山白兰人工林生态系统碳储量及空间分布特征

山白兰人工林生态系统碳储量及空间分布特征
莫德祥;廖克波;吴庆标;覃静
【摘要】[Objective] The study aimed to reveal the spactial distribution characteristics and laws for the carbon storage amount of Paramichelia bailonii plantations so as to provide the basic data for the estimation on the carbon storage amount of forest ecological system and also to provide the scientific reference for the forestation project of plantation carbon sink. [Method] With 27-year-old P. Bailonii plantations in the southern subtropical region as the studied object, the biomass and the carbon content distribution of the plantations were analyzed by using the standard wood method and quadrat harvest method etc. [Result]The carbon storage in the ecosystem of P. Bailonii plantation was 158. 21
t/hm2 ,in which, the arbor layer counted for 87. 24% of the total vegetation carbon storage, the bush layer counted for 10. 77% , the herbal layer counted for 0. 18% and the litter layer counted for 1.81 %. The carbon storage in soil layer at 0 - 80 cm depth was 102.01 t/hm2, being 1.82 times of that in the vegetation layer. The net carbon fixation amount in the arbor layer of P. Bailonii plantation was 3. 49 t/hm2 · a. [Conclusion] The carbon storage amount in the ecological system of P. Bailonii plantation was greater and had better development prospects.%[目的]揭示山白兰人工林碳储量的空间分布特征及规律,为森林生态系统碳储量估算提供基础数据,也为进行人工林碳汇造林项目提供科学参考.[方法]以南亚热带地区27年生山白兰人工林为研究对象,采用标准木法、样方收获等方法对其生物量、碳含量分配
进行研究.[结果]山白兰人工林生态系统碳储量为158.21 t/hm2,其中乔木层占植被层碳储量的87.24％,灌木层占10.77％,草本层占0.18％,凋落物层占1.81％；土壤层中0～80 cm的碳储量为102.01 t/hm2,为植被层的1.82倍.山白兰人工林乔木层年净固碳量为3.50t/(hm2.年).[结论]山白兰人工林生态系统碳储量比较可观,具
有较好的发展前景.
【期刊名称】《安徽农业科学》
【年(卷),期】2011(039)023
【总页数】4页(P14072-14075)
【关键词】山白兰;生物量;碳储量;碳素分配
【作者】莫德祥;廖克波;吴庆标;覃静
【作者单位】广西大学林学院,广西南宁530005;南宁良凤江国家森林公园,广西南
宁530031;广西大学林学院,广西南宁530005;广西大学林学院,广西南宁530005【正文语种】中文
【中图分类】X174
近几十年来，全球变暖已经成为世界关注的重要问题之一，而导致这一问题的主要原因则是大气中CO2等温室气体浓度的不断升高［1］。

自工业革命以后，人类
开采并燃烧化石燃料，排放大量CO2气体，使大气CO2浓度迅速增加。

研究表明，现在大气中的CO2浓度已经由100年前的260～280 μmol/mol增加到350 μmol/mol左右，并且还在以每年1～2 μmol/mol的速度持续增加［2］。

目前
对于减少大气中CO2浓度的途径主要有减少消耗和提高能源利用率等方法［3］。

虽然这样能够有效地减少CO2等温室气体的排放，但现代社会经济的发展主要都是依靠能源消耗的增加来实现，减少能源的消耗也势必会影响到社会经济的发展。

而通过森林吸收固定CO2的方法来降低大气CO2浓度，对改善环境以及社会经
济发展都有着一定的促进作用，森林碳汇也已经成为许多学者研究的热点［4］。

森林是陆地生态系统最主要的生态类型，也是全球碳循环里重要的一环，它固定了陆地生态系统地上部分76%～98%的有机碳，以及地下部分40%的有机碳［5］。

据调查，1949～1980年我国森林资源人为破坏严重，森林向大气释放了618亿t 的CO2。

之后一直到1998年，我国实施了大规模的人工造林工程，森林平均每
年固定大气中0.21亿t CO2，森林碳汇潜力巨大［6］。

如今，对森林生态系统
的研究，特别是对森林确切碳储量和固碳能力的相关研究已经成为全球变化的热点问题［7］。

山白兰（Paramichelia bailonii）又名山桂花、合果木、合果含笑，属木兰科植物，是热带干性季雨林和南亚热带常绿阔叶林中的常绿树种。

在印度、缅甸、泰国、越南和我国的云南省南部有自然分布。

其具有生长快，材质优良，干形通直圆满，枝条细小，耐腐抗蛀等特点［8］。

自20世纪70年代开始，中国林业科学研究院热带林业实验中心自云南引种山白兰，80年代初发展为一定面积的人工林，并安排
一些造林实验［9］，但对于山白兰生物量和碳储量的相关研究少见报道。

因此，笔者对广西地区山白兰人工林的生物量及碳储量进行综合研究，揭示山白兰人工林碳储量的空间分布特征及规律，旨在为森林生态系统碳储量估算提供基础数据，也为进行人工林碳汇造林项目提供科学参考。

1 材料与方法
1.1 研究区概况研究区位于广西南宁良凤江国家森林公园，108°15＇14″～108°22＇22″E，22°34＇31″～22°46＇51″N，属南亚热带南缘季风气候，年平均气温为21.6℃，极端最高温度为40℃，极端最低温度-1.5℃，≥10℃的年积温在
7 600℃以上，年均降雨量在1 280 mm以上，且多集中在5～9月，年无霜期达342 d。

以第三系、泥盆系的地层为主，土壤则由该地层中的不同母岩和母质发育而成，以赤红壤为主，土层平均厚度在80 cm以上。

试验林地是1983年营造的山白兰人工林，面积为0.18 hm2，郁闭度为0.95，山白兰林密度为1 267株/hm2，林分平均树高为17.3 m，平均胸径为19.0 cm。

样地调查时林下植被丰富，灌木层以潺槁树（Litsea glutinosa）、梅叶冬青（Ilex asprella）、糙叶榕（Ficus irisana）等为优势;草本层以五节芒（Miscanthus floridulu）、金毛狗（Cibotium baromerz）、弓果黍（Cyrtococcum patens）、越南悬钩子（Rubus cochinchinensis）等为优势。

林下植被覆盖度约为45%，枯落物层厚度为2～3 cm。

1.2 方法
1.2.1 样品搜集及生物量和碳储量的计算方法。

1.2.1.1 乔木层。

在山白兰人工林中设置1个400 m2的临时标准地，对标准地内的每株树木进行编号，测定树高和胸径。

根据林分生长调查结果，在标准地内选择6株标准径阶木（表1），采用Monsic分层切割法和全根挖掘法，将平均木以2 m为一区分段称重，并分别在树干的上、中、下部位锯取约5 cm厚度的圆盘样
品测定树干的含水率和树皮率。

收集乔木器官（叶、枝、皮、干）和地下根系部分［细根（根直径d＜0.5 cm）、中根（0.5 ～2.0 cm）、粗根（≥2.0 cm）、根蔸］［10］分别称重，经烘干、粉碎、过筛后装瓶待测。

表1 标准径阶木Table 1 Standard tree samples with different diameter class径阶平均木Average diameter class tree树高Tree height∥m胸径
DBH∥cm 14 15.4 13.4 16 19.2 15.6 18 21.4 18.5 20 20.8 21.1 22 21.5 21.6 24 22.7 23.4
1.2.1.2 灌草及凋落物。

在标准地内随机设置5个面积为1 m×1 m的小样方，采
用样方收获法，按灌木层、草本层和凋落物层分别收集样品并称重，经烘干、粉碎、过筛后装瓶。

待测定其生物量或现存量，同时取样测定含水率和干重推算单位面积生物量。

1.2.1.3 土壤层。

在准地中分别设置8个代表性采样点，按0～20、20～40、40～60、60～80 cm 分层采集土壤样品，把同一层次土壤按重量比例混合，带回实验室于室内自然风干和粉碎过筛后装瓶待测。

同时用环刀（100 cm3）采集各
层土壤的原状土，带回实验室用环刀法测定土壤密度。

采用中国科学院生态环境研究中心的元素分析仪（Vario ELⅢ，德国）测定植物和土壤样品的碳素含量，每个样品2个重复（2010年12月）。

采用Excel 2003软件分析整理原始试验数据，显著性差异分析采用SPSS 11.5软件进行。

1.2.2 生物量和碳储量的计算方法。

1.2.2.1 生物量的计算方法。

生物量的计算采用标准木法，标准木法就是在样地内进行每木检尺，根据测定的胸径、树高以及林木径级分配确定几株标准木，按比例从各径级中选择出标准木，用标准木各组成（干、枝、叶、根）的平均生物量乘以该样地的树木株数得到人工林总生物量［11］。

灌草层和凋落物层生物量是采取
实地收获法获得。

1.2.2.2 碳储量的计算方法。

植物碳储量采用元素分析仪器获得植物碳元素含量，根据对应器官的平均碳含量（一般在0.4～0.5［12］）乘以对应林分器官的总生
物量就可得到各器官的总碳储量，相加得到人工林总碳储量。

土壤碳储量用土壤碳含量乘以土层厚度和土壤密度。

具体公式为:
式中，C为土壤有机碳储量（t/hm2）;Hi为第i层土壤的平均厚度（cm）;Bi为第i层土壤的平均容重（g/cm3）;Oi为第i层土壤的平均有机碳含量（g/kg）;0.1
为单位换算系数。

最后用各器官生物量和碳储量除以27年即可得到林分各器官的年净生产力和年净固碳量。

2 结果与分析
2.1 山白兰人工林各层次碳素含量
2.1.1 乔木层碳素含量。

由图1可知，27年生山白兰乔木层不同器官的碳素含量的变化范围为425.9～486.7 g/kg，同一器官变异系数在0.35% ～
3.41%，各器官之间含碳量差异极显著（P＜0.01）。

其中树干碳素含量最高，细根碳素含量最低，且地上部分除了树皮之外都高于地下部分，说明就乔木层不同器官而言，地上部分碳素含量较大。

从图1还可以看出，山白兰各器官碳素含量从大到小依次是树干﹥枝条﹥叶﹥根蔸﹥粗根﹥皮﹥中根﹥细根，各器官碳素含量有所差异，可能与器官生长与老化程度有关。

图1 山白兰人工林乔木层碳元素含量Fig.1 The carbon content in tree layers of Paramichelia bailonii plantation
2.1.2 林下灌草及凋落物碳素含量。

由图2可知，山白兰人工林林下碳素含量在427.5～494.4 g/kg，其中枯落物碳素含量最高，草本碳元素含量最低，灌木层植物叶、枝、根差异较小，处于草本和枯落物之间。

也证实了随着灌木层植物个体组织木质化程度的增加，其碳素含量也相应增加的趋势［13］。

枯落物碳素含量偏高，且高于乔木层树干碳素含量，可能是由于大气CO2浓度升高并对凋落物分解速率产生的影响导致［14］。

图2 山白兰林下地被层碳元素含量Fig.2 The carbon content in understory layers of Paramichelia bailonii plantation
2.1.3 土壤层碳素含量。

据研究，全球的森林碳储量为1 146 PgC，其中森林植被与森林土壤分别占31%和69%［15］，森林土壤层碳储量大约为植被层的2倍，可见土壤碳库在整个生态系统中占有重要地位。

由图3可知，山白兰人工林土壤
碳素含量随深度增加呈明显递减趋势，并且在大于40 cm深度后逐渐趋于稳定。

其中0～20 cm土壤碳素含量为19.4 g/kg，最高，60～80 cm土壤碳素含量为4.4 g/kg，最低。

上层土壤中集中着土壤中的大部分碳元素，这也与地表枯落物和土壤微生物的生物活性和理化性质有很大关系。

图3 山白兰土壤层碳元素含量Fig.3 The carbon content in soil layers of Paramichelia bailonii plantation
2.2 山白兰人工林碳储量由表2可知，山白兰人工林生态系统总生物量为
117.11 t/hm2，碳储量为158.21 t/hm2，其中植被层碳储量为56.20 t/hm2，0～80 cm土壤层碳储量为102.01 t/hm2，分别占35.52%和64.48%，土壤层中的碳储量为植被层的1.82倍。

在植被层碳储量中，乔木层所占比例最大，为植被
层碳储量的87.24%。

林下植被所占比例较小，其中灌木层碳储量为10.77%，草
本层最低，只占0.18%，凋落物层碳储量为1.81%。

乔木层中，地上部分树干碳
储量高达48.93%，是植被层碳储量的主要部分，地下部分碳储量占14.70%，其
中以根蔸碳储量为主要部分，占12.70%。

2.3 乔木层年固碳量初步估计由表3可知，山白兰人工林乔木层年净生产力为
7.24 t/（hm2·年），各器官净生产力在0.43～3.43 t/（hm2·年），其中树枝最
高（按4年算），树皮最低（按27年算）。

山白兰乔木层年净固碳量以地上部分为主，地上部分年净固碳量占乔木层的91.14%，其中树枝和树干年净固碳量最大，分别是47.43%和29.14%，其他部分较低，从大到小依次是根8.86%，树叶
8.86%，树皮5.71%。

若各个器官按27年平均，山白兰乔木层年净碳素积累量为1.83 t/（hm2·年）。

表2 山白兰人工林林分生物量和碳储量Table 2 The stand biomass and carbon storage of Paramichelia baillonii plantation注:0～80 cm土壤层碳储
量102.01 t/hm2。

Note:The carbon storage of 0-18 cm soil layer is 102.01
t/hm2.层次Layer地上或地下部分Aboveground or underground part器官Organ Biomass t/hm2生物量碳储量%Carbon storage t/hm2%乔木层Tree layer 地上部分干材56.50 48.25 27.50 48.93树皮 11.71 10.00 5.41 9.63树枝 13.71 11.71 6.64 11.81树叶 2.54 2.17 1.22 2.17地下部分根兜15.09 12.89 7.14 12.70粗根 1.35 1.15 0.63 1.12中根 0.67 0.57 0.30 0.53细根 0.44 0.38 0.19 0.34灌木层Shrub layer 地上部分灌枝 7.66 6.54 3.59 6.39灌叶 3.46 2.95 1.65 2.94地下部分根系 1.67 1.43 0.81 1.44草本层合计Total of herb layer 0.24 0.20 0.10 0.18凋落物层合计Total of litter layer 2.07 1.77 1.02 1.81植被层合计Total of vegetation layer 117.11 100.00 56.20100.00
表3 山白兰人工林乔木层年净固碳量Table 3 Net carbon amount in the tree layer of Paramichelia bailonii plantation t/（hm2·a）注:树干、树皮和根的年净固定碳量按27年计;净生产力与年净固碳量树枝和树叶按4年算;年净碳素累积量树枝和树叶按27年算。

Note:The table shows the 27 years’annual net carbon storage in trunk，bark and root，4 years’net productivity and annual net carbon storage in trunk and leaves，and 27 years’annual net carbon accumulation in branch and leaves.组分Organs净生产力Net productivity年净固碳量Annual net carbon storage年净碳素累积量Annual net carbon accumulation树叶Leaf 0.64 0.31 0.05树枝Branch 3.43 1.66 0.25树干Trunk 2.09 1.02 1.02树皮Bark 0.43 0.20 0.20根Root 0.65 0.31 0.31合计Sum 7.24 3.50 1.83
3 结论与讨论
（1）27年生山白兰人工林生态系统碳储量为158.21 t/hm2。

相比而言，28年生火力楠人工林生态系统碳储量为171.12～166.78 t/hm2［16］。

楠木成熟林
生态系统碳贮量约为210.32 t/hm2［17］。

速生阶段杉木林生态系统中，碳库的总贮量为127.88 t/hm2［18］。

可见，山白兰人工林生态系统碳储量与其他树种相比略低。

（2）在整个生态系统中，土壤层碳储量贡献较大，0～80 cm土壤层碳储量为102.01 t/hm2，为植被层全部碳含量的1.82倍，低于我国森林生态系统的平均土壤碳储量201.76 t/hm2［12］。

其他树种，如火力楠人工林土壤碳储量为
111.19～116.55 t/hm2［16］;楠木人工林土壤碳贮量为 98.79 ～112.31 t/hm2［17］;速生阶段杉木人工林土壤层（包括死地被物层）的碳贮量为91.997
t/hm2［18］;多年生马尾松林土壤层碳贮量为73.705 t/hm2［19］。

可见，山
白兰人工林土壤层碳储量相对较高。

（3）乔木层作为山白兰人工林生态系统的主要部分，年净固碳量为3.50 t/
（hm2·年），其中地上部分占了91.12%。

若按27年平均，山白兰人工林乔木层年净碳素累积量为1.83 t/（hm2·年）。

（4）在乔木层中，山白兰各个器官碳素含量平均值为46.64%。

据研究，火力楠
单株林木平均含碳率为49.13%;福建柏单株林木的平均含碳率50.20%［16］;楠
木人工林乔木层平均含碳率为50.02%［17］;速生阶段杉木人工林的平均含碳率
为47.66%［18］。

山白兰含碳率与其他树种相比处于中间段位置，符合45% ～50%这个转换率［12］。

另外，灌木层碳素含量平均值为47.71%，凋落物层最高，为49.44%;草本层为42.75%，略低于转换系数45%。

由此可见，山白兰人工林
生态系统碳储量比较可观，具有较好的发展前景。

参考文献
［1］杨洪晓，吴波，张金屯，等.森林生态系统的固碳功能和碳储量研究进展［J］.北京师范大学学报:自然科学版，2005，41（2）:172-177.
［2］GENTHON C，BARNOLA J M，RAYNAUD D，et al.Vostok ice
core:Climatic response to CO2and orbital forcing changes over the last climatic cycle［J］.Nature，1987，329:414-418.
［3］曹吉鑫，田赟，王小平.森林碳汇的估算方法及其发展趋势［J］.生态环境学报，2009，18（5）:2001-2005.
［4］王效科，冯宗炜，欧阳志云.中国森林生态系统的植物碳储量和碳密度研究［J］.应用生态学报，2001，12（1）:13-16.
［5］CHRISTOPHER S.Terrestrial biomass and effects of deforestation on the globe carbon cycle［J］.Bioscience，1999，49:769-778.
［6］FANG J Y，CHEN A P，PENG C H，et al.Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949 and 1998［J］.Science，2001，292:2320-2322.
［7］项文化，黄志宏，闫文德，等.森林生态系统碳氮循环功能耦合研究综述［J］.生态学报，2006，26（7）:2365-2372.
［8］黎明.山白兰苗木移植密度试验［J］.广西林业科学，1995，24（3）:155-157.
［9］郭文福.热带树种山白兰人工幼苗的生长规律［J］.林业科学研究，1997，10（1）:60-63.
［10］秦武明，何斌，韦善华，等.厚荚相思人工幼林生态系统碳贮量及其分布研究［J］.安徽农业科学，2008，36（32）:14089-14092.
［11］罗辑，杨忠，杨清伟.贡嘎山森林生物量和生产力的研究［J］.植物生态学报，2000，24（2）:191-196.
［12］周玉荣，于振良，赵士洞.我国主要森林生态系统炭贮量和碳平衡［J］.植物生态学报，2000，24（5）:518-522.
［13］何斌，黄寿先，招礼军，等.秃杉人工林生态系统碳素积累的动态特征［J］.
林业科学，2009，45（9）:151-157.
［14］刘海岗，刘一，黄忠良.森林凋落物研究进展［J］.安徽农业科学，2008，36（3）:1018-1020，1023.
［15］DIXON R K，BROWN S，HOUGHTON R A，et al.Carbon pools and flux of global forest ecosystem［J］.Science，1994，263:185-190. ［16］赵凯.福建柏火力楠人工纯林及其混交林碳储量的研究［D］.福州:福建农林大学，2010.
［17］尉海东，马祥庆.不同发育阶段楠木人工林生态系统碳贮量研究［J］.西北农林科技大学学报:自然科学版，2007，35（1）:171-174.
［18］方昕，田大伦，项文化，等.速生阶段杉木人工林碳素密度、贮量和分布［J］.林业科学，2002，38（3）:14-19.
［19］方运霆，莫江明.鼎湖山马尾松林生态系统碳素分配和贮量的研究［J］.广西植物，2002，22（4）:305-310.。