曹福明,閆文德,3,*,田大倫,3,鄧湘雯,3,陳建華

1 中南林業(yè)科技大學(xué),長(zhǎng)沙 410004 2 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410004 3 湖南會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,懷化 418307

桃江縣毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其空間分布

曹福明1,2,閆文德1,2,3,*,田大倫1,2,3,鄧湘雯1,2,3,陳建華1

1 中南林業(yè)科技大學(xué),長(zhǎng)沙 410004 2 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410004 3 湖南會(huì)同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,懷化 418307

采用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和生物量實(shí)測(cè)方法,研究了湖南省桃江縣毛竹林生態(tài)系統(tǒng)生物量、碳含量、碳儲(chǔ)量及空間分布格局。結(jié)果表明,不同年齡毛竹林生態(tài)系統(tǒng)總生物量分別為：28.147、30.889 t/hm2和57.763 t/hm2,其中竹林層生物量為20.254、25.036、55.685 t/hm2,各器官生物量均以竹竿最高,占器官生物量的63.0%以上。不同年齡毛竹各器官碳平均含量為0.466—0.483 gC/g；灌木層碳含量為0.474—0.489 gC/g；草本層為0.472—0.490 gC/g；死地被物層為0.213—0.276 gC/g；土壤層有機(jī)碳含量為14.790—34.503 gC/g。各年齡毛竹林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量分別為131.273、139.089 t/hm2和167.817 t/hm2,其中植被層碳儲(chǔ)量為13.627—28.419 t/hm2,占系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的9.935%—16.935%；死地被物為0.307—0.420 t/hm2,占0.234%—0.265%；土壤層為117.339—138.978 t/hm2,占82.815%—89.799%。毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分布格局為：土壤層>植被層>死地被物層。研究結(jié)果可為深入研究毛竹林的碳平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

毛竹林；生物量；碳含量；碳儲(chǔ)量；桃江縣

由于人為活動(dòng)影響,化石燃料的大量使用和土地變化的原因,大氣中CO2濃度以1.9 mL m-3a-1的線性速率增加[1- 2]。CO2作為最重要的一種溫室氣體,其源與匯成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)[3-4]。森林作為重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)在吸收大氣CO2、緩解氣候變化中的作用已經(jīng)得到了廣泛的共識(shí)[5-6]。我國(guó)許多科學(xué)家為研究森林對(duì)全球碳平衡的影響,從全球、區(qū)域尺度或國(guó)家尺度上研究了森林生態(tài)系統(tǒng)的碳分布及碳貯量[7- 11]。因此提高森林覆蓋率或選擇碳積累量較大的林木可有效調(diào)節(jié)全球碳平衡和維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境[7]。然而,為正確評(píng)價(jià)森林對(duì)大氣CO2的固定能力,較小尺度上研究某個(gè)地區(qū)、某個(gè)林種的碳固定量也顯得十分迫切[12-13]。

竹林是一類(lèi)重要的森林資源,在固碳增匯中起著重要的作用[14-15]。在全球森林面積急劇下降的今天,竹林面積卻以3%的速度在增長(zhǎng),這意味著竹林是一個(gè)不斷增大的碳匯,為增加森林碳匯尋找到了新的途徑[16]。毛竹(Phyllostachysheterocycla)是我國(guó)南方重要的森林資源,它占據(jù)了全國(guó)竹林面積的71.89%[17]。近年來(lái),有關(guān)毛竹林分碳儲(chǔ)量研究已取得一些成果[12- 13,18- 25],這些成果為正確評(píng)價(jià)毛竹林在固碳效應(yīng)及應(yīng)對(duì)全球變暖中的作用和地位做出了貢獻(xiàn)。但目前對(duì)毛竹林碳儲(chǔ)量還未引起足夠重視,區(qū)域數(shù)據(jù)不足,代表性不強(qiáng),難以反映全國(guó)毛竹林面積337.20萬(wàn)hm2的實(shí)際情況[18]。加之毛竹林的林分、不同經(jīng)營(yíng)管理措施及地帶性差異,使得正確估算毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量仍存在較大的不確定性,對(duì)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究結(jié)果差異較大[20- 23],另外還受竹齡因素的影響和制約,而對(duì)不同年齡毛竹林分碳儲(chǔ)量及其變化趨勢(shì)的研究雖有報(bào)道[19,23,25],但仍需加強(qiáng)。

湖南省桃江縣為中國(guó)十大“竹子之鄉(xiāng)”,種植著6.7萬(wàn)hm2的毛竹林,深受山區(qū)農(nóng)民的喜愛(ài),竹林產(chǎn)業(yè)占到當(dāng)?shù)剞r(nóng)民收入的30%左右,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分顯著。對(duì)毛竹生長(zhǎng)和經(jīng)營(yíng)方面前人已作過(guò)研究,但有關(guān)毛竹林固碳能力研究較少,本文則以桃江縣桃花江林場(chǎng)的毛竹林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,并結(jié)合毛竹林中毛竹的年齡,對(duì)其生物量、碳含量、碳儲(chǔ)量及其空間分布格局進(jìn)行了研究,可為深入研究我國(guó)毛竹林生態(tài)系統(tǒng)的碳平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為我國(guó)竹林碳匯/源研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)在桃江縣的桃花江林場(chǎng)。桃江縣位于湖南省中部偏北(111°36′E—112°19′E、28°13′N(xiāo)—28°41′N(xiāo))。處于雪峰山余脈向洞庭湖過(guò)渡的環(huán)湖丘崗地帶,海拔范圍在29.7—917.5 m(平均200 m),屬中亞熱帶大陸性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年均氣溫16.6℃。降水量1400—2000 mm,土壤為山地紅壤且土層淺薄。植被為中亞熱帶常綠闊葉林帶,自然植被主要有山茶科(Theaceae)、殼斗科(Fagaceae)、樟科(Tauraceae)等,還有6.7萬(wàn)hm2毛竹林(Phyllostachysheterocycla),被稱(chēng)為中國(guó)十大“竹子之鄉(xiāng)”。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置和調(diào)查方法

桃花江林場(chǎng)以經(jīng)營(yíng)毛竹為主。標(biāo)準(zhǔn)地則設(shè)置在林場(chǎng)的毛竹人工純林內(nèi)。其海拔高度為200—300 m,坡向?yàn)槟掀?坡度在15°以下,土層厚度約1 m,土壤為紅壤,pH值4.4—4.5。新造竹林在定植3年內(nèi),每年的5月和7月除草松土,成林的竹林每年于夏季鉤梢,冬季挖山。

由于毛竹林是一種異齡林,年齡是林分結(jié)構(gòu)的重要特征,依據(jù)管護(hù)人員記載的栽植時(shí)間,并結(jié)合對(duì)毛竹年齡的判別方法,分別在1年生或3年生或5年生的毛竹株數(shù)占據(jù)了50%—60%以上的竹林中,設(shè)置20 m×33.3 m標(biāo)準(zhǔn)地各6塊,共18塊,分別作為1年生或3年生或5年生的毛竹林,并在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)只調(diào)查記錄1年生或3年生或5年生的毛竹株數(shù)、胸徑、樹(shù)高等因子,而其他年齡毛竹不在調(diào)查范圍內(nèi),故不計(jì)入其內(nèi),經(jīng)計(jì)算后,在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選出平均木1株,則1年生、3年生和5年生標(biāo)準(zhǔn)木各6株,共18株。各標(biāo)準(zhǔn)地竹林結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地竹林特征

括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差；*僅為1年生或3年生或5年生毛竹的株數(shù)

2.2 生物量測(cè)定

采用“分層切割法”測(cè)定毛竹地上器官生物量。將標(biāo)準(zhǔn)木以竹竿交界處為界限,以1 m為區(qū)分段,分層截取竹竿、竹枝、竹葉,稱(chēng)取鮮重,并分別取樣1.0 kg；地下根系采用挖掘法,以標(biāo)準(zhǔn)竹為中心,在其周?chē)?.5 m×0.5 m范圍內(nèi)的土層挖出所有的竹蔸、竹鞭和鞭根(分側(cè)根和須根)。用水細(xì)心漂洗,再用篩子在水中篩后撿出所有根系,風(fēng)干表面水后,稱(chēng)取鮮重,各取樣1.0 kg。

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)選擇同齡毛竹相對(duì)集中的地方,布設(shè)灌木層樣方(2 m×2 m)、草本層樣方(1 m×1 m)、死地被物層樣方(1 m×1 m)各3個(gè),共取樣方162個(gè)。記錄樣方內(nèi)灌木和草本植物種類(lèi)后,均采用“樣方收獲法”測(cè)定生物量。灌木植物和草本植物按地上器官和地下根系分別稱(chēng)取鮮重,并各取樣1.0 kg。死地被物層分為未分解、半分解、已分解層分別稱(chēng)鮮重,各取樣1.0 kg。

將所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室,置于80℃下烘箱,烘至恒重,求出含水率,推算生物量。

2.3 土壤樣品采集

在各標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),與挖取標(biāo)準(zhǔn)竹的同時(shí),在標(biāo)準(zhǔn)竹周?chē)荚O(shè)3個(gè)采樣點(diǎn),按0—20、20—40、40—60 cm土層,分別采取土樣500 g,共采土樣162個(gè)。去除石礫和根系等雜物,風(fēng)干后過(guò)20目和100目篩,備用。在采集土樣之前,用100 cm3環(huán)刀取各層原狀土,置于105℃烘至恒重,測(cè)定土壤容重。并在距竹林地500 m處的空曠地設(shè)置對(duì)照樣地2塊,面積均為20 m×33.3 m,與竹林地同時(shí)采集土樣。作為毛竹林土壤性質(zhì)和有機(jī)碳含量的對(duì)比。

2.4 植物和土壤樣品測(cè)定

土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定；土壤自然含水率采用烘干法；土壤pH值用SJ—4A型pH計(jì)測(cè)定；土壤和植物有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀氧化外加熱法測(cè)定。土壤性質(zhì)見(jiàn)表2。

2.5 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 13.0軟件處理。

數(shù)據(jù)顯著性檢驗(yàn)采用單因子方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD),對(duì)不同年齡毛竹單株和林分生物量及碳儲(chǔ)量進(jìn)行了比較,顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

表2 標(biāo)準(zhǔn)地毛竹林土壤性質(zhì)

括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤差。同列相同小寫(xiě)字母表示同一林地土層間差異不顯著(P>0.05)；同列相同大寫(xiě)字母表示不同林分間差異不顯著(P>0.05)

2.5.1 林分生物量計(jì)算

林分喬木層生物量(t/hm2)=毛竹單株生物量(6株標(biāo)準(zhǔn)竹生物量的平均值)×林分中的株數(shù)(僅為1年生或3年生或5年生毛竹的株數(shù))

灌木層生物量(t/hm2)=所有灌木植物地上部分生物量+地下部分生物量；

草本層生物量(t/hm2)=所有草本植物地上部分生物量+地下部分生物量；

死地被物層生物量(t/hm2)=未分解層生物量+半分解層生物量+已分解層生物量。

2.5.2 林分碳儲(chǔ)量計(jì)算

喬木層各器官碳儲(chǔ)量(t/hm2)=各器官生物量×各器官碳含量；

林分喬木層碳儲(chǔ)量(t/hm2)=喬木層林木各器官碳儲(chǔ)量之和；

灌木層碳儲(chǔ)量(t/hm2)=各灌木植物碳儲(chǔ)量的加權(quán)平均值；

草本層碳儲(chǔ)量(t/hm2)=各草本植物碳儲(chǔ)量的加權(quán)平均值；

土壤層碳儲(chǔ)量(t/hm2)=土壤容重(g/cm3)×土層深度(cm)×土壤有機(jī)碳含量(g/kg)；

林分喬木層碳年固定量(t/hm2)=林分碳儲(chǔ)量÷6[12]

3 結(jié)果與分析

3.1 生物量

3.1.1 不同年齡毛竹生物量

表3列出了不同年齡毛竹各器官生物量。可以看出,毛竹單株生物量為16.204—23.202 kg,林分生物量為20.254—55.685 t/hm2,呈現(xiàn)出隨年齡的增加單株及林分生物量均隨之而增加的趨勢(shì)。且地上部分生物量高于地下部分,竹竿生物量遠(yuǎn)高于其他器官,可占據(jù)總生物量的63.0%以上。

3.1.2 植被層和死地被物層生物量

從表4可以看出,毛竹林植被層和死地被物層總生物量在28.147—57.763 t/hm2之間,并隨年齡增加呈逐漸增加的趨勢(shì)。其中,竹林層生物量占總生物量的70%以上,且隨著年齡的增加,其比重也不斷上升；林下植被層中,1年生和3年生竹林均以草本植物為主,5年生竹林則以灌木為主。且隨著林分年齡的增長(zhǎng),灌木層和草本層生物量占總生物量的比例逐漸減??；死地被物層生物量在1.371—1.731 t/hm2之間,占總生物量的3%—5%,但其生物量占總生物量的比例卻呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。

3.2 碳含量

3.2.1 毛竹各器官碳素含量

由表5表明,毛竹各器官碳素平均含量為0.466—0.483 gC/g,其中1年生毛竹各器官碳素含量變化范圍為：0.389—0.534 gC/g,3年生為：0.398—0.519 gC/g,5年生為：0.405—0.527 gC/g。1年生毛竹竹竿碳素含量最高,須根最低,3年生和5年生毛竹分別以竹枝和竹葉含量最高,側(cè)根最低,但不同年齡的毛竹各器官碳素含量之間均沒(méi)有明顯變化規(guī)律。

表3 不同年齡毛竹各器官生物量

括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差; 同行不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05); 同列相同大寫(xiě)字母表示差異不顯著(P>0.05)

表4 竹林植被層和死地被物層生物量及分配

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為百分?jǐn)?shù)

表5 不同年齡毛竹各器官碳素含量

括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差

3.2.2 毛竹林下植被層和死地被物層碳含量

由表6 可知,灌木層碳含量為0.474—0.489 gC/g,草本層為0.472—0.490 gC/g之間,隨年齡變化均有小幅增加,但碳素含量間亦不存在明顯變化規(guī)律。死地被物層中,各年齡不同分解階段的碳素含量在0.2 gC/g左右,其中1年生竹林死地被物層碳素含量隨分解時(shí)間增加而逐漸減少,3年生和5年生則相反。

表6 不同年齡毛竹林下植被層和死地被物層碳含量

括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)位標(biāo)準(zhǔn)差

3.3 土壤層有機(jī)碳含量

從表7可以看出,毛竹林地土壤有機(jī)碳平均含量在22.597—26.980 g C/kg之間,顯著高于對(duì)照地(18.592g C/kg)(P<0.05),并隨林分年齡增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),而且還隨著土壤深度的增加,土壤有機(jī)碳含量逐漸減少,除5年生竹林地土壤外,1年生和3年生毛竹林土壤表層與深層有機(jī)碳含量均存在顯著差異(P<0.05)。

表7 不同年齡毛竹林土壤碳含量

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;同行相同小寫(xiě)字母表示差異不顯著(P>0.05);同列不同大寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)

3.4 毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及空間分布

3.4.1 毛竹林碳儲(chǔ)量

由表8可以看出,1年生、3年生和5年生竹林碳儲(chǔ)量分別為10.490、11.802、28.226 t/hm2,隨年齡增長(zhǎng)而不斷增加,其中5年生毛竹林碳儲(chǔ)量與1年生和3年生毛竹林碳儲(chǔ)量間均存在顯著差異(P<0.05)。各毛竹林器官碳儲(chǔ)量均以竹竿最高,占毛竹林總碳儲(chǔ)量的60%以上,這與竹竿生物量而緊密相關(guān)。

從表8還可以看出,1年生和5年生毛竹林中,各器官碳儲(chǔ)量高低排序均為：竹竿>竹枝>竹葉>竹鞭>竹蔸>側(cè)根>須根；而3年生毛竹林各器官碳儲(chǔ)量高低排序?yàn)椋褐窀?竹枝>竹葉>竹蔸>側(cè)根>竹鞭>須根。

表8 不同年齡毛竹林各器官碳儲(chǔ)量

括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)位標(biāo)準(zhǔn)差; 同行不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05); 同列相同大寫(xiě)字母表示差異不顯著(P>0.05)

3.4.2 毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及空間分布

毛竹林生態(tài)系統(tǒng)中碳庫(kù)主要分為3個(gè)部分：植被層、死地被物層和土壤層。不同年齡毛竹林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量分別為131.273、139.089、167.817 t/hm2(表9),并隨年齡增加而增加。其中,土壤層碳儲(chǔ)量分別為117.339、124.901、138.978,占總碳儲(chǔ)量的82.815%—89.799%；植被層碳儲(chǔ)量在13.627—28.419 t/hm2之間,占系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的9.935%—16.935%。其中,竹林層碳儲(chǔ)量為10.490—28.226 t/hm2,占植被層碳儲(chǔ)量的76%以上；死地被物層碳儲(chǔ)量在0.307—0.420 t/hm2之間,只占系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的0.234%—0.265%,但它是土壤碳庫(kù)的重要來(lái)源,在土壤有機(jī)碳的積累和系統(tǒng)碳循環(huán)中起著十分重要的作用。毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的分布格局為：土壤層>植被層>死地被物層。

由方差分析結(jié)果可知,1年生和3年生竹林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量間無(wú)顯著差異(P>0.05),但均顯著低于5年生竹林(P<0.05)；1年生和3年生竹林中,灌木層碳儲(chǔ)量要低于草本層,5年生竹林則相反,但其碳儲(chǔ)量間差異不顯著(P>0.05)。各毛竹林生態(tài)系統(tǒng)中死地被物層碳儲(chǔ)量顯著低于植被層和土壤層(P<0.05)。

表9 不同年齡毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及空間分布(t/hm2)

括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差; 同行不同小寫(xiě)字母表示相同林齡不同層次碳貯量差異顯著(P<0.05); 同列相同大寫(xiě)字母表示不同林齡碳貯量差異不顯著(P>0.05)

3.4.3 毛竹林碳素年固定量的推算

從表9中可以看出,桃江縣桃花江林場(chǎng)3個(gè)年齡毛竹林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為131.273、139.089、167.817 t/hm2,明顯小于廣西大青山13年生杉木林的187.51 t/hm2[26],山西38年生油松人工林的172.95 t/hm2[27],而大于湖南會(huì)同速生階段杉木林的127.88 t/hm2[28]。毛竹林喬木層的碳儲(chǔ)量只有10.490、11.802、28.220 t/hm2,遠(yuǎn)小于上述各林種。依據(jù)周?chē)?guó)模等[12]推算毛竹林碳年固定量的方法,得出本次研究的毛竹林喬木層碳年固定量為1.748 t/hm2(1年生毛竹林)、1.967 t/hm2(3年生毛竹林)、4.704 t/hm2(5年生毛竹林)。1年生和3年生毛竹林碳年固定量小于上述各林種,但5年生毛竹林碳年固定量卻高于廣西大青山13年生杉木林(3.30 t/hm2)[26]1.4倍,高于湖南會(huì)同速生階段杉木林(3.525 t/hm2)[28]的1.3倍,而與山西38年生油松林碳年固定量4.53 t/hm2[27]接近。表明毛竹林是一個(gè)固碳能力較強(qiáng)的林種,且固碳能力隨著林齡的增長(zhǎng)而增強(qiáng)。因此,適度發(fā)展毛竹林對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)是有益的。

4 討論

4.1 毛竹生物量的測(cè)定

竹林的特殊結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)習(xí)性,決定了林分生物量的測(cè)算存在一定的難度。毛竹是異齡林,毛竹林分中生長(zhǎng)著不同年齡的立竹。本研究在測(cè)定毛竹生物量時(shí),為了工作方便和測(cè)定準(zhǔn)確,而又不影響立竹生長(zhǎng)的生態(tài)環(huán)境,所以在研究區(qū)設(shè)置的竹林標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi),僅對(duì)占據(jù)了50%—60%以上的同一年齡(1年生或3年生或5年生)立竹的株數(shù)、胸徑、竹高等因子進(jìn)行了調(diào)查、記錄和計(jì)算,并選出標(biāo)準(zhǔn)木測(cè)定生物量,而對(duì)其他年齡的立竹,不列入調(diào)查測(cè)定范圍內(nèi)。這與劉應(yīng)芳等[19]、漆良華等[23]、張蕊等[25]的前人研究在一塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)測(cè)定不同年齡毛竹生物量的方法是不相同的。

桃江縣毛竹單株生物量為16.204—23.202 kg,高于劉應(yīng)芳等[19]蜀南風(fēng)景區(qū)毛竹單株生物量0.63—1.32 kg,且在莊舜堯等[24]福建建甌市毛竹單株生物量8.2—35.4 kg范圍內(nèi)。郝慶云等[29]天目山毛竹單株生物量平均為15.375 kg,并認(rèn)為竹類(lèi)的個(gè)體生物量一般差異不大,毛竹個(gè)體的總生物量一般在13.0—20.0 kg,立竹生物量的大小主要取決于種群密度。

本文研究所得1年生、3年生和5年生毛竹林生物量分別為20.254、25.036、55.685 t/hm2。均高于蜀南竹海風(fēng)景區(qū)同齡級(jí)毛竹林分生物量(14.89、10.49、12.76 t/hm2)[19]和四川長(zhǎng)寧同齡級(jí)毛竹林分生物量(14.47、17.76、11.44 t/hm2)[25]。這可能與各研究區(qū)的氣候條件、種群密度、經(jīng)營(yíng)方式等有關(guān)。桃江縣毛竹林各器官生物量均以竹竿最高,占總生物量的63.0%以上,這與天目山毛竹林竹竿占總生物量的62.87%一致[29]。

從毛竹林分地下部分生物量與地上部分生物量比值來(lái)看,各研究結(jié)果差異較大。浙江臨安為0.606[12]、湖南會(huì)同為0.649[13]、蜀南竹海風(fēng)景區(qū)為0.480[19]、四川長(zhǎng)寧為0.525[25]、福建永春為0.384[30]、天目山為0.331[29]、福建武夷山為0.560[31]、江西大崗山為0.387[32],本研究?jī)H為0.196,明顯小于上述研究區(qū)。毛竹為散生竹,林分內(nèi)不同齡級(jí)的立竹共有地下的鞭根系統(tǒng)龐大,因此無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分立竹對(duì)應(yīng)的地下鞭根量[25]。目前測(cè)定立竹鞭根的處理方法有：1)以立竹為中心,在其周?chē)欢ǚ秶鷥?nèi)的土層挖掘該立竹的鞭根量[25,30]；2)采用典型樣方挖掘法[32-33]；3)運(yùn)用生物量模型估算[31,34]。因此測(cè)定方法各不相同,使得結(jié)果存在差異。本研究是采用方法(1),與張蕊等[25]、彭在清等[30]一致,只是挖掘的范圍大小有所不同。此外,彭在清等[30]認(rèn)為是由于毛竹林中各度竹數(shù)量和比例不同及人工經(jīng)營(yíng)程度不同所致。何東進(jìn)等[31]發(fā)現(xiàn)人工經(jīng)營(yíng)的毛竹林比天然毛竹林有更高的地上部分生物量比例和較低的地下部分生物量比例。因此,經(jīng)營(yíng)方式能影響毛竹林生物量的分配格局[33]。本研究區(qū)毛竹林的經(jīng)營(yíng)管理方式為：定植3年的毛竹林,每年除草松土2次,成林每年一次的挖山,人為干擾也可能是造成毛竹林地下部分生物量比例低的主要原因之一。

4.2 毛竹碳儲(chǔ)量

森林生態(tài)系統(tǒng)中各組分含碳率是估算森林碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵因子。以往研究毛竹各器官含碳率表明,浙江臨安為0.468—0.521 gC/g[12]、湖南會(huì)同0.465—0.472 gC/g[13]、江西大崗山0.463—0.491 gC/g[18]、蜀南竹海風(fēng)景區(qū)0.451—0.531 gC/g[19]、四川長(zhǎng)寧0.467—0.479 gC/g[25]。本研究測(cè)得毛竹各器官含碳率為0.466—0.483 gC/g,與各研究結(jié)果相接近,但還是存在一定差異。另外,四川宜賓苦竹各器官含碳率為0.436—0.463 gC/g[35]、浙江平陽(yáng)吊絲竹為0.468—0.509 gC/g[36]、四川洪雅麻竹為0.454—0.530 gC/g[37]、四川納溪孝順竹為0.489—0.522 gC/g[38]、華西雨屏雜交竹0.472—0.513 gC/g[39]。而且各研究中的竹子各器官含碳率大小順序也不盡相同。上述表明,竹子含碳率隨竹種和器官不同而有差別,就是同一竹種,但不同區(qū)域也不相同。因此,必須分區(qū)域分竹種對(duì)含碳率進(jìn)行實(shí)測(cè),才能保證科學(xué)準(zhǔn)確地計(jì)量竹林的碳匯。

劉應(yīng)芳等[19]對(duì)不同齡級(jí)毛竹林分碳儲(chǔ)量研究表明,Ⅰ齡級(jí)(1—2年生)毛竹林分碳儲(chǔ)量為7.55 t/hm2、Ⅱ齡級(jí)(3—4年生)為5.32 t/hm2、Ⅲ齡級(jí)(5—6年生)為6.47 t/hm2,且隨齡級(jí)的增長(zhǎng)呈波動(dòng)性下降趨勢(shì),均低于本研究的1年生、3年生、5年生毛竹林分碳儲(chǔ)量(10.490、11.802、28.226 t/hm2、),且隨年齡的增長(zhǎng)而不斷增加。但本研究結(jié)果卻低于霍山(30.4 t/hm2)和臨安(30.2 t/hm2)毛竹林分碳儲(chǔ)量[20],更遠(yuǎn)低于我國(guó)森林植被平均碳儲(chǔ)量(57.07t/hm2)[8]。表明地帶性差異是影響森林碳儲(chǔ)量的重要因素。

5 結(jié)論

(1)桃江縣毛竹林分總生物量1年生為28.147 t/hm2、3年生為30.889 t/hm2、5年生為57.763 t/hm2；其中竹林層1年生為20.254 t/hm2、3年生為25.036 t/hm2、5年生為55.685 t/hm2；林下植被層分別為6.522、4.325、0.347t/hm2,且1年生和3年生以草本層生物量為主,5年生以灌木層生物量為主；死地被物層分別為1.371、1.588、1.731t/hm2,且隨林分年齡的增長(zhǎng)而逐漸增加。

(2)桃江縣毛竹各器官碳素平均含量為0.466—0.483 gC/g；林下灌木層碳含量為0.474—0.489 gC/g；草本層為0.472—0.490 gC/g；死地被物層為0.213—0.276 gC/g；土壤有機(jī)碳平均含量為22.597—26.980 gC/g。不同年齡毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為131.273、139.089、167.817 t/hm2,隨年齡的增長(zhǎng)而增加,其中植被層碳儲(chǔ)量分別為13.627、13.819、28.419 t/hm2,占系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的9.935%—16.935%。死地被物層分別為0.307、0.369、0.420 t/hm2,占0.234%—0.265%。土壤層有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為117.339、124.901、138.978 t/hm2,占82.815%—89.799%,且碳儲(chǔ)量主要集中在表土層(0—30 cm)。生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分布格局為土壤層>植被層>死地被物層

(3)桃江縣毛竹林生態(tài)系統(tǒng)竹林層碳年固定量1年生為1.748 t/hm2、3年生1.967 t/hm2、5年生4.704 t/hm2。隨著竹齡的增長(zhǎng),碳年固定量增加,止5年生時(shí),其碳年固定量為廣西大青山13年生杉木林(3.30 t/hm2)[26]的1.4倍,是湖南會(huì)同杉木林速生階段(3.525 t/hm2)[28]的1.3倍,而與山西38年生油松林碳年固定量4.53 t/hm2[27]接近。表明毛竹林是一個(gè)固碳能力較強(qiáng)的林種,且固碳能力隨著竹齡的增長(zhǎng)而增強(qiáng)。因此,適度發(fā)展毛竹林對(duì)當(dāng)?shù)丶斑m生區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)是有利的。

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Distribution of biomass and carbon storage in different aged stands of Moso Bamboo plantations in Taojiang, Hunan

CAO Fuming1,2, YAN Wende1,2,3,*, TIAN Dalun1,2,3, DENG Xiangwen1,2,3, CHEN Jianhua1

1CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China2NationalEngineeringLabforAppliedTechnologyofForestry&EcologyinSouthChina,Changsha410004,China3NationalKeyStationforFieldScientificobservation&Experiment,Huaihua418307,China

In this study, the biomass and carbon concentrations were measured and the carbon storages were estimated in various plant organs and components of different aged stands of Moso bamboo plantations in Taojiang county, Hunan province. The objective of the research project was to quantify the special distribution of biomass and carbon storage in bamboo forest ecosystems in order to better understanding of the dynamic property of biomass production and carbon cycle in the plantation ecosystems. The results showed that (1) the standing biomass increased with aged plantations. The standing biomass was 28.15, 30.89, and 57.76 t/hm2in three studied aged stands, respectively, of which the stem organ accounted for the highest proportion of the total standing biomass for all aged stands, with an average value of 63%; (2) the carbon storage increased with aged stands, ranging from 131.27 t/hm2to 167.82 t/hm2in the three different aged Moso bamboo plantations. The carbon concentrations in plant organs varied with tree aging and ranged from 0.466 gC/g to 0.483 gC/g. The range of carbon concentrations was 0.474—0.489 gC/g in the shrub layer, 0.472—0.490 gC/g in the herbaceous layer, 0.213—0.276 gC/g in the litter layer, and 14.790—34.503 gC/g in soils; (3) the total carbon storage was 131.27, 139.09, and 167.82 t/hm2in the three different aged Moso bamboo plantation ecosystems, respectively, of which 13.63—28.42 t/hm2was found in the vegetation layer and 0.307-0.420 t/hm2in the litter layer, respectively, which accounted for 9.94%—16.94% and 0.23%—0.27% of the total carbon storage in the plantation ecosystems. Carbon storage in soils ranged from 117.34 t/hm2to 138.98 t/hm2, which accounted for 82.82%—89.80% of the total carbon in the ecosystems. The carbon storage in different components declined in an order soil layer>vegetation layer>litter layer in all studied Moso bamboo plantation ecosystems. Our results provide scientific references for further studying of carbon cycle and sequestration in bamboo forests.

moso bamboo plantation; biomass; carbon dynamics; carbon storage; Taojiang county

國(guó)家林業(yè)公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201104009); 湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(湘財(cái)教字[2010]70號(hào));長(zhǎng)沙市科技局能源研發(fā)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(K1003009- 61)

2015- 09- 30;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201509301992

*通訊作者Corresponding author.E-mail: csfuywd@hotmail.com

曹福明,閆文德,田大倫,鄧湘雯,陳建華.桃江縣毛竹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其空間分布.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(6):2005- 2013.

Cao F M, Yan W D, Tian D L, Deng X W, Chen J H.Distribution of biomass and carbon storage in different aged stands of Moso Bamboo plantations in Taojiang, Hunan.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):2005- 2013.