人工灌木林林地碳密度及其分配

人工灌木林林地碳密度及其分配
工业革命以来，由于大量化石燃料的燃烧以及土地利用的转变，大气CO2浓度不断增加，温室效应不断加剧。人工造林可以提高森林覆盖率，因此成为世界各国碳减排工程的重要措施之一[1]。我国人工林面积世界第一，Fang等[2]的研究表明，我国森林碳储量的增加主要依靠人工林。灌木林在我国的分布很广，占到陆地面积的1/5，是我国现阶段森林面积的近２倍。上世纪70年代以来，黄土丘陵区大面积实施天然林保护工程、三北防护林工程和退耕还林工程等大型生态恢复工程[3]，作为乡土物种的沙棘、柠条和山毛桃成为宁南黄土丘陵区主要的退耕还林灌木种[4-8]。因此，对该地区灌木林碳密度进行研究，将有助于准确评估该地区陆地生态系统的碳储量。
目前，对沙棘、柠条固碳能力的研究不多[9-12]，对山毛桃碳固碳能力的研究更少，目前仅见极少的报道鉴于此，本实验对宁南黄土丘陵区相同林龄的沙棘、柠条和山毛桃3种灌木林林地的碳密度及其分配进行研究，以期为该地区人工灌木林碳汇功能评价提供参考。
宁夏回族自治区固原市隆德县属于半湿润向半干旱过渡地区，春季温度低且降雨少，夏季时间短暂且冰雹较多，秋季阴涝且霜旱，冬季寒冷且持续时间长。年平均气温全区最低，仅5.1 ℃，1月份平均气温最低，最低为-25.7 ℃；7~8月份平均温度最高，最高为30.4 ℃。年平均日照时数2 128 h，无霜期124 d，最少94 d。年平均降水400~700 mm，主要集中夏秋二季，特别是7、8、9月。持续干旱年时，降水量大大下降，灾害性天气主要有霜冻、冰雹、干旱和大风等。主要土壤类型为黄绵土。
本试验中，沙棘（H. rhamnoides）人工林样地设在张程乡（105°50′E, 35°35′N），海拔1 868~1 932 m，坡度大多在13°~18°，造林前为坡耕地，为典型的黄土丘陵地貌类型，造林前后土壤类型均为黄绵土，造林后禁牧，几无人类干扰，林龄为26年，灌木层平均盖度55.11%，平均基径为1.30 cm，平均株高为155.2 cm，林下草本主要以铁杆蒿、冰草等为优势种，草本盖度4.23%；柠条（C. korshinskii）人工林样地设在张程乡（105°50′E, 35°34′N），海拔1 793~1 854 m，坡度大多在13°~18°，造林前为坡耕地，为典型的黄土丘陵地貌类型，造林前后土壤类型均为黄绵土，造林后禁牧，几无人类干扰，林龄为26年，灌木层平均盖度43.67%，平均基径为2.76 cm， 平均株高为170.6 cm，林下草本以白羊草、硬质早熟禾等为优势种，草本盖度2.41%；山毛桃（P. davidiana）人工林样地设在张程乡（105°52′E, 35°37′N），海拔1 893~2 013 m，坡度大多在16°~1

9°，造林前为坡耕地，为典型的黄土
丘陵地貌类型，造林前后土壤类型均为黄绵土，造林后禁牧，偶有果实采摘，林龄为26年，灌木层平均盖度33.67%，平均基径为3.22 cm，平均株高162.4 cm，林下草本以长芒草、铁杆蒿等为优势种，草本盖度2.52%。
所有样地调查均于2011-08在宁夏固原市隆德县张程乡进行，分别选择26年生沙棘、柠条和山毛桃代表性样点各1个，每个样点在坡顶、坡中、坡底分别选取10 m×10 m样地1块，每个样地沿对角线选取3个2 m×2 m的样方。
在每块样地内的样方中，采用收获法测定灌木林分生物量。先收获并测量叶、枝和根等组分的鲜重，然后分别采集各组分的分析样品，在105 ℃杀青后于80 ℃恒温箱中烘至恒重，求出含水量，将各个组分的鲜重换算成干重（W）。按公式W总=W叶+W枝+W根计算灌木总的生物量。同时，采用全挖法测定林下草本层的鲜重，分为地上和地下两部分，取混合样品在烘箱中烘干至恒重，计算其生物量。
样地内用5 cm土钻取土样，取样深度为按0~100 cm，其中0~30 cm每隔10cm取样一次，30~50cm取样一次，50~100 cm取样一次。每层随机取3个土样，混合成一个混合样。同一样地3个灌木样方的同层次土样组成该层次混合样品，土样自然风干、磨碎并过孔径0.25 mm筛用于测定有机碳含量。在样地内具有代表性的地段挖掘1个100 cm深的土壤剖面。之后，沿剖面用环刀采集各层土壤作为原状土，带回实验室测定土壤体积质量。用重铬酸钾-硫酸氧化法测植物样品的碳含量，用K2Cr2O7容量法测土壤样品的碳含量[13灌木器官的碳密度等于灌木器官单位面积（hm2）的生物量与其碳含量的乘积，各器官碳密度相加得出灌木层碳密度；草本层的碳密度等于草本层单位面积（hm2）的生物量与其碳含量的乘积；灌木层碳密度与草本层碳密度相加得出植被层碳密度；灌木层、草本层和土壤层有机碳密度相加得出林地的碳密度。其中，土壤碳密度的计算公式为：土壤有机碳密度=土壤体积质量×采样深度×土壤有机碳含量×面积。
由表1、表2可知，灌木各器官碳密度与其生物量总体上呈正相关。在3种灌木中，枝的碳密度均为最高，分别占总碳密度的76.42%，65.35%和56.84%；其次是根，分别占总碳密度的16.38%，31.22%和39.46%；叶最小，分别仅占7.20%，3.43%和3.70%。所以，枝是灌木层碳密度的主体。
由表3可以看出，不同灌木林其植被层生物量和碳密度的分布格局存在差异。植被层碳密度的主体是灌木层，沙棘、柠条和山毛桃灌木层的碳密度分别为8.46，18.66和17.62 t/hm2，分别占到整个植被层碳密度的94.47%，98.59%和98.86%；草本层

碳密度所占比例很小，沙棘、柠条和山毛桃林草本层的碳密度分别
仅占植被层碳密度的5.53%，1.41%和1.14%。
除了植物地上部分枯落物能增加土壤有机碳之外，植物根系分泌物和凋落物也向土壤输入有机碳，对于土壤有机碳的增加起着十分重要的作用（肖复明等，2007）。在生物因素和非生物因素的影响下，林地土壤一般会形成不同的层次结构，土壤有机碳含量和碳密度会因土壤深度的不同而不同。
由表4可已看出，3种灌木林土壤层的碳密度随着深度的增加呈下降趋势。
由表3和表5可以看出，土壤层是林地碳密度的主体，其次是灌木层，草本层所占比例最小。30年生沙棘、柠条和山毛桃林土壤层碳密度分别为47.35 t/hm2，55.27 t/hm2和99.61 t/hm2，分别占总碳密度的83.25%，74.10%和84.80%；植被层碳密度分别为8.95 t/hm2，18.93 t/hm2和17.83 t/hm2，分别占总碳密度的16.75%，25.90%和15.20%；植被层与土壤层碳密度之比为分别为1：4.97、1：2.86和1：5.58。以上结果均说明，土壤层是一个极大的碳库。
沙棘、柠条和山毛桃林地碳密度分别为56.30 t·hm-2，74.20 t·hm-2和117.44 t·hm-2，其中土壤层是林地碳密度的主体，分别占到83.25%、74.10%和84.80%的比例；植被层次之，分别占到83.25%、74.10%和84.80%的比例；草本层最低，分别占到83.25%、74.10%和84.80%的比例。山毛桃林地碳密度较高，其中土壤碳库贡献值很大，很可能是因为退耕前土壤碳密度基底值较高。灌木层碳密度占比不高，主要因为和乔木林相比，灌木林生产力较低[15]，生物量较小，对应的碳密度也低。沙棘植被层碳密度为8.95 t·hm-2，低于全国平均水平10.88 t·hm-2[16]，而柠条、山毛桃的植被层碳密度分别为18.93 t·hm-2和17.83 t·hm-2，高于全国平均水平，可能是因为柠条、山毛桃的生长速度较快。三者的碳密度均高于同地区7a生沙棘、柠条和山毛桃人工林植被层碳密度[8]，很可能是因为生物量和碳密度随着林龄增加而增加。另外， 林分生长阶段[17]、造林密度[18]等多种因素也或多或少的影响林分碳密度。本次研究中，林下草本层碳密度普遍较低，可能的原因是灌木层生物量较高、体积较大、盖度高、生活能力较强，占有很强的竞争优势，从而降低了林下草本层生物量，也就降低了草本层碳密度。
除了山毛桃土壤碳密度和李克让研究估算的全国平均碳密度（91.7 t·hm-2）较为接近外，沙棘、柠条的碳密度都低于全国平均值，主要原因还是黄土丘陵区土壤基底碳含量普遍较低。本研究中，沙棘、柠条林地土壤碳密度与杨玉娇等[19]对黄土丘陵区23年生油松林的研究结果接近，油松林土壤层碳密度为

66.85 t·hm-2，也与刘迎春等对黄土丘陵区27年生油松林和17年生的刺槐林的研究结果接近，27年生油松林和17年
生刺槐林土壤层碳密度分别为为64.06 t·hm -2、53.09 t·hm -2。另外，随着土壤深度的增加，三种林地土壤有机碳含量呈下降趋势，与国内大多数研究结果相一致[20-22]，可能是因为上层土壤生物归还量较大。