朱玉偉,桑巴葉,王永紅,劉 康,陳啟民,褚奮飛

(新疆林科院 造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063)

隨著人類大量使用煤、石油等化石能源排放過量的二氧化碳等溫室氣體，是造成全球氣候變化的根本原因，氣候變暖及其影響越來越引起人們的關(guān)注，全球碳循環(huán)是全球氣候變化的核心問題之一,森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分[1-5]，在CO2收支平衡、緩解氣候變化以及維持全球氣候環(huán)境方面起著十分重要的作用[6-7]，而大量研究表明森林生態(tài)系統(tǒng)地上部分和地下部分有機(jī)碳儲量占陸地總碳儲量的80%和40%以上[8-9]。應(yīng)對氣候變化，降低大氣中CO2含量主要有兩條途徑，即工業(yè)直接減排和森林碳匯間接減排。短期內(nèi)我國通過工業(yè)直接減排的難度較大，森林碳匯投資少、代價低、綜合效益大，更具有經(jīng)濟(jì)可行性和現(xiàn)實(shí)操作性，森林碳儲量的估算對增匯減排和全球氣候變化意義重大[10]。人工造林被認(rèn)為是吸收CO2、減緩氣候變暖，增加森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的重要措施[11-12]。農(nóng)田防護(hù)林主要由人工林組成，它在新疆森林生態(tài)系統(tǒng)中占有舉足輕重的作用，通過開展新疆農(nóng)田防護(hù)林生物量分布特征研究，進(jìn)一步分析固碳能力，對森林碳匯間接減排具有十分重要的意義，也可為新疆農(nóng)田防護(hù)林經(jīng)營提供參考。

農(nóng)田防護(hù)林是由樹木組成的具有多種功能的，由帶狀組成的人工綠色網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[13]，其最高目標(biāo)是建立或恢復(fù)持續(xù)而穩(wěn)定的高生產(chǎn)力水平、高生態(tài)效益的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)。在增強(qiáng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力、改善農(nóng)田小氣候、凈化空氣、碳匯和保障作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)等方面起到重要作用[14-15]。生物量是體現(xiàn)森林生產(chǎn)潛力及固碳潛力重要而直接的指標(biāo)[16]，研究不同樹種、不同林齡農(nóng)田防護(hù)林生物量、碳儲量、碳密度的變化規(guī)律，對于掌握農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)不同發(fā)育階段的生產(chǎn)力、產(chǎn)量結(jié)構(gòu)、分配特點(diǎn)及固碳增匯能力，揭示不同時期影響防農(nóng)田護(hù)林生產(chǎn)力和生物量的主導(dǎo)因素等均有重要指導(dǎo)意義。由于新疆農(nóng)田防護(hù)林樹種單一，楊樹占80%以上，過去對楊樹生物量方面的研究主要集中在楊樹總生物量和各組分生物量變化規(guī)律、生物量預(yù)測方法、模型以及與其他相關(guān)環(huán)境因子之間關(guān)系方面[17-19]，對不同林齡下農(nóng)田防護(hù)林各樹種生物量、碳密度、碳儲量及其分配特征研究甚少。影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量大小的因子為氣候、林齡、林分類型以及森林群落結(jié)構(gòu)，而樹種是決定森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量大小的一個重要生物學(xué)因子[20]，但對不同造林樹種之間碳儲量、碳密度的林齡格局方面的研究還少有報道[21]。基于此，本文擬以新疆農(nóng)田防護(hù)林為對象，利用不同林齡下的新疆主要農(nóng)田防護(hù)林樹種解析木的實(shí)測數(shù)據(jù)，探討其生物量、碳密度、碳儲量組成、分配以及各組分生物量、碳儲量、碳密度隨年齡的變化規(guī)律，并分析農(nóng)田防護(hù)林主要造林樹種和林齡結(jié)構(gòu)下的碳儲量和碳密度差異，綜合分析和評價新疆農(nóng)田防護(hù)林主要樹種不同林齡結(jié)構(gòu)下的固碳功能，為已增加碳匯為目的的人工造林和農(nóng)田防護(hù)林經(jīng)營管理提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆(34°25′—49°10′N,73°40′—96°23′E) 位于中國的西北邊陲亞歐大陸中部，東西長約2 000 km，南北寬1 600 km，面積165 km2，是中國面積最大的省區(qū)，約占全國總面積的1/6。新疆有充足的光熱和土地資源，具有發(fā)展林業(yè)得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，但風(fēng)沙危害嚴(yán)重。2014年新疆耕地面積為512萬hm2，農(nóng)田防護(hù)林面積為36.94萬hm2，農(nóng)田防護(hù)林面積占耕地面積的7.21%，新疆綠洲農(nóng)田防護(hù)林體系關(guān)系到新疆的耕地面積穩(wěn)定，是保障糧食安全的生態(tài)屏障，在改善小氣候、防風(fēng)固沙、保持農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)中起著重要作用。在新疆綠洲，楊樹是農(nóng)田防護(hù)林的主要樹種，在綠洲內(nèi)部楊樹約占農(nóng)田防護(hù)林面積的80%以上，以楊樹為主形成的綠色廊帶和農(nóng)田防護(hù)林體系長久以來是維系新疆干旱荒漠綠洲生態(tài)穩(wěn)定的主體和保證，也是新疆木材供給的主要來源。研究區(qū)農(nóng)田防護(hù)林林分樹種單一，純林面積占總面積的98%，楊樹面積占80%以上，為絕對優(yōu)勢樹種，其他的樹種主要為榆樹和沙棗。新疆主要農(nóng)田防護(hù)林樹種包括幼齡、中齡、近熟林、成熟林和過熟林5個齡級，近幾年隨著更新的加快，過熟林面積很少。因此，本文中過熟林生物量按成熟林計算，林分概況見表1。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 于2013-2014年6-10月在新疆南、北、東疆典型地區(qū)和田地區(qū)墨玉縣、瑪納斯區(qū)域150團(tuán)場、吐魯番地區(qū)托克遜縣設(shè)立3個主要農(nóng)田防護(hù)林樹種不同林齡標(biāo)準(zhǔn)地，要求立地類型及營林措施一致，標(biāo)準(zhǔn)地為長100 m，寬度根據(jù)林帶寬度而定，每個林齡2個重復(fù)，共32個樣地，對標(biāo)準(zhǔn)地中的林木測定樹高和胸徑，并詳細(xì)調(diào)查樣地土壤、植被、郁閉度等生境要素。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)木選擇 采用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合二類資源清查數(shù)據(jù)，確定不同樹種、不同齡級的平均樹高和胸徑，選取平均標(biāo)準(zhǔn)木作為測定生物量的標(biāo)準(zhǔn)樣木。各樹種每個齡級選擇標(biāo)準(zhǔn)木兩株。

1.2.3 林木生物量測定

1)樹干生物量測定。解析木伐倒后，在離地徑1.3 m處分段，>15 m的樹干按2.0 m長度分段，<15 m的樹干按1.0 m長度分段；在地徑處及每個分段處截取3.0～5.0 cm厚的圓盤，記錄圓盤號和直徑，并分別測取每一段樹干和圓盤的鮮重。截取的圓盤帶回室內(nèi)置于80℃烘箱烘至恒重，推算樹干生物量。

2)樹枝及樹葉生物量測定。對樹枝、樹葉進(jìn)行分層、分級調(diào)查，從第1活枝起，將樹冠等分為上、中、下3層，在各層內(nèi)以枝基徑≤1.0 cm、1.0～2.0 cm、2.0～4.0 cm、>4.0 cm為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級，統(tǒng)計各層、各等級枝數(shù)，每級選取3個標(biāo)準(zhǔn)枝稱取帶葉枝鮮重，摘凈葉后分別稱取枝鮮重和葉鮮重；各級分別取100.0～200.0 g的枝、葉樣品各1份，稱鮮重后裝入自封袋做好標(biāo)記，帶回室內(nèi)烘干(80℃)至恒質(zhì)量稱重，測定水含率并算出干物質(zhì)生物量。

表1 研究樣地林分概況

3)根系生物量測定。以伐根為中心，分不同方向、層次(≤20.0 cm、20.0～40.0 cm、40.0～60.0 cm、>60.0 cm)挖取樹木全部根系，用水沖洗，再根據(jù)根系直徑≤1.0 cm、1.0～2.0 cm、2.0～5.0 cm、5.0～10.0 cm、>10.0 cm 5類分層分類稱重，隨機(jī)抽取1.0 kg樣品，裝入自封袋做好標(biāo)記，帶回室內(nèi)進(jìn)行烘干(80℃)，測定干物質(zhì)生物量。

1.2.4 有機(jī)碳密度測定

1)樣品采集。取標(biāo)準(zhǔn)木根、枝、葉、樹干各1份，重量200～300 g。

2)有機(jī)碳測定。將烘干的植物樣品粉碎，用于測定有機(jī)碳含量。植物樣品采用重鉻酸鉀-硫酸容量法測定。根據(jù)各樹種各組分(干、枝、葉、根)生物量與其含碳率的乘積得到各自的碳儲量，各樹種碳儲量為各樹種各組分之和。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 根據(jù)野外調(diào)查的結(jié)果和室內(nèi)分析的數(shù)據(jù)，用Excel2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS17.0進(jìn)行顯著性和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要樹種不同林齡各組分的生物量及其分配

2.1.1 農(nóng)田防護(hù)林主要樹種面積 新疆農(nóng)田防護(hù)林樹種主要有楊樹、榆樹、沙棗及少量軟闊和硬闊樹種如白蠟、柳樹、胡楊、山杏等，主要為楊樹、榆樹、沙棗，占比超過90%。對以上3個主要樹種進(jìn)行研究，將少量硬闊樹種面積歸到榆樹，軟闊樹種歸到楊樹進(jìn)行統(tǒng)計。從林齡結(jié)構(gòu)上看(表2)，3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種的面積以幼齡林和中齡林為主，從幼齡林到過熟林逐漸減少。楊樹幼齡林和中齡林面積占到總面積的60.54%，榆樹幼齡林和中齡林面積占到總面積的96.02%，沙棗幼齡林和中齡林面積占到總面積的84.16%。新疆的農(nóng)田防護(hù)林以楊樹為主，楊樹面積占總面積的79.62%。由于新疆農(nóng)田防護(hù)林主要樹種齡級主要以幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林為主，占總面積的96.16%，過熟林面積很小，僅占3.84%，因此，將過熟林面積歸到成熟林面積之中計算。

表2 農(nóng)田防護(hù)林主要樹種不同林齡面積

2.1.2 主要樹種不同林齡各組分生物量分配 主要樹種楊樹、榆樹、沙棗不同林齡各組分生物量及其分配比例不同(表3、圖1)。沙棗除幼齡林外不同組分的生物量的大小順序?yàn)闃涓?根>樹枝>樹葉，樹干居主導(dǎo)地位，體現(xiàn)了其生物量積累的水平，幼齡林不同組分的生物量的大小順序?yàn)闃渲?樹干>樹葉>根，樹干和樹葉生物量差別不大，原因?yàn)橛g林處于生長初期，光合作用強(qiáng)烈，枝條和葉生長旺盛，營養(yǎng)物質(zhì)積累迅速，樹干生物量積累相對緩慢；楊樹不同林齡不同組分的生物量的大小順序?yàn)闃涓?樹枝>根>樹葉，樹干生物量占絕對優(yōu)勢，說明楊樹為速生樹種，枝、干生長迅速，生物量積累迅速；榆樹不同林齡不同組分的生物量變化規(guī)律與上述2個樹種有所區(qū)別，在4個齡級中，樹干生物量占絕對優(yōu)勢，枝和根生物量處于中間,相差不大，葉生物量最小，榆樹為深根性樹種，根系發(fā)達(dá)，因此，根系生物量較為龐大。

圖1 防護(hù)林不同林齡樹種各組分生物量垂直變化規(guī)律

注：均值差的顯著性水平為 0.05。

農(nóng)田防護(hù)林3個主要樹種樹干生物量積累最多但占總生物量的比重不同，沙棗不同林齡樹干平均生物量占總生物量的37.02%，楊樹為66.20%，榆樹為36.90%。農(nóng)田防護(hù)林3個主要樹種各組分生物量隨著林分年齡的增大增長的幅度不同。沙棗樹干成熟林是幼齡林、中齡林、近熟林的4.98、1.32倍和1.10倍。成熟林葉、枝、根生物量是幼齡林、中齡林、近熟林的1.50～4.58倍。沙棗不同齡級各個組分生物量增長不明顯，除幼齡林外，中齡林、近熟林、成熟林各個組分生物量增長緩慢，這主要與沙棗生物學(xué)特性和新疆特殊的生長環(huán)境有關(guān)，沙棗在新疆大多生長在風(fēng)沙前沿，造成該樹種生長緩慢，生物量積累較慢；楊樹樹干成熟林是幼齡林、中齡林、近熟林的13.10、3.12倍和1.83倍，成熟林葉、枝、根生物量是幼齡林、中齡林、近熟林的4.78～18.04倍，說明楊樹生長迅速，生物量積累幅度大，原因主要是楊樹在新疆主要生長在綠洲內(nèi)部，水分條件優(yōu)越，生長的立地條件可滿足楊樹迅速生長的需要；榆樹成熟林樹干是幼齡林、中齡林、近熟林的46.73、9.47倍和4.11倍，成熟林葉、枝、根生物量是幼齡林、中齡林、近熟林的9.61～100.20倍，榆樹在3個樹種中生物量積累幅度最大，是因?yàn)橛軜鋸挠g林到成熟林生長長達(dá)60 a以上，在新疆主要生長在綠洲內(nèi)部，水分條件優(yōu)越，加之本身的生物學(xué)特性，是硬闊葉樹種中生長較為迅速的，各組分生物量緩慢增長，但增長幅度較大。

2.2 主要樹種不同齡組的碳儲量和碳密度

2.2.1 主要樹種不同齡組的碳儲量 林齡結(jié)構(gòu)是森林結(jié)構(gòu)與功能的主要動力因子，農(nóng)田防護(hù)林主要樹種林齡與農(nóng)田防護(hù)林生物量、碳儲量、碳密度具有密切關(guān)系。研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨著林齡的增長而增長，成熟林仍然能發(fā)揮巨大的碳匯作用[22]。由表2可知，幼齡林和中齡林的面積占到總面積的66.68%，從中看出新疆農(nóng)田防護(hù)林大多都處于幼、中齡林階段，隨著時間推移會不斷向成熟林過度，因而固碳潛力巨大。

根據(jù)測定的農(nóng)田防護(hù)林主要樹種各齡級各組分含碳率(表4)，計算出主要樹種各齡級各組分碳儲量(表5)。從表5可以看出，3種主要造林樹種中楊樹碳儲量最大，榆樹高于沙棗但相差不大，主要是楊樹面積最大，占農(nóng)田防護(hù)林總面積近80%，榆樹面積大于沙棗。3個主要農(nóng)田防護(hù)林樹種碳儲量除榆樹根>樹枝外，其余均為樹干>樹枝>根>樹葉，樹干為主要碳儲量組分。3種主要造林樹種由于齡級結(jié)構(gòu)不同，造成碳儲量排序不同，楊樹各齡組碳儲量大小依次為成熟林(2 884.10×104Mg)>中齡林(1 576.46×104Mg)>近熟林(1 325.14×104Mg)>幼齡林(333.83×104Mg)，分別占總碳儲量的47.17%、25.76%、21.65%、5.46%，碳儲量與生物量和含碳率密切相關(guān)，各齡級在含碳率在相差不大的情況下，生物量的大小決定碳儲量的大小，各樹種碳儲量的大小與各樹種單株生物量和面積呈正相關(guān)。成熟林占比最大，原因是成熟林面積雖然只占總面積的21.87%，但單株生物量是幼齡林的12.66倍，中齡林的3.27倍，近熟林的1.91倍，中齡林和近熟林相差不大，原因是中齡林面積大于近熟林，近熟林生物量大于中齡林，幼齡林占比最小，原因是面積雖然最大(面積是成熟林的1.41倍)，但單株生物量較小(成熟林生物量是幼齡林的12.66倍)，前三者占楊樹總碳儲量的94.54%，說明新疆農(nóng)田防護(hù)林主要樹種楊樹成熟林、中齡林和近熟林對其碳儲量起主要作用；榆樹和沙棗各齡組碳儲量大小依次為幼齡林(110.19×104Mg；79.24×104Mg)>中齡林(60.01×104Mg；67.02×104Mg)>近熟林(40.02×104Mg；34.59×104Mg)>成熟林(27.42×104Mg；31.47×104Mg)，分別占總碳儲量的46.37%和37.32%、25.32%和31.57%、16.84%和16.29%、11.54%和14.82%。榆樹和沙棗幼齡林和中齡林碳儲量所占比列較大，二者之和分別占榆樹和沙棗總碳儲量的71.69%和68.89%，說明新疆農(nóng)田防護(hù)林主要樹種榆樹和沙棗幼齡林和中齡林對其碳儲量起主要作用。主要防護(hù)林樹種面積和平均碳密度的不同是造成差異的主要原因，楊樹各齡級面積相差不是太大，但碳密度相差很大，碳密度從幼齡林的36.66 Mg·hm-2增加到成熟林448.25 Mg·hm-2，增加幅度很大，除中齡林外幼齡林到成熟林，碳儲量逐步增加，碳儲量中齡林>近熟林，主要是由于中齡林面積大于近熟林。榆樹、沙棗幼齡林和中齡林面積很大，分別占到了總面積的96.02%和84.16%，因此，造成榆樹和沙棗幼齡林和中齡林碳儲量較大。

表4 主要樹種不同林齡各組分含碳率

2.2.2 主要樹種不同齡組的碳密度 從表6可以看出，3個主要農(nóng)田防護(hù)林樹種碳密度從幼齡林到成熟林隨著林齡的增加而增加，碳密度是單位面積的碳儲量，增加的原因主要是不同樹種從幼齡林到成熟林生物量的增加，沙棗從幼齡林的38.78 Mg·hm-2增加到成熟林的140.60 Mg·hm-2，楊樹從幼齡林的36.66 Mg·hm-2增加到成熟林的448.25 Mg·hm-2，榆樹從幼齡林的30.40 Mg·hm-2增加到成熟林的555.15 Mg·hm-2，這表明農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)的碳素在不斷的積累。3個主要農(nóng)田防護(hù)林樹種不同齡級碳密度均為樹干>樹枝>根>樹葉，表明樹干是3個主要農(nóng)田防護(hù)林樹種碳密度的主要組分，如沙棗中齡林樹干碳密度占沙棗整株碳密度的38.22%、楊樹中齡林樹干占66.08%、榆樹中齡林樹干占41.98%，從中可看出樹干對整株樹種碳密度的貢獻(xiàn)。

2.3 主要樹種的碳儲量和碳密度

由于3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種的面積、單位面積生物量、齡組結(jié)構(gòu)等的不同，其碳儲量必然存在差異，3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種中(表5)，楊樹的碳儲量最高(6 119.53×104Mg)，其次為榆樹(237.63×104Mg)，沙棗為(212.31×104Mg)。3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種碳儲量的差異主要取決于其面積的大小。

表5 主要樹種不同林齡各組分碳儲量

表6 主要樹種不同林齡各組分的碳密度

3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種碳密度也差異明顯。其中，楊樹平均碳密度最高(207.77 Mg·hm-2)，沙棗次之(66.03 Mg·hm-2)，榆樹最低(55.65 Mg·hm-2)。3種主要樹種各齡組的碳密度為幼齡林(35.42 Mg·hm-2)<中齡林(172.69 Mg·hm-2)<近熟林(250.18 Mg·hm-2)<成熟林(442.36 Mg·hm-2)。

3 結(jié)論與討論

3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種的面積以幼齡林和中齡林為主，楊樹、沙棗、榆樹幼齡林和中齡林面積之和各占該樹種面積的60.54%、84.16%和96.02%。新疆農(nóng)田防護(hù)林以楊樹為主，占總面積的79.62%。

農(nóng)田防護(hù)林3個主要樹種樹干生物量積累最多，并且隨著林分年齡的增大而增大，各組分生物量隨著林分年齡的增大而增大，但增長的幅度不同。

新疆農(nóng)田防護(hù)林的總碳儲量為6 569.47×104Mg，發(fā)揮了較強(qiáng)的碳匯功能。主要樹種的碳儲量大小取決于面積和各樹種生物量，且于樹種、林齡結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，楊樹的碳儲量最高(6 119.53×104Mg)，其次為榆樹(237.63×104Mg)，沙棗為212.31×104Mg。

研究結(jié)果表明，3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種在增加新疆森林碳儲量上發(fā)揮了明顯作用。新疆農(nóng)田防護(hù)林3種主要樹種以幼齡林和中齡林為主，二者共占農(nóng)田防護(hù)林總面積的66.70%，因此，農(nóng)田防護(hù)林固碳潛力巨大。若能對現(xiàn)有的林分加以合理的森林撫育和管理，隨著時間的推移，林齡結(jié)構(gòu)將會發(fā)生很大的變化，將能更好地發(fā)揮森林碳匯功能[22]。3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種，除楊樹外，其余均以幼齡林的碳儲量最大，其次是中齡林。楊樹以成熟林的碳儲量最大，其次是中齡林，這與楊樹面積和林齡有關(guān),與桑巴葉林齡是影響林分碳儲量積累的主導(dǎo)因子之一的研究結(jié)果相同[23]。3種主要農(nóng)田防護(hù)林樹種隨林齡增加，碳密度也呈增長趨勢，隨著時間的推移，碳儲量將進(jìn)一步增加。

我國人工林普遍存在質(zhì)量低下、樹種組成單一及齡組結(jié)構(gòu)不合理等問題[24]，新疆農(nóng)田防護(hù)林也存在同樣問題。新疆農(nóng)田防護(hù)林碳密度和碳儲量增加的潛力巨大，如何估算碳匯增加的潛力及如何根據(jù)碳匯潛力的變化調(diào)整森林經(jīng)營管理措施，都是未來應(yīng)該思考和解決的重要技術(shù)問題[25]。未來應(yīng)加強(qiáng)新疆農(nóng)田防護(hù)林的撫育和管理水平，充分發(fā)揮其碳匯功能。隨著新疆農(nóng)田防護(hù)林幼、中齡發(fā)展成為近、成熟林，需針對不同的樹種類型，控制其成熟林的面積比例、促進(jìn)各齡組碳密度的增長，農(nóng)田防護(hù)林碳儲量也將進(jìn)一步增加。同時應(yīng)合理增加新造林面積以增加新疆農(nóng)田防護(hù)林碳儲量。

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