不同密度马尾松人工林生态系统碳储量空间分布格局

不同密度马尾松人工林生态系统碳储量空间分布格局
张国庆;黄从德;郭恒;邓彪;杨和芳
【摘要】对1245、1620、2070株/hm2 3种密度的马尾松人工林生态系统碳储量及其空间分布格局进行了研究,结果表明,马尾松人工林乔木层碳储量随林分密度的增大而增大,分别为41.301、46.377和52.018 t/hm2,林下层碳储量差异不明显,分别为0.935、0.936和0.956 t/hm2,土壤层有机碳储量随林分密度的增大而减小,分别为107.895、98.472和87.040 t/hm2;马尾松人工林生态系统碳储量也随林分密度的增大而减小,分别为150.131、145.785、140.014t/hm2,碳储量空间分布序列均为土壤层>乔木层>林下层.
【期刊名称】《浙江林业科技》
【年(卷),期】2007(027)006
【总页数】5页(P10-14)
【关键词】林分密度;马尾松;人工林生态系统;碳储量;空间分布
【作者】张国庆;黄从德;郭恒;邓彪;杨和芳
【作者单位】四川农业大学林学园艺学院,四川,雅安,625014;四川农业大学林学园艺学院,四川,雅安,625014;四川省汉源县林业局,四川,汉源,625300;四川省马边县林业局,四川,马边,614000;重庆市铜梁县林业局,重庆,铜梁,402560
【正文语种】中文
【中图分类】S791.248
森林作为陆地生态系统的主体，在碳减排中作用显著[1]。

人工林是目前陆地碳汇
增长最主要的媒介之一，造林及合理的人工林经营都可以成为固定大气CO2、防
止全球变暖的有效途径[1,2]。

根据目前已有数据分析，在中国进行植树造林来增
加碳汇是国际温室气体减排最经济有效的措施之一，极具开发潜力[3]。

因此，加
大对人工林生态系统碳循环的研究对预测和维护其长期生产力、以及未来在京都议定书（Kyoto Protocol）的框架范围内进行碳汇贸易谈判具有重要意义[4]。

马尾松（Pinus massoniana）是我国的分布面积最广的针叶树种之一，同时也是
四川省栽植范围最广的树种，分布面积近90万hm2，其中超过50%为人工林。

目前，有关马尾松人工林生态系统碳储量的研究较多[5,6]，主要集中在东、南部
省区，而包括四川在内的西部地区此类研究还较少。

此外，有关人工林经营和森林碳汇增长方面的研究也比较欠缺。

本文对3种不同密度马尾松人工林生态系统碳
储量及其空间分布特征进了分析，旨在为人工林经营与人工林碳汇功能的研究提供基础数据。

1.1 研究区域概况及样地设置
研究区域位于四川省泸县川南林科所马尾松人工林实验基地内，地理位置29° 08′ N，105° 22′ E。

该区处于四川盆地南部的长江和沱江交汇处，属亚热带湿润季风气候，年均温17.8℃，年均降水量1 065.4 mm，年均相对湿度84%，无霜期341 d，年日照时数1 397.8 h。

土壤为山地黄壤，土层厚度大于1 m，石砾稀少。

现实马尾松林分均为21年生。

在不同密度的马尾松人工林中，采用典型选样的方法，各设置标准地3个，样地
大小为20 m×20 m。

林分基本特征如表1。

1.2 样品采集及碳储量的计算方法
将马尾松人工林生态系统分为乔木层、林下层（包括灌草层和枯落物层）和土壤层三个部分，分别按不同的方法采集样品和测定生物量、容重及碳储量。

1.2.1 乔木层在标准地内进行每木检尺和树高测定并计算出林分蓄积量，然后利
用四川省马尾松林的蓄积量—生物量模型W = 1.051 3V 0.9373[7]（V为蓄积量，W为生物量），估算马尾松林分的乔木层生物量。

再通过生物量估算碳储量：
式中C1为碳储量（t·hm－2）；B1为乔木层生物量（t·hm－2）；O1为乔木平
均碳含系数，本文选用值为0.514 4[8]。

1.2.2. 林下层在各样地内分别设置3个1 m×1 m的样方，测算样方内的灌草及枯落物总重，再选取一定量的样品，称重后放入温控80℃的烘箱中至衡量，推算
出各密度组马尾松人工林灌草和枯落物生物量（t·hm－2）。

利用重铬酸钾氧化—外加热法[9]测定其样品的碳素含量（g·kg－1）。

由生物量和碳素含量估算碳储量：式中：C2为灌草/枯落物层碳储量（t·hm－2）；B2为灌草/枯落物层生物量（t·hm－2）；O2为灌草/枯落物碳素含量（g·kg－1），0.001为单位换算系数。

1.2.3 土壤层在各样地内按“S”型路线分别挖取土壤剖面3个，每个剖面分为a 层（0 ~ 10 cm）、b层（10 ~ 30 cm，）、c层（30 ~ 50 cm）和d层（50 ~ 100 cm），分别在各层内采集土壤样品，用环刀法[9]及重铬酸钾氧化—外加热法[9]测算样品容重和有机碳含量，进而估算土壤层有机碳储量：
式中C3为土壤有机碳储量（t·hm－2）；Hi是第i层土壤的平均厚度（cm），Bi 是第i层土壤的平均容重（g·cm－3），Oi是第i层土壤的平均有机碳含量（g·kg －1），0.1为单位换算系数。

2.1 乔木层碳储量
由蓄积量—生物量模型可估算出1 245、1 620、2 070株/hm2 3种密度组马尾
松人工林乔木层生物量分别为80.29、90.16和101.24 t·hm－2，相应的碳储量
分别为41.301、46.377和52.018 t·hm－2（表2），可见林分乔木层碳储量随
着林分密度的增大而增加，但各密度组单株林木平均碳储量的变化趋势与之相反，分别为0.033、0.029和0.025 t·h m－2。

这是因为林分密度增大使全林分林木生
物总量增长，因而总碳储量也增加，但林分密度过大，也使得林木之间竞争加剧，不利于林木的生长，单株林木的生物量相应减小，其碳储量也减小。

2.2 林下层碳储量
从表3可以看出，不同密度马尾松人工林灌草及枯落物碳含量、生物量及碳储量
差异均不明显，1 245、1 620、2 070株/hm2 3种密度组林下层总生物量分别为1.70、1.70和1.74 t·hm－2，总碳储量分别为0.935、0.936和0.956 t·hm－2。

森林灌木、草本，特别是枯落物虽然自身储存的碳较少，但它却是土壤有机碳的主要来源，也是土壤—植被系统碳循环的联结库，而且因其覆盖于地面，有效地减
少或防止了土壤的碳流失[10]。

此外，灌草层和枯落物层对土壤理化性质和活性具有重要的调节作用[11]，并有利于土壤有机碳的形成[12]。

同时有研究指出，森林凋落物现存量的变化对土壤碳储量影响很大。

2.3 土壤层碳储量
2.3.1 土壤有机碳含量及其空间分布 I、II、III 3种不同密度马尾松人工林各层土
壤有机碳含量在4.37 ~ 20.28 g·kg－1。

各密度组林分1 m深度内土壤平均有机
碳含量分别为11.74、10.07和8.53 g·kg－1，分布序列为密度组Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。

对应的土壤平均容重分别为1.20、1.28和1.31g·cm－3。

就空间分布来看，各密度组马尾松人工林土壤有机碳含量均由土壤表层向深层依次降低（图1），且表层土壤（0 ~ 30 cm）的平均有机碳含量明显高于其它各层。

植物的根系主要集中在土壤表层，而枯落物和腐殖质层对土壤有机碳积累的影响也会随着土壤深度的增加而降低[13]，因而表层土壤的碳储存能力较强，但表层土壤的有机碳却最容易因人为破坏而大量流失，进而使整个土壤层的碳含量处于较低水平，可见，维持土壤较高碳含量的前提是减少人为干扰。

2.3.2 土壤有机碳储量 I、II、III 3种不同密度马尾松人工林土壤有机碳储量分别
为107.895、98.472、87.040 t·hm－2（表4），这表明马尾松人工林土壤有机
碳储量随林分密度的不同也呈现出一定的变化规律，与土壤有机碳含量一致，随林分密度增大而减小。

这可能是因为在密度较大的林分中光照较少，不利于植物进行光合作用及枯落物的分解，使林内微生物活动频率降低，生态系统内的物质循环包括碳循环过程也因此而减弱[14]。

此外，林分密度过大，使单株林木生长不佳，其根系固定土壤肥力的能力相应减弱，也不利于土壤有机碳的积累。

2.4 人工林生态系统碳储量空间分布格局
马尾松人工林生态系统碳库主要包括3个部分：乔木层、林下层和土壤层，各密度组林分碳储量空间分布序列均为土壤层＞乔木层＞林下层。

I、II、III 3种不同密度马尾松人工林生态系统总碳储量分别为150.131、145.785、140.014 t·hm－2（表5），随林分密度的增大而减小，这与土壤层碳储量的变化趋势一致。

由表5可以看出，各密度组土壤层碳储量在系统中所占的比例分别为71.87%、67.55%和62.17%，可见森林土壤是森林生态系统以及陆地生态系统最主要的碳库之一。

Lal将提高人工林的经营和管理水平、增强人工林土壤碳汇功能称之为一种“双赢策略”（win-win strategy）和“减缓全球变化的一种可能机制和最有希望的选择”[15]。

胡会峰等则认为，通过增加人工林面积，加强对现存人工林的肥料、火灾及病虫害管理，以薪材替代化石燃料等经营对策，可以起到增大森林碳汇的作用[2]。

方晰等分析了不同密度湿地松人工林的碳储量差异，认为生态系统植被、枯落物和土壤碳储量均随林分密度的增大而增大[16]。

而本研究结果表明：马尾松人工林乔木层碳储量随林分密度的增大而增大，在1 245、1 620、2 070株/hm2 3种密度马尾松人工林内，其碳储量分别为41.301、46.377和52.018 t·hm－2，林下层碳储量差异不明显，分别为0.935、0.936和0.956 t·hm－2，土壤层有机碳储量随林分密度的增大而减小，分别为107.895、98.472和87.040 t·hm－2；马尾松人工林生态系统碳储量也随林分密度的增大而减小，分别为150.131、
145.785、140.014 t·hm－2，碳储量空间分布序列均为土壤层＞乔木层＞林下层。

本研究结果在人工林土壤层及生态系统碳储量随林分密度变化方面与方晰相反，这可能是因为研究对象的立地条件及研究树种的不同造成的。

另外，样地受到的人类干扰的程度和频度不同也可能是造成这种差异的原因之一。

但总的说来，以上研究的区域较小，研究样本数都偏小，还无法完全客观的反映出碳储量随林分密度变化的规律，而且人工林生态系统中土壤碳汇变化机理较复杂，并受到多种因素的影响[17]。

因此，有关人工林生态系统碳储量和林分密度之间的关系尚有待于更广泛的研究。

此外，尉海东等曾对不同发育阶段马尾松人工林生态系统进行了研究，结果表明，马尾松在中龄林阶段（20年生）总碳储量约为152.87 t·hm－2，其中土壤层占64.5%[14]，本文的研究结果与之较为一致。

康冰等估算的马尾松、杉木混交林生态系统碳储量平均为178.83 t·hm－2，其中土壤为123.43 t·hm－2[5]。

黄
宇等在研究杉木、火力楠人工纯林及其混交林生态系统碳、氮储量中发现，混交林土壤碳储量要高于人工纯林[10]，可见，以合适的树种构建人工混交林对于提高人工林土壤的碳汇功能具有重要的作用。

人工林经营的理论和模式非常丰富，与之相关的研究领域还很广阔。

如不同土地利用历史、引进优势树种、完善群落结构以及合理的整地、采伐和施肥等措施都可对人工林生态系统碳固定、储存和排放产生不同程度的影响，从而影响人工林植被和土壤在减缓全球变化中的效应[1]。

总之，目前有关人工林经营与人工林碳储量关
系的研究还较为欠缺，还有待进一步加强。

致谢：在本实验外业调查中得到了川南林业科学研究所的大力支持，在此表示衷心感谢！
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