湖南4 种森林生态系统碳汇功能研究

肖 英,刘思华,王光军

(中南林业科技大学生命与科学技术学院， 中国 长沙 410004)

森林作为陆地生态系统的主体，其植物通过光合作用能固定并减少大气中的CO2，同时释放出 O2．这对维持地球大气中的CO2与O2的动态平衡、减少温室效应以及提供人类的生存基础，有着不可替代的地位和作用．据估计，森林汇聚着全球植被碳库86%以上以及土壤碳库73%的碳，当前许多科学家都支持森林生态系统的碳汇功能，对全球森林碳汇功能展开了大量研究[1-5]．目前，我国森林生态系统碳循环研究在区域、国家尺度森林植被碳贮量和年净固碳量都有所展开[6-7]．

城市森林是城市森林生态网络体系的重要组成部分，有着城市“肺脏”之称．城市森林的固碳释氧作用，保持着城市碳氧平衡，对缓解城市热岛效应，改善城市生态环境有着举足轻重的作用．因此，开展城市森林碳汇功能的研究，对改善城市生态环境，支撑城市可持续发展有着重要意义．本文着重对组成湖南城市森林的4种森林生态系统的碳汇功能进行研究，同时对其碳汇功能进行对比、分析与评价，为湖南省城市森林网络体系的布局与构建提供理论依据．

1 研究区概况

试验地位于湖南省长沙市南郊的天际岭国家森林公园，即东经113°02′～01′，北纬28°06′，核心区面积约4 356 hm2，海拔46～114 m，坡度为5～25°．当地年平均气温17.2 ℃，1月最冷，平均4.7 ℃，极端最低温度-11.3 ℃；7月最热，平均气温29.4 ℃，极端最高气温40.6 ℃；无霜期为270～300 d，日照时数年均1 677.1 h；雨量充沛，年平均降雨量1 422 mm．属典型的亚热带湿润季风气候．其地层主要是第四纪更新世的冲积性网纹红土和砂砾，属典型红壤丘陵区，园内小生境众多，植物种类达2 200余种，植被以人工次生林为主．

从2006年12月开始，在天际岭国家森林公园选择树龄相同或相近的杉木(CunninghamialanceolataHook)、马尾松(PinusmassonianaLamb)、樟树(Cinnamomumcamphora)和枫香(LiquidambarformosanaHance)4种类型森林群落作为研究对象，2007年1月调查4种森林群落的基本情况见表1．4种森林群落主要组成成分分别为：杉木群落以杉木为主、林下植被有檫木(SassafeastsumuHemsl.)、山矾(SymplocoscaudataWall.exA. DC.)、大青(ClerodendroncyrtophyllumTurcz)和樟树，草本植物有肾蕨(NephrolepisauriculataTrimen)、淡竹叶(Lophantherum.gracileBrengn.)和商陆(Phytolacca.acinosaRoxb.)；枫香群落以枫香为主，木荷(SchimasuperbaGardn.EtChamp.)、苦槠(CastanopsissclerophyllaSchott.)、山矾、大青和樟树，草本植物有五节芒(MiscanthusfloridulusWarb)、淡竹叶和商陆为主；马尾松群落以马尾松为主，林下植被有樟树、大青、山矾和青冈(CyclobalanopsisglaucaOerst.)；草本植物有五节芒、肾蕨、淡竹叶和商陆为主；樟树群落以樟树为主，白栎(QuercusfabriHance)、毛泡桐(PaulowwniatomaentosaSteud)、苦槠、山矾，糙叶树(AphanantheasperaPlanch)和柘树(CudraniatricuspidataBur.)，草本植物以淡竹叶、酢浆草(Oxalis.comiculataL.)、鸡矢藤(PaederiascandensMerr.)和商陆为主．

2 研究方法与内容

2.1 数据来源

本研究所采用的基本资料是湖南省林业厅提供的森林资源清查资料中各个森林类型的面积、蓄积量等为基础数据[8]，部分数据来源于方精云等的有关我国森林植被生物量和净生产力的研究，并以湖南省森林资源统计年报(2007年)的基础数据为补充，估算出4种森林生态系统的生物量．对所收集到的资源和数据进行整理分析，得到4 种森林类型的总生物量和碳汇能力．

2.2 样地选择

自天际岭国家森林公园杉木、樟树、枫香和马尾松4种森林群落中，各选择3块半径15 m 的圆形固定样地，共12块，每块样地之间相隔100 m 以上．调查每个样地内出现的物种及其高度、盖度，并记录其胸径等．在每个样地选5～6个点，每个点挖1个土壤剖面，利用环刀分层(0～15、15～30、30～45、45～60 cm)采集用于测定容重的土样，同时分层采集用于分析有机碳的土样．

表1 4种森林群落的基本情况

2.3 室内分析

野外采集的土壤样品，在105 ℃ 条件下土样烘干至恒重，并测定容重和其中 >2 mm 的砾石含量；用于测定有机碳浓度的风干土样，四分法取样后挑去其中 >2 mm 的砾石，并使其全部通过 2 mm 土壤筛，然后挑去其中的根系，最后利用Retsch S100球磨机粉碎，并使其全部通过0.15 mm 土壤筛，采用重铬酸钾外加热氧化法测定土壤有机质浓度(鲍士旦等，2000)．

2.4 数据处理

2.4.1 生物量 根据收集和整理方精云等在研究中国森林生物量和生产力中所进行的研究结果以及湖南省森林资源监测中心的森林资源清查资料中各个森林类型的面积、蓄积量等为基础数据进行估算．对所收集到的各类资料、数据进行整理分析，得到主要森林类型的生物量．

2.4.2 土壤有机碳含量和碳密度的测定 利用室内分析的结果，采用重铬酸钾外加热氧化法测定土壤有机质浓度[9]．

土壤有机碳密度是指单位面积一定深度的土层中SOC的贮量，土壤碳密度已成为评价和衡量土壤中有机碳贮量的一个极其重要的指标．考虑到土壤有机碳密度随深度的垂直变化(Jobbágy & Jackson，2000)，采用分层方法计算每个剖面的有机碳含量(kg C·m-2)．首先计算每层的有机碳密度(g·cm-3)(公式1)，在此基础上建立有机碳含量与深度的函数关系，并计算整个剖面的有机碳含量(式2)．

SOCDi=0.58×ρi×Mi×(1-Ci)/10，

(1)

式中，0.58为Bemmelen系数(将有机质浓度转化为有机碳浓度)，ρi表示第i层土壤容重(g ·cm-3)，Mi表示有机质含量(%),Ci表示 >2 mm的砾石含量(%)，SOCDi为第i层土壤有机碳密度(g·cm-3)．

(2)

式中，n为剖面层数，Ti表示第i层土层厚度(cm)，SOCC为土壤有机碳含量(kg·m-2)[10],其他同式(1).

3 结果与分析

3.1 不同林分类型的基本特征

通过野外数据的采集与分析，4种森林类型的基本特征见表1.

3.2 不同森林类型碳汇的功能比较

3.2.1 不同森林类型生物量的比较

表2 湖南4种森林类型乔木层生物量与碳含量

﹡注：表中单位1 Tg =106t[11]，全文同.

由表1可知，4 种森林生态系统的平均碳含量相差不大，都在50%左右，但平均生物量相差较大．平均生物量最大的枫香为 127.266 t/hm2相当于马尾松(16.277 t/hm2)的7.8倍，其次是樟树和杉木，分别为84.351 t/hm2和36.516 t/hm2．对平均碳含量、平均生物量、总面积与总生物量进行相关性分析，发现总面积与总生物量之间存在着明显的直线相关性，R2=0.873，P=0.02．因此，各种森林类型的总生物量是与其种植面积呈正相关的．在4种森林类型中，总生物量最大的是杉木，为97.52 Tg，而枫香和樟树虽然在平均生物量上占有很大比重，但由于种植面积较小，其总生物量也受到影响，分别为10.61 Tg和12.80 Tg，这两种森林类型生物量只占4种森林类型总生物量的14.75%．说明生物量在不同树种之间存在着显著的差异，湖南森林生态系统所提供的生物量与其种植面积有很大关系．

3.2.2 不同森林类型乔木碳汇功能分析 4种森林类型植被的单位面积碳贮量由森林植被的生物量(地上生物量和地下生物量)乘以实测的主要树种的平均碳含量得出(见表3)．

表3 湖南4种森林类型碳贮量

从表3可以看出，4种森林类型中，碳密度差异较大，以樟树的单位面积碳贮量最大，为41.165 1 t/hm2，杉木、马尾松这两种湖南主要的针叶树种由于平均生物量较小，其碳密度均在20 t/hm2以下，可见森林植被的平均碳贮量与单位面积生物量的关系密切．各森林类型的碳密度从大到小排列顺序为：樟树、枫香、杉木、马尾松．中国森林植被平均碳密度为38.4～49.45 t/hm2[12]，湖南4种森林的平均碳密度(25.31 t/hm2)与我国的一些研究估计值相比存在较大差距，特别是针叶树的估计值偏低，这是多方面的原因造成的，也表明研究如何加强林分管理，进行合理生态规划和改善林分结构，对今后提高湖南省主要森林生态系统碳贮量的潜力空间具有重要意义．

3.2.3 森林土壤碳汇能力 森林土壤的有机碳贮量在森林生态系统总碳贮量中占了很大的比重，本文定义的森林土壤碳贮量主要是由某类森林植被覆盖下的贮存在一定土壤深度内的土壤有机碳的总和．从表4可知，4种森林类型中，土壤碳密度最大的依然是枫香，最小的是杉木，但由于种植面积的巨大差异，湖南4种森林类型的土壤碳储量中，碳储量最大的还是马尾松(166.11 Tg)，最小的是枫香为代表的软阔叶树种(8.09 Tg)，以马尾松和杉木为代表的针叶林占了4种森林土壤碳储量的70%，尽管樟树的碳储量较大，但两种阔叶树土壤碳储量也只占4种森林类型中的30%左右．

4种森林类型土壤的有机碳贮量从大到小排序是：杉木、马尾松、樟树、枫香．

表4 4种森林类型土壤碳贮量

3.2.4 4种森林类型碳汇功能比较 根据湖南省4种森林生态系统生物量和碳储量估算结果可知，以杉木、马尾松、樟树和枫香为代表的湖南4种森林类型的生态系统总碳贮量(包括乔木层和土壤层)为586.237 9 Tg C，其中杉木169.847 2 Tg C，马尾松为211.673 5 Tg C，樟树194.910 5 Tg C，枫香9.806 7 Tg C．主要森林类型生态系统的碳贮量从大到小排序为：杉木、马尾松、樟树、枫香．可见湖南的森林以杉木、马尾松为针叶林代表是主要的森林生态系统，两者的碳贮量占了4种森林生态系统总碳贮量的65.27%，樟树森林生态系统的碳贮量在阔叶树当中是最多的，占了总碳贮量的33.35%；而枫香虽然是湖南主要的森林类型，但是它们的碳贮量相对来说就很少了，只占了1.68%，可见森林类型分布不均匀是湖南森林存在的主要问题．

4 结论

本文初步研究了湖南省4种森林生态系统生物量及碳储量，为评价湖南省森林生态系统碳汇功能提供了一些必要的参数．湖南省4种森林总碳储量为586.237 9 Tg，分别为杉木169.847 2 Tg，马尾松211.673 5 Tg，樟树194.910 5 Tg，枫香9.806 7 Tg．4种森林生态系统碳储量中最大的是马尾松，最小的是枫香．4种森林生态系统碳储量从大到小排列为：马尾松、樟树、杉木、枫香．湖南省碳汇能力中起主要作用的是以马尾松和杉木为代表的种植面积最广的针叶林，樟树和枫香等阔叶林虽然占有较大的生物量和平均碳密度，但由于种植面积相对较少而在整个湖南省森林碳储量中只占很小的比重．说明森林资源分布不均匀是湖南省森林资源发展中需要解决的问题．

参考文献：

[1] MAHLI Y, NOBRE A, GRACE J,etal. Carbon dioxide transfer over a central Amazonian rain forest[J]. Journal of Geophysical Research，1998,103: 31 593-31 612.

[2] SKOLE D, TUCKER C. Tropical deforestation and habitat fragmentation in the Amazon: satellite data from 1978 to 1988[J]. Science，1993,260: 1 905-1 910.

[3] GRACE J, LLOYD J, MCINTYRE J,etal. Carbon dioxide uptake by an undisturbed tropical rain forest in southwest Amazonia, 1992-1993[J]. Science，1995,270:778-780.

[4] TIAN H, MELLILO J M, KICHILGHTER D W,etal. Effects of interannual climate variability on carbon storage in Amazonian ecosyste ms[J]. Nature，1998,396:664-667.

[5] 周玉荣,于振良,赵士栋,等.我国主要森林生态系统碳贮量和碳平衡[J].植物生态学报,2000,24(5):518-522.

[6] 方精云,刘国华.我国森林植被的生物量和净生产量[J].生态学报,1996,16(5):497-508.

[7] 解宪丽,孙 波,周惠珍,等.中国土壤有机碳密度和储量的估算与空间分布分析[J].土壤学报,2004,41(1):35-43.

[8] 湖南省林业厅资源林政处编.湖南省森林资源主要数据汇编(1999—2003)[Z].2005.

[9] BAO S D, JIANG R F, YANG C G,etal. Soil and agricultural chemistry analysis[M]. Beijing: China Agriculture Press,2001.

[10]安尼瓦尔·买买提，杨元合，郭兆迪，等.新疆天山中段巴音布鲁克高山草地碳含量及其垂直分布[J].植物生态学报，2006，30(4)：545-552.

[11] 刘国华,傅伯杰,方精云,等.中国森林碳动态及其对全球碳平衡的贡献[J].生态学报,2000,20(5):733-740.

[12] 王效科,冯宗炜,欧阳志云,等.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.