沈會(huì)濤,張 韜,馬文才,秦彥杰,武愛彬,曹建生,趙艷霞,鄭振華,*

1 河北省科學(xué)院地理科學(xué)研究所, 石家莊 050021 2 河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心, 石家莊 050021 3 河北省科學(xué)院, 石家莊 050051 4 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心, 石家莊 050021

森林在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用[1-2]。通過造林和合理的森林經(jīng)營管理可增加森林碳匯功能及潛力,能有效減緩氣候變化[3-4]。因此,開展人工林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡動(dòng)態(tài)研究,已成為國際社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)[5- 11]。

我國經(jīng)濟(jì)林面積約0.11億hm2,占全國土地總面積1.1%,占世界經(jīng)果林總面積23%[12]。與森林生態(tài)系統(tǒng)相比,人為干擾增加了經(jīng)濟(jì)林碳儲(chǔ)量研究的復(fù)雜性,盡管國內(nèi)外學(xué)者已開展相關(guān)研究,但大多僅限于經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量現(xiàn)狀,如郭雪艷等[12]對(duì)上海地區(qū)桃樹(Amygdaluspersica)和柑橘(Citrusreticulata)的植被層和土壤層碳儲(chǔ)量以及喬木層年凈固碳量進(jìn)行估測(cè)。此外,也有學(xué)者針對(duì)不同經(jīng)營年限的經(jīng)濟(jì)林土壤碳庫特征進(jìn)行了分析,如王義祥[13]研究了不同經(jīng)營年限柑橘(C.reticulata)園土壤碳庫的變化特征;甘卓亭等[14]對(duì)蘋果(Maluspumila)園不同林齡的土壤碳庫進(jìn)行了分析。

目前, 有關(guān)經(jīng)濟(jì)林隨林齡增長而導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化規(guī)律的研究還較為缺乏。為此,本文選擇太行山東坡具有相似立地條件與管護(hù)措施不同林齡的杏樹(Armeniacavulgaris)人工林為對(duì)象,通過樣地調(diào)查與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合,測(cè)定喬木層和土壤層的含碳率,研究不同林齡階段的碳儲(chǔ)量及其分配特征,從而為山區(qū)經(jīng)濟(jì)林碳匯評(píng)價(jià)與林分經(jīng)營管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 研究地區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于位于太行山東麓(38°05′N,114°18′E),距離河北省石家莊市區(qū)約30 km。該研究區(qū)為低山丘陵區(qū),主要地貌類型是以中、低山為主體的土石山區(qū),地帶性土壤以褐土為主。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)型大陸性氣候,四季分明。年均氣溫為13.9℃,最熱月7月和最冷月1月的月平均氣溫分別為27.2℃和-1.7℃。年降水量為542.2 mm,降水主要集中于7、8兩個(gè)月,占全年降水總量的56%。年日照時(shí)數(shù)為1776.9 h,無霜期日數(shù)平均為219 d[15]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

野外調(diào)查于2015年9—10月進(jìn)行。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)全面踏查情況,選取4、8、12年生和16年生生杏樹林為研究對(duì)象,每個(gè)林齡分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m樣地。對(duì)每個(gè)樣地進(jìn)行每木檢尺,測(cè)定樹高、冠幅、基徑,樣地基本情況見表1。

1.2.2 樣品采集和碳含量測(cè)定

生物量調(diào)查及樣品采集：在標(biāo)準(zhǔn)樣地中找與平均基徑、平均樹高接近并干形比較圓滿的單株樹作為解析木。4個(gè)樣地共選擇12株杏樹伐倒,分別測(cè)定干、枝、葉生物量(不含果實(shí));根系采用全挖法,由于<5 mm樹根很難獲取,所以本文中樹根不包括此部分[5,16]。同時(shí)取部分樣品帶回實(shí)驗(yàn)室于80℃烘干測(cè)定其含水率,換算干生物量。由于杏樹樹高受人為剪枝等影響,本研究采用基于基徑(D)為自變量的冪函數(shù)模型[16],計(jì)算喬木層各器官生物量(表2),進(jìn)一步求和得到單株生物量和樣地內(nèi)喬木層的生物量[2]。此外,在除草、翻耕和采摘等人為干擾下,樣地內(nèi)雜草和枯枝落葉較少,所以未對(duì)草本層和枯落物層進(jìn)行采樣。

表1 不同林齡杏樹林基本特征

表2 杏樹單株生物量方程

W：生物量Biomass;D：基徑Diameter at basal height

土壤樣品采樣：在每個(gè)樣地內(nèi)按“品”字形隨機(jī)選取3個(gè)取樣點(diǎn),采用土鉆法,按0—20、20—40、40—60 cm和60—100 cm分層鉆取土壤樣品,將同一土層樣品混合,置于自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室。同時(shí),在樣方內(nèi)選取一塊具有代表性的地段挖取土壤剖面,層次劃分與土鉆法相同,使用環(huán)刀法取各層原狀土,每層3個(gè)重復(fù),樣品帶回實(shí)驗(yàn)室于105℃下烘干至恒量,稱其干質(zhì)量后計(jì)算土壤容重。

碳含量測(cè)定：各組分植物混合樣于80℃下烘干、粉碎過60目土壤篩;各層土壤混合樣去除根系與粗石,風(fēng)干、磨碎過60目土壤篩。所有土壤和植物樣品的有機(jī)碳含量均采用重鉻酸鉀氧化外加熱法[17]測(cè)定。

1.2.3 碳貯量的計(jì)算

喬木層碳儲(chǔ)量[17]計(jì)算公式：

式中,TAOC為喬木層總有機(jī)碳儲(chǔ)量(Mg/hm2);Ci為各組分(樹根、樹干、樹枝和樹葉)有機(jī)碳含量(Mg/Mg);Bi為對(duì)應(yīng)部分碳生物量(Mg/hm2)。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量計(jì)算公式[6,18]如下：

式中,TSOC為土壤總有機(jī)碳儲(chǔ)量(Mg/hm2);Ci為第i層土壤有機(jī)碳含量(g/kg);Li為第i層土壤厚度(cm);BDi為第i層土壤容重(g/cm3);Gi為第i層土壤中直徑≥2 mm礫石的體積含量(%),0.1為單位換算系數(shù)[6]。

生態(tài)系統(tǒng)碳貯量為喬木層碳儲(chǔ)量和土壤層碳儲(chǔ)量之和。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010和SPSS 18.0軟件分別進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 杏樹人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳含量特征

2.1.1 喬木層碳含量

不同林齡杏樹各器官碳含量在447.3—488.1 g/kg(圖1)。林齡僅對(duì)樹干的碳含量有顯著影響(P<0.05),隨著林齡的增長,樹干的碳含量呈減小趨勢(shì),4年生顯著高于后3個(gè)林齡段。不同林齡間樹根、樹枝和樹葉的碳含量差異不顯著：樹根碳含量隨林齡的增長而增大;樹枝碳含量隨林齡增長呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì);樹葉碳含量無明顯規(guī)律性。不同器官間碳含量明顯不同,以樹干最高,樹葉最低,大小順序?yàn)椋簶渲?473.3 g/kg)>樹干(469.9 g/kg)>樹根(469.4 g/kg)>樹葉(449.8 g/kg)。

2.1.2 土壤碳含量

不同林齡杏樹林土壤層碳含量在1.3—10.2 g/kg(圖2)。同一土層不同林齡間碳含量差異顯著,0—100 cm各土層碳含量隨林齡的增長而增大。不同杏樹林土壤層都表現(xiàn)出明顯的垂直分布特征,0—20 cm土壤層碳含量均顯著高于下層土壤,并隨著土壤層深度的增加逐漸減小。

圖1 不同林齡杏樹人工林喬木層各器官碳含量 Fig.1 Carbon contents in different organs of arbor layer in the plantations at different stand ages不同大寫字母表示林齡間差異顯著,不同小寫字母表示器官間差異顯著(P<0.05)

圖2 不同林齡杏樹人工林各土壤層碳含量 Fig.2 Soil C contents in different soil layers in the apricot plantations at different stand ages不同大寫字母表示林齡間差異顯著,不同小寫字母表示各土壤層差異顯著(P<0.05)

2.2 杏樹人工林碳儲(chǔ)量及分配

圖3 杏樹人工林喬木層各器官生物量的分配比例 Fig.3 Biomass allocation of different organs in arbor layer in the apricot plantations

2.2.1 喬木層生物量、碳儲(chǔ)量及分配

4、8、12年生和16年生杏樹林喬木層生物量分別是0.26、6.18、11.02 Mg/hm2和21.90 Mg/hm2。樹根和樹干生物量分配隨林齡的增長而逐漸增大,樹枝和樹葉生物量分配則呈相反趨勢(shì)(圖3)。喬木層各器官碳儲(chǔ)量隨林齡的變化趨勢(shì)與生物量變化特征較為一致,各器官碳儲(chǔ)量隨林齡的增長而顯著增大(表3)。林齡對(duì)喬木層各器官碳儲(chǔ)量分配有顯著影響,隨著林齡的增長,碳儲(chǔ)量在樹根和樹干的分配增加,而在樹枝和樹葉的分配下降。樹枝和樹葉碳儲(chǔ)量所占比例從4年生的30.7%和24.6%分別下降到13.3%和5.6%;樹干的變化趨勢(shì)正好相反,其碳儲(chǔ)量所占比例由4年生的17.9%增加到16年生的54.5%;樹根碳儲(chǔ)量所占比例則呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

2.2.2 土壤層碳儲(chǔ)量及分配

杏樹林各土壤層碳儲(chǔ)量隨林齡的增長而增大,4年生杏樹林各土壤層碳儲(chǔ)量顯著低于其他3個(gè)林分(圖4);8、12年生和16年生3種林齡對(duì)0—20 cm和60—100 cm土層土壤碳儲(chǔ)量的影響均不顯著。土壤層對(duì)各林齡杏樹林土壤碳儲(chǔ)量有顯著影響;各林齡土壤碳儲(chǔ)量隨土壤層加深表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì),40—60 cm土壤層土壤碳儲(chǔ)量最低。0—40 cm土壤層土壤碳儲(chǔ)量占土壤層總碳儲(chǔ)量(0—100 cm)的52.7%—59.7%,可見,0—40 cm土壤層對(duì)土壤總碳儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)較大。

表3 杏樹人工林喬木層碳儲(chǔ)量特征/(Mg/hm2)

同列不同大寫字母表示林齡間差異顯著;同行不同小寫字母表示器官間差異顯著(P<0.05)

圖4 杏樹人工林各土壤層碳儲(chǔ)量Fig.4 Soil C storage in apricot plantations 不同大寫字母表示林齡間差異顯著,不同小寫字母表示各土壤層間差異顯著(P<0.05)

2.2.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及分配

由表4可以看出,不同林齡杏樹林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量在27.810—102.336 Mg/hm2;林齡對(duì)杏樹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量有顯著影響,喬木層和土壤層土壤碳儲(chǔ)量均隨林齡的增長而增大。不同林齡杏樹林各組分碳儲(chǔ)量比例不同。4、8、12年生和16年生杏樹林喬木層占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的比例依次是0.4%、4.0%、6.3%和9.9%,隨林齡的增長而增大;不同林齡杏樹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量主要集中在土壤層,占生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的90.1%—99.6%。

3 討論

本研究中,杏樹林喬木層各器官的碳含量(447.3—488.1 g/kg)與艾澤民等[17]對(duì)黃土丘陵區(qū)刺槐(Robiniapseudoacacia)人工林喬木層的碳含量(435.9—493.4 g/kg)和Elias等[19]測(cè)定的32 個(gè)熱帶森林樹種碳含量(444.0—494.5 g/kg)相似,低于明安剛等[4]對(duì)格木(Erythrophleumfordii)人工林喬木層碳含量(509.0—572.4 g/kg)和楊麗麗等[20]對(duì)六盤山白樺木(Betulaplatyphylla)林喬木層碳含量(533.1—565.2 g/kg)。這表明碳含量大小與樹種的關(guān)系極為密切,不同樹種的碳含量有明顯差異[4,21]。目前,在計(jì)算森林碳儲(chǔ)量時(shí)的通用碳系數(shù)為0.5或者0.45[3]。杏樹林喬木層平均碳含量在該范圍內(nèi),但4個(gè)林齡段的碳含量不同,可見,在估算該地區(qū)杏樹林碳儲(chǔ)量時(shí),可以利用這一通用碳系數(shù),但若要研究不同林齡的碳儲(chǔ)量狀況,利用這一碳系數(shù)可能會(huì)低估或高估了杏樹林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量,導(dǎo)致結(jié)果存在偏差。

表4 杏樹人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量及其分配格局/(Mg/hm2)

同行不同大寫字母表示不同林齡間差異顯著(P<0.05)

杏樹林(4—16年生)生態(tài)系統(tǒng)中喬木層的碳儲(chǔ)量(0.122—10.144 Mg/hm2)與岷江干旱河谷岷江柏(Cupressusc℃hengiana)人工林(4—13年生)喬木層碳儲(chǔ)量(0.163—14.006 Mg/hm2)[7]及黃土丘陵區(qū)刺槐人工林(9—17年生)喬木層碳儲(chǔ)量(11.7—12.9 Mg/hm2)[17]相似。與其他經(jīng)濟(jì)林相比較,本研究8年生杏樹林喬木層碳儲(chǔ)量(2.876 Mg/hm2)低于福建7 年生柑橘園喬木層碳儲(chǔ)量(4.75 Mg/hm2)[22]和上海7年生桃園和柑橘園的喬木層碳儲(chǔ)量(分別為15.91 Mg/hm2和23.54 Mg/hm2)[12]。這種差異主要受樹種類型、立地條件、氣候條件和管理措施等因素影響[23]。此外,杏樹林作為一種典型的農(nóng)用型植被類型,其碳循環(huán)過程受到人類管理措施(間伐、除草、剪枝、翻耕和對(duì)果實(shí)的收獲等)的影響,在實(shí)際生產(chǎn)過程中,地被雜草、枯枝落葉和果實(shí)迅速歸還土壤或被帶走[24],這些構(gòu)成杏樹林生態(tài)系統(tǒng)中暫時(shí)性或流動(dòng)性的植被層碳庫。因此,杏樹林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層的實(shí)際碳儲(chǔ)量將大于本研究結(jié)果。此外,4—16年生杏樹林喬木層碳儲(chǔ)量分配格局隨林齡增長而變化。4年生杏樹林喬木層碳儲(chǔ)量主要分布于樹枝,約占30.7%;而16年生杏樹林樹干碳儲(chǔ)量所占比例最大,達(dá)到54.5%。艾澤民等[17]研究表明,9年生和17年生刺槐人工林喬木層碳儲(chǔ)量以樹干所占比例最多,分別為55.4% 和63.3%。胡亞林等[10]研究發(fā)現(xiàn),退耕5年和退耕10年生楊樹(Populussimonii)人工林生物量碳儲(chǔ)量主要分布于樹干,分別為41.1%和45.9%。喬木層各器官碳儲(chǔ)量分配的差異性可以歸因于樹木個(gè)體各器官不同的生長規(guī)律,是樹木個(gè)體各器官之間及與環(huán)境之間長期相互作用和適應(yīng)的結(jié)果[25]。

土壤碳庫是在氣候、植被覆蓋、地形、人為活動(dòng)等因素影響下有機(jī)碳輸入與輸出之間平衡的結(jié)果[26-27]。本研究中,杏樹林土壤碳含量和碳儲(chǔ)量隨林齡增加而增大,這主要是由于在杏樹林生長過程中,根系生長代謝增加了土壤碳儲(chǔ)量。除受自然環(huán)境影響外,不同林齡階段杏樹林土壤碳庫的差異并不能完全排除人類活動(dòng)(修剪、施肥、灌溉、翻耕、高密度栽植等)的影響[23]。韓營營等[28]對(duì)不同林齡白樺林及侯浩等[29]對(duì)小隴山不同林齡銳齒櫟林(Quercusalienavar.acuteserrata)的研究均表明,土壤碳儲(chǔ)量隨林齡的增長而增大;然而,齊光等[30]的研究表明,大興安嶺林區(qū)興安落葉松(Larixgmelinii)人工林土壤碳儲(chǔ)量隨林齡增加,呈先減少后增加的變化趨勢(shì)。土壤碳庫隨林齡的變化具有不確定性,受林齡、樹種、原有土地利用類型等多種因素制約[6,30]。此外,本研究中杏樹林各林齡土壤層碳含量和碳儲(chǔ)量均為表層(0—20 cm)最大,隨土壤層深度的增加而逐漸降低,這主要是由于表層土壤能夠直接接收植物殘?bào)w和根系生長代謝輸入的有機(jī)碳[2, 17];杏樹林各林齡0—40 cm土層碳儲(chǔ)量占土壤層總碳儲(chǔ)量的52.7%—59.7%,這與王衛(wèi)霞等[31]和艾澤民等[17]的研究結(jié)果相一致,可見土壤中的碳庫主要集中在表層,具有明顯的表層富集作用。

森林組成、林齡、密度、林分起源以及森林經(jīng)營活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量有明顯影響[17,32- 34]。有研究表明,油松(Pinustabuliformis)[2,35]、岷江柏[18]、刺槐[17]和格木[4]人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量均隨著林齡增長而增加。本研究中,4—16年生杏樹林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量也表現(xiàn)出相一致規(guī)律,隨林齡的生長能持續(xù)地積累有機(jī)碳。4、8、12年生和16年生杏樹林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲(chǔ)量為71.311 Mg/hm2,遠(yuǎn)低于我國森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲(chǔ)量(258.82 Mg/hm2)[36]。杏樹林喬木層碳儲(chǔ)量分配比例隨林齡的增長而增大,土壤層碳儲(chǔ)量分配比例呈減少趨勢(shì),這在5—30年生油茶林[37]、1—10年生花椒林[17]和3—27年生馬尾松林[33]等人工林生態(tài)系統(tǒng)中也存在類似變化規(guī)律。隨林齡增長,根系生長代謝以及外源性有機(jī)質(zhì)的輸入,促進(jìn)土壤碳積累,但部分碳被消耗來供給植被生長[38]。因此,隨林齡增長,森林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層碳儲(chǔ)量分配比例呈上升趨勢(shì),而土壤層碳儲(chǔ)量分配比例呈下降趨勢(shì)[39]。

本研究中存在一些不足之處,如細(xì)根生物量數(shù)據(jù)不完整以及間伐對(duì)不同林齡杏樹林碳儲(chǔ)量的影響,都有待于進(jìn)一步調(diào)查研究?，F(xiàn)今經(jīng)濟(jì)林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算存在較大的不確定性。本研究采取樣地調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法估算太行山東坡不同林齡杏樹林碳儲(chǔ)量,可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)果與真實(shí)值的偏差。今后有必要開展果園管理與種植技術(shù)改進(jìn)等相關(guān)研究,為保持并提高其碳貯存能力提供進(jìn)一步的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)樹干碳含量隨林齡的增長而顯著降低(P<0.05),其他器官碳含量隨林齡的增長變化規(guī)律并不顯著。隨林齡的增長,0—100 cm各土層碳含量顯著增大(P<0.05);不同林齡杏樹林土壤有機(jī)碳含量隨著土層的加深而逐漸降低。

(2)杏樹林喬木層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量均隨林齡的增長而顯著增大(P<0.05); 4年生杏樹林喬木層碳儲(chǔ)量分配以樹枝為主,隨林齡增長,樹干成為喬木層碳儲(chǔ)量的主體;0—40 cm土層碳儲(chǔ)量占土壤層總碳儲(chǔ)量的52.7%—59.7%,具有明顯的表層富集作用;土壤層是杏樹林生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫,占總碳儲(chǔ)量的90.1%—99.6%。