黑木相思人工林生态系统生物量、碳贮量及其分配特征1)

2012-09-18刘红英

东北林业大学学报 2012年3期

关键词：黑木物层碳素

何斌刘红英

(广西大学，南宁，530004)

余春和

(广西七坡林场)

覃祚玉罗柳娟刘莉

(广西大学)

当前，大气CO2浓度上升引起的温室效应及其所带来的一系列生态环境问题已成为世界上关注的热点和面临的巨大挑战之一。联合国政府间气候变化专门委员会第4次评估报告指出［1］:到2200年，全球平均气温将升高0.5℃。因此，为最大限度地减少全球变化带来的不良后果，世界各国积极致力于减缓全球温室气体排放的增长速度。森林生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分，其维持的碳库占全球总碳库的46.3%，而森林植被部分维持的碳库占全球植被碳库的77.1%［2］。研究森林生态系统碳循环对于了解全球碳平衡和人类活动对全球气候变化的影响均具有重要意义，而通过利用陆地生态系统植被和土壤积累有机碳来增加陆地生态系统碳贮量，已成为当前和今后调节和控制大气CO2浓度，减缓全球变暖速度的全球性重大策略和极其重要的途径［2－4］。黑木相思(Acacia melanoxylon)原产于澳大利亚、巴布亚新几内亚和印度尼西亚等地，具有速生、干形较直、耐干瘠和抗逆性强等特点，是一种多功能的速生用材树种，已成为目前广东、广西、福建、海南等省区推广种植相思类树种中的首推树种。目前国内有关黑木相思人工林的研究已有不少报道［5－8］，但主要集中在引种、苗木选育、生长特性以及木材材性等方面，有关黑木相思人工林碳贮量的研究很少。因此，笔者对8年生黑木相思人工林生态系统生物量、碳贮量及其分布特征进行较系统的研究，以期为准确评估黑木相思人工林生态系统固碳效益提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于广西省南宁市北郊，属南亚热带季风气候带，年平均温度21.8℃，极端最高气温40℃，≥10℃年积温约7200℃，年平均降水量1350 mm，降雨多集中在5—9月，相对湿度约79%，年日照时数1450～1650 h。调查样地均位于山坡中下部，海拔200～250 m，坡向为南坡，坡度25°～28°，土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，土层厚度在70 cm以上。试验地前茬林分为马尾松(Pinus massoniana)人工林，2000年12月采伐马尾松林并经炼山整地后，于2001年4月用黑木相思实生苗定植，初植密度1140株/hm2。造林当年和第2年除草抚育管理各1次。2009年3月调查时经自然稀疏和间伐后林分保留密度为850株/hm2，郁闭度0.75，林分平均胸径15.2 cm，平均树高14.8 m。林下植物灌木层主要有毛桐(Mallotus barbatus)、盐肤木(Rhus chinensis)、杜茎山(Maesa japonica)、潺槁树(Litsea glutinosa)、越南悬钩子(Rubus cochinchinensis)等，草本植物主要有蔓生莠竹(Microstegium vegans)、五节芒(Miscanthus floridulus)和淡竹叶(Lophatherum gracile)等，凋落物层厚度2～3 cm。

2 研究方法

乔木层生物量的测定:在对8年生黑木相思人工林全面踏查的基础上，于邻近分布、立地条件相似、长势良好的林分设置3个20 m×20 m的调查标准地，测定样地内树木的树高和胸径。根据林分生长调查结果，按林木的径级分布，在标准地内选取各径级标准木伐倒，地上部分采用2 m区分段“分层切割法”测定干材、干皮、活枝、枯枝、树叶鲜质量，地下部分(根系)采用全根挖掘法，分别测定根蔸、粗根(直径 D≥2.0 cm)、中根(直径 0.5 cm≤D＜2.0 cm)、细根(D＜0.5 cm)鲜质量。各器官分别取样，在80℃恒温下烘干至恒质量，计算出各器官的干湿比例和干物质质量，估算林分生物量。

林下植被及凋落物层生物量调查:于黑木相思人工林每块标准地内各随机设置5个1 m×1 m的小样方。灌木和草本层用样方法收割和称量地上部鲜质量，再挖掘和称量样方地下20 cm范围内的根。凋落物层则采用收集和称量样方内所有凋落物，同时取样测定含水率和干质量。年凋落物量测定采用直接收集法，在每块标准地内随机设置5个1 m×1 m的尼龙网收集器，收集网孔径为1 mm，每月月底收集凋落物1次，选取混合样并经烘干后测定生物量。

样品的采集及其碳素质量分数的测定:在测定生物量的同时，采集不同器官(树叶、活枝、枯枝、树干、树皮、根蔸、粗根、中根和细根)及灌木层、草本层和凋落物层样品，经烘干、粉碎、过筛后装瓶待测。并在各标准地中按上、中、下地段随机设置3个采样点，按0＜土壤深度h≤20、20 cm＜h≤40 cm、40 cm＜h≤60 cm和60 cm＜h≤80 cm分别用环刀(100 cm3)和布袋取样。布袋样品于室内自然风干、粉碎过筛后用于测定土壤有机碳质量分数，环刀样品用于测定土壤密度。植物和土壤样品碳素质量分数均采用重铬酸钾氧化—外加热法测定［9］。

生态系统碳贮量计算:黑木相思不同器官、草本层、灌木层和凋落物层生物量与其碳素质量分数的乘积为其相应的碳贮量，土壤碳贮量则是土壤有机碳质量分数、土壤密度、采样深度和面积的乘积，乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳贮量之和为生态系统的碳贮量。乔木层碳素年净固定量由各器官年平均净生产力及其相应的碳素含量计算而得。

3 结果与分析

3.1 黑木相思人工林林分生物量

从表1可以看出，3个黑木相思人工林生物量平均为108.47 t·hm－2。乔木层作为林分的主要组成部分，其生物量达到93.12 t·hm－2，占总生物量的85.85%;灌木层为7.87 t·hm－2，占7.26%，草本层为 2.62 t·hm－2，占 2.42%，凋落物层为 4.86 t·hm－2，占 4.48%。

表1 黑木相思人工林生物量 t·hm－2

3.2 黑木相思人工林生态系统各组分碳素质量分数

3.2.1 乔木层各组分碳素质量分数

从表2可以看出，黑木相思不同组分碳素质量分数变化范围为468.5 ～506.7 g·kg－1，不同组分碳素质量分数干材最高，然后依次为树叶、活枝、根蔸、粗根、中根、枯枝、细根，最低是干皮，如按不同器官碳素质量分数高低次序则为干材、树叶、树枝、树根、干皮。

表2 黑木相思人工林生态系统碳素质量分数

3.2.2 林下植被及土壤层碳素质量分数

从表2可以看到，黑木相思人工林草本层和灌木层的碳素质量分数表现出地上部分高于地下部分的趋势。总的来看，黑木相思人工林生态系统中以乔木层碳素质量分数最高，其次是凋落物层和灌木层，最低为草本层。黑木相思人工林土壤(0～80 cm)有机碳质量分数表现出随土壤深度增加而明显下降的趋势，由第1层的16.38 g·kg－1下降到第4层的 4.47 g·kg－1，各层次之间土壤有机碳质量分数均达到显著差异(t检验，P＜0.05)，其中 0＜h≤20 cm土层碳素质量分数明显高于其它土层，且随着土壤深度的增加，相邻土层碳素质量分数的差异趋向变小。

3.3 黑木相思人工林生态系统碳贮量及其分配

3.3.1 植被层碳贮量

从表3可以看出，黑木相思人工林乔木层生物量为 93.12 t·hm－2，碳贮量为 46.33 t·hm－2，树干作为乔木层碳贮量的主体，其碳贮量为24.95 t·hm－2，占乔木层碳贮量的 53.85%;其次是树根、树枝(活枝和枯枝)和树皮，它们的碳贮量依次占乔木层碳贮量的 14.59%、14.24%和 9.88%;树叶最少，仅占乔木层碳贮量的7.42%。

黑木相思人工林灌木层和草本层生物量分别为7.87、2.62 t·hm－2，碳贮量分别为 3.65、1.13 t·hm－2。凋落物层作为土壤有机碳的最重要来源，在土壤有机碳的积累过程中起着极为重要的作用。受树种生物学特性等影响，黑木相思人工林凋落物现存量较少，其生物量(4.86 t·hm－2)和碳贮量(2.26 t·hm－2)均明显低于相近林龄的厚荚相思人工林［10］，但均略高于相近林龄的杉木［11］和落叶松人工林［12］。

3.3.2 土壤有机碳贮量

黑木相思人工林土壤(0～80 cm)有机碳贮量为89.69 t·hm－2(表3)，其中0＜h≤20 cm 土层有机碳贮量(41.15 t·hm－2)是 20 cm＜h≤40 cm 土层的2.05倍，占土壤层碳贮量的45.88%;其次是20cm＜h≤40 cm土层，这2层土壤碳贮量占整个土壤有机碳贮量的68.25%。由于0＜h≤20 cm和20 cm＜h≤40 cm比较容易受到人为干扰的影响而导致土壤碳损失，因此应加强森林植被保护，尽量避免任何引起水土流失的活动，以减少土壤碳损失。

3.3.3 生态系统碳贮量及其空间分配

黑木相思人工林生态系统的总碳贮量包括乔木层、林下植被层、凋落物层和土壤层。从表3可以看出，黑木相思人工林生态系统总碳贮量为143.06 t·hm－2，乔木层作为生态系统重要组成部分，其碳贮量为46.33 t·hm－2，占总量的 32.39%，林下植被层(灌草层)碳贮量为4.78 t·hm－2，占总碳贮量的 3.34%;凋落物层为 2.26 t·hm－2，占总量的 1.58%;土壤层(0 ～80 cm)为 89.69 t·hm－2，占总量的62.69%，为植被层碳贮量1.68倍。因此，林地土壤是碳的一个极重要的贮存库，在平衡大气中的CO2方面有着重要作用。

表3 黑木相思人工林生态系统碳贮量及其分配

3.4 黑木相思人工林碳素年净固定量

根据各组分年净生产力及相应组分的碳素含量，计算出黑木相思人工林年净固碳量(表4)。从表4可见，黑木相思人工林年净生产力为17.02 t·hm－2·a－1，碳素年净固定量为 8.45 t·hm－2·a－1，其中乔木层碳素年净固定量为 5.79 t·hm－2·a－1，占总碳素年净固定量的68.52%，为凋落物碳素年净固定量的2.18倍。不同组分的碳素年净固定量以干材最大，其年净固碳量占乔木层碳素年净固定量53.89%，其次是树枝、树根和干皮，最小是树叶，仅占 7.43%。

表4 黑木相思人工林碳素年净固定量 t·hm－2·a－1

4 结论与讨论

黑木相思各器官碳质量分数变化范围为468.5% ～507.6%，按碳素质量分数排列次序为树干＞树枝＞树叶＞树根＞树皮，与马占相思不同器官碳素质量分数的排列顺序(干皮＞干材或树叶＞树枝＞树根)［3］、杉木不同器官的碳素质量分数排列顺序(干皮＞树叶＞干材＞树根＞树枝)［10］和厚荚相思不同器官的碳素质量分数排列顺序(干材＞树根＞干皮＞树枝＞树叶)［11］等树种存在一定的差异，反映了黑木相思各器官碳素累积特点。黑木相思人工林生态系统植被层不同层次碳素质量分数表现为乔木层＞枯落物层＞灌木层＞草本层，土壤层(0～80 cm)有机碳质量分数则随土层深度的增加呈现明显的下降趋势。

8年生黑木相思人工林生态系统碳贮量为143.06 t·hm－2，其中乔木层碳贮量为 46.33 t·hm－2，明显高于燕山北部13年生落叶松人工林(25.18 t·hm－2)［12］和广西南丹 14 年生杉木人工林(37.29 t·hm－2)［13］，略低于燕山北部33年生落叶松人工林(49.46 t·hm－2)［12］、福建顺昌 20 年生马尾松人工林(50.28 t·hm－2)［14］和湖南会同 15 年生杉木人工(52.55 t·hm－2)［15］，占生态系统碳贮量的 32.39%;灌木和草本层为 10.49 t·hm－2，占 3.34%;凋落物层碳贮量 2.26 t·hm－2，占 1.58%。

森林土壤是碳的一个极重要的贮存库，我国森林土壤平均有机碳贮量为 193.55 t·hm－2，约占整个生态系统有机碳贮量的74.78%［16］。而受研究区所处区域和前茬林分即原马尾松人工林的影响，黑木相思人工林土壤碳贮量(89.69 t·hm－2)及其占整个生态系统有机碳贮量的比值均明显低于我国森林土壤平均碳贮量(193.55 t·hm－2)，占生态系统碳贮量的62.69%。但从黑木相思的生物量特性种植黑木相思人工林前后的土壤有机碳含量可以看出，由于黑木相思具有高落叶量的特性，有利于土壤有机碳的生物积累，从而提高土壤有机碳库的积累或贮存能力。

8年生黑木相思人工林年净生产力为17.02 t·hm－2·a－1，碳素年净固定量为 8.45 t·hm－2·a－1，折合成 CO2的量可达到30.98 t·hm－2·a－1，高于处于速生阶段的福建南平20年生杉木人工林碳素年净固定量(7.18 t·hm－2·a－1)和湖南会同 15 年生杉木人工林碳素年净固定量(5.33 t·hm－2·a－1)，略低于广西南宁7年生厚荚相思人工林的9.86 t·hm－2·a－1［13］。可见，黑木相思是一个既具有较高植物体碳吸存能力，又具有较强土壤碳吸存能力的热带树种，考虑其具有干形良好、速生、材质优良而又具有一定的耐寒能力，黑木相思既可以在热带亚热带地区作为人工用材林发展，更适宜在该地区以生态公益林或碳汇树种为经营目的的退化山地生态系统中加以推广。

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