比值均明顯低于我國森林土壤平均碳貯量(193.55 t·hm－2)，占生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的62.69%。但從黑木相思的生物量特性種植黑木相思人工林前后的土壤有機碳含量可以看出，由于黑木相思具有高落葉量的特性，有利于土壤有機碳的生物積累，從而提高土壤有機碳庫的積累或貯存能力。

8年生黑木相思人工林年凈生產(chǎn)力為17.02 t·hm－2·a－1，碳素年凈固定量為 8.45 t·hm－2·a－1，折合成 CO2的量可達(dá)到30.98 t·hm－2·a－1，高于處于速生階段的福建南平20年生杉木人工林碳素年凈固定量(7.18 t·hm－2·a－1)和湖南會同 15 年生杉木人工林碳素年凈固定量(5.33 t·hm－2·a－1)，略低于廣西南寧7年生厚莢相思人工林的9.86 t·hm－2·a－1［13］?？梢姡谀鞠嗨际且粋€既具有較高植物體碳吸存能力，又具有較強土壤碳吸存能力的熱帶樹種，考慮其具有干形良好、速生、材質(zhì)優(yōu)良而又具有一定的耐寒能力，黑木相思既可以在熱帶亞熱帶地區(qū)作為人工用材林發(fā)展，更適宜在該地區(qū)以生態(tài)公益林或碳匯樹種為經(jīng)營目的的退化山地生態(tài)系統(tǒng)中加以推廣。

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