不同经营措施对毛竹林生物量与碳储量的影响

2014-01-19朱琳琳张萌新赵竑绯徐小牛

经济林研究 2014年1期

朱琳琳，张萌新，赵竑绯，赵阳，徐小牛

(安徽农业大学林学与园林学院，安徽合肥 230036)

随着全球气候的变暖，有关森林生态系统固碳能力的研究日益被重视。森林生态系统作为陆地生态系统的主体，是地球上除海洋之外最大的碳库[1-2]。此外，森林生态系统具有较高的固碳能力，每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3。所以，森林生态系统在调节全球碳平衡、减缓大气中CO2等温室气体浓度的上升及维护全球气候稳定等方面具有不可替代的作用。一方面，森林的生长需要从大气中吸收和固定大量的碳，是大气中CO2的一个重要碳汇；另一方面，森林的采伐利用会使原先已固定的碳释放，又可成为大气CO2的一个重要碳源。所以，不同的森林类型其碳源汇的功能不尽相同[3-4]。

毛竹Phylloctachys pubescens是我国南方重要的森林资源，以其分布广、生长快、周期短等特性而有别于其他类型的森林生态系统。据统计，我国现有竹林面积800多万hm2，其中毛竹林面积多达400万hm2。据全国第七次森林资源连续清查资料(2004～2008年)，全国竹林(其中约有72％为毛竹林)的总碳储量为2.0亿t，占中国森林资源总碳储量的2.54％[5]。竹林在温室气体减排和森林碳汇中发挥着积极作用[6-7]。随着人们对竹林经济效益的追求，许多非经营的毛竹林转变为经营(林地除草、垦复、施肥、覆盖和灌溉等)状态[8]。彭在清等人[9]的研究结果表明，经营与非经营毛竹林的生物量存在差异；经营的集约化对竹林生态系统碳储量的影响更大[10-11]。鉴于此，文中对安徽泾县蔡村地区不同经营措施下毛竹林的林分结构及土壤养分状况进行了调查与分析，旨在了解不同经营措施对毛竹林生物量及碳储量的影响情况，以期在提高毛竹林经济效益的同时，更大程度地发挥出毛竹林生态系统的碳汇功能，从而为其可持续经营提供理论依据。

1 试验地概况

调查区设在皖南泾县东部蔡村镇(117°57′～118°41′E、30°21′～30°50′N)，位于蜚声海内外的黄山、九华山、太平湖旅游三角区内。森林覆盖率达76.4％，素有“山清水秀月亮湾，竹海茶香金蔡村”之美誉。蔡村镇拥有丰富的优质煤炭、竹林、石英砂、茶叶、青檀等资源，其竹林面积达7 000多hm2，毛竹年产量1 400余万根，该镇被誉为“华夏毛竹第一镇”。

蔡村镇属于亚热带湿润季风气候区，季风明显，四季分明，春温多变，夏雨集中，秋高气爽，冬季寒冷。雨量充沛，年降水量达1 100～2 500mm，但雨水分配不均；年平均气温为16℃。土壤主要以黄棕壤和红黄壤为主，呈酸性。

2 研究方法

2.1 样地调查

根据如表1的蔡村不同经营措施下毛竹林的基本情况并结合立地条件(坡度在25 °以下)设置调查样地，在以3种不同措施经营的毛竹林内设立了面积为 20m×20m的调查样方(各重复3次)。主要采用了如下3种经营措施：模式Ⅰ为粗放经营，模式Ⅱ为垦复-施农家肥(每年施农家肥7.5t·hm-2)，模式Ⅲ为垦复-施配比肥(每年施配比肥0.96t·hm-2)。施肥时间分别为3～5月和8～9月，施用的配比肥为15∶12∶5的尿素∶钙镁磷肥∶硫酸钾的混合肥，施肥方法均采用沟施法，沿水平带方向开沟，水平带间距2～3m，沟深20cm，沟宽20～30cm，将肥料均匀施入沟中，加土覆盖。垦复周期为每2年1次，垦复深度为30cm。同时，以每木检尺法对各标准样地内毛竹的胸径与高度进行实测，调查其生长状况，计算毛竹林的立竹度和整齐度。在标准样地中采用剖面法进行土壤调查，于每块样地内随机选取3个样点，采集土层深度分别为0～10、10～30、30～50、50～70cm的土壤样品，带回实验室用于理化性质分析。

2.2 毛竹生物量的估算

采用孙刚等人[12-13]建立的如下回归方程估算单株毛竹各部分的生物量，然后依据构建的生物量模型结合各标准地毛竹的胸径D(cm)和竹高H(m)推算出单株毛竹各部分生物量的总量W(g)。

表1 蔡村不同经营措施下的毛竹纯林概况†Table 1 General status of Phyllostachys pubescens pure forest under different management measures at Cai Village

W秆＝29.0367D2.4185H0.1885，R2＝0.890 7；

W枝＝8.9787D1.521 1H0.8378，R2＝0.805 8；

W叶＝0.0067D12.8061H-6.8501，R2＝0.633 6；

W根＝80.219D1.8402，R2＝0.562 0。

2.3 毛竹林碳储量的估算

毛竹林生态系统中的碳储量主要由植被碳储量和土壤碳储量组成。考虑到试验区毛竹林下植被稀少，地表凋落物层稀薄，根据周国模等人[14]的研究结果，林下层碳储量所占比例不足毛竹林生态系统碳储量的5％，故本研究不考虑灌木层、草本层、凋落物层的碳储量，植被碳储量以毛竹林分的碳储量来计算。

林分碳储量为毛竹各器官碳储量之和，其中各器官碳储量(C)的计算公式为：

式中：C为毛竹某器官碳储量(t·hm-2)，W为毛竹林相应器官的总生物量(t·hm-2)；Cc为相应的毛竹器官的含碳率。毛竹林各器官的含碳率分别为[15]：

土壤总碳储量为各深度土层土壤碳储量之和，其中各深度土层土壤碳储量(CS)的计算公式为：

式中：CS为某深度土层土壤碳储量(t·hm-2)，Dd为相应深度土层的土壤密度(g·cm-3)；D为相应的土层深度(cm)；S为样地面积(hm2)；Ci为相应深度土层的土壤有机碳含量(％)。

2.4 土壤样品的分析

采用环刀法现场采集土样并测定其密度。采用烘干法测定土壤含水量，即将土壤样品置于105℃下烘至恒重，所失去的质量即为水分的质量，烘干前后的质量之差即为土壤水分含率。使用TOC分析仪(Multi C/N 3100，Jena)测定土壤可溶性有机碳的含量。分别采用钼锑抗比色法、盐酸-氟化铵法测定土壤中全磷、速效磷的含量；用2 mol·L-1的KCl溶液浸提铵态氮和硝态氮，再以流动注射分析仪(FIA Star 5000，FOSS)测定其含量；分别以原子吸收光度法(FSA-990)、C/N分析仪(EA3000)依次测定土壤全钾与全氮及全C的含量。用ExtechⅡ型电导仪和pH计测定土壤溶液的电导率和pH值：将蒸馏水与土壤样品按照2.5∶1.0的比例混合，摇匀静置30min后，用pH计测定土壤溶液的pH值；土壤电导率是将蒸馏水与土壤样品按照5∶1的比例混合，摇匀静置1h后，用金星电导仪测定的。

2.5 数据处理

采用Excel、SPSS等软件对数据进行计算和处理，不同处理间的差异采用单因素方差分析法进行检验，显著性差异水平为p=0.05。

3 结果与分析

3.1 不同经营措施下毛竹林的生长状况

不同经营措施下毛竹林生长状况的调查结果见表2。表2显示，毛竹林现存密度为2 933～3 100 株·hm-2，平均密度为 3 000 株·hm-2；不同经营措施下毛竹林平均胸径的变化幅度为9.55～11.38cm，平均竹高的变幅为13.20～15.97m，胸高断面积的变幅为22.19～28.80m2·hm-2，整齐度为5.93～7.29。可见，经营和非经营状态下毛竹林生长差异显著。

表2 不同经营措施下毛竹林生长状况的调查结果†Table 2 Growth status of Phyllostachys pubescens forest under different management measures

在相同的自然环境中，不同经营措施对毛竹林生长具有一定的影响。平均胸径是判断毛竹生长状况的一个重要指标。温太辉[16]根据毛竹胸径的大小将毛竹林划分为如下5个等级：Ⅰ级，平均胸径在10.0cm 以上；Ⅱ级，平均胸径为10.0～9.1cm；Ⅲ级，平均胸径为9.0～8.1cm；Ⅳ级，平均胸径为8.0～7.1cm；Ⅴ级，平均胸径在7.0cm以下。就平均胸径而言，蔡村粗放经营的毛竹林属Ⅱ级，说明现有生产力并不高，生产潜力有待提高；而采取经营措施的毛竹林均属Ⅰ级水平，具有较高的生产潜力，且采取两种施肥措施经营的竹林其胸径间的差异并不显著。

立竹度是竹林地上部分生物量的重要组成因素，也是反映林分经营是否合理的一个关键因子，文中毛竹的立竹度是以调查林分胸高断面积与模式林分胸高断面积(79.35m2·hm-2)之比来表示的[16]。凡立竹度在0.8以上的毛竹林即为高产林分，立竹度在0.3～0.8之间的为中产林分，立竹度小于0.3的为低产林分。采取两种施肥措施经营的毛竹林其平均立竹度为0.35(中产林)，明显高于粗放经营毛竹林的0.28(低产林)。因此，经营措施有利于提高毛竹的立竹度，提高竹林的生产力。

3.2 不同经营措施下毛竹林地土壤养分特性

不同经营措施下毛竹林地土壤全氮、全磷、速效磷、可溶性有机碳、铵态氮、硝态氮含量的测定结果见表3。表3表明，毛竹林地土壤各养分指标值都随土层深度的加深而降低。0～10cm土层的全钾含量要低于10～30和30～50cm土层的，这与钾在土壤中大多呈游离状态，易淋溶和转移有关。由表3可知，采取经营措施的林地各养分含量明显高于粗放经营林地的，其中施农家肥林地的各养分含量高于施配比肥的林地，且农家肥中能被植物直接吸收利用的养分(如铵态氮、硝态氮、速效磷)的含量也明显高于配比肥。这一测定结果表明，在提高土壤肥力方面，农家肥的效果更优于配比肥。因此，在采取经营措施时，应尽可能使用农家肥，不仅肥效显著又节约了成本。另外，长期沟施肥料的林地因经常翻动土壤而使地表掉落物及腐殖质遭到破坏，减少了微生物分解的碳源，使得采取了经营措施的毛竹林地的可溶性有机碳含量显著低于粗放经营毛竹林地的有机碳含量。

表3 不同经营措施下毛竹林地土壤各养分含量的测定结果Table 3 Determination results of nutrients in the soil of Phyllostachys pubescens forest under different managed measures

3.3 不同经营措施下毛竹林的生物量

不同经营措施下毛竹各器官生物量的分配情况见表4。由表4可知，蔡村毛竹各器官生物量的大小顺序为：竹秆＞竹根＞竹枝＞竹叶。这与浙江临安毛竹林的调查结果相同[14]。在蔡村3种经营措施的林分中，毛竹林的秆、根、枝、叶各器官的平均生物量分别为48.54、19.72、10.01、5.58t·hm-2，毛竹地上各部分的生物量均在76％以上，蔡村毛竹林平均总生物量为83.86t·hm-2，稍高于陈辉等人[17]研究的闽北毛竹林的现存生物量(82.38t·hm-2)，但低于孙刚等人[12]研究的安徽肖坑地区毛竹林的生物量(91.91t·hm-2)，其原因可能与本研究中的总生物量不包含竹鞭生物量有关。比较分析不同经营措施下毛竹林的生物量可知，采取垦复、施肥措施经营的毛竹林其生物量分别达到了90.03和84.86t·hm-2，明显高于粗放经营毛竹林的76.69t·hm-2，这与李正才等人[10]和周国模等人[11]的研究结果相似，垦复、施肥促进了毛竹林林分的生长，增加了林地的现存生物量，提高了竹林生产力，而且施农家肥的效果比施配比肥的效果好。

3.4 毛竹林林分的碳储量

对3种经营措施毛竹林的碳储量进行了估算，结果如图1 所示。从图1中可以看出，毛竹林分碳储量的变化范围为37.34～44.00t·hm-2，不同经营措施的毛竹林其碳储量的大小顺序为：施农家肥＞施配比肥＞粗放经营。这一结果说明，采用经营措施能促进毛竹林分碳储量的增加，且施农家肥的效果比施配比肥的效果好。经营措施对碳储量的影响与其对生物量的影响是一致的。蔡村不同经营措施下毛竹林的碳储量均低于喀斯特城市刺槐梓木混交林的植被碳储量(51.384t·hm-2)[18]，更低于我国森林植被的平均水平(57.07 t·hm-2)[19]，说明其毛竹林分的碳储量还有待于提高，而其中采用了经营措施的毛竹林分的碳储量(43.24t·hm-2)也低于刘西军等人[15]研究的经营毛竹林分的碳储量(46.29t·hm-2)。因此，经营措施不同也会影响毛竹林分的碳储量，应探寻更为有效的经营措施，以提高毛竹林分的碳储量。从毛竹各器官碳储量的分配情况来看，竹秆的碳储量所占比例最大(58.59％)，其次是竹根(24.48％)，竹枝和竹叶所占的比例较小，分别只有11.26％和5.67％。同时，从表4和图1中可以看出，不同器官中的碳储量与各器官中的生物量基本成正比关系，说明植被碳储量主要受植被生物量的影响。

表4 不同经营措施下毛竹各器官生物量的分配情况†Table 4 Distribution of biomass of different organs in Phyllostachys pubescens forest under different management measurest·hm-2

图1 不同经营措施下毛竹林各器官的碳储量Fig.1 Carbon storage in different organs of Phyllostachys pubescens forest under different management measures

3.5 毛竹林地土壤的碳储量

不同经营措施下毛竹林地的土壤容重和有机碳含量见表5。由表5可知，采取了经营措施的毛竹林地其土壤容重均随土层深度的加深而增大，不同土层土壤容重的平均值的变化范围为0.95～1.44g·cm-3，而土壤中的有机碳含量则随土层深度的增加而减少，减幅的大小顺序为：Ⅰ＞Ⅲ＞Ⅱ，即粗放经营的毛竹林其减幅最大，而施农家肥的毛竹林其减幅最小。不同经营措施下毛竹林地土壤中的有机碳含量为1.48％～2.53％，平均含量为2.14％；10～30cm土层中的有机碳含量间的差异不显著，而其余3个土层中的有机碳含量间的差异却显著；施农家肥的毛竹林地的有机碳含量最高，粗放经营的毛竹林地的有机碳含量最低，采取经营措施与未采取经营措施的毛竹样地其有机碳含量差异显著。

采用了经营措施与粗放经营的毛竹林地土壤的总碳储量之间存在着显著差异，其变化范围为117.62～191.83t·hm-2(图2)。其中粗放经营的毛竹林地其土壤总碳储量最低(117.62t·hm-2)，这与李正才等人[10]研究的粗放经营毛竹林地0～100cm土层的总碳储量(131.03t·hm-2)接近，但由于竹林经营水平和产区地理条件的差异，本研究测定的采取了经营措施的毛竹林地其平均土壤总碳储量达189.77t·hm-2，明显高于李正才等人[10]研究的集约经营毛竹林地0～100cm土层的总碳储量(106.53t·hm-2)。因此，开展不同竹林产区(中心、边缘地区)、不同经营管理水平对竹林碳储量的研究显得尤为重要。3种经营措施下毛竹林地其土壤总碳储量由高到低依次为：施农家肥＞施配比肥＞粗放经营。

表5 不同经营措施下毛竹林地的土壤容重和有机碳含量†Table 5 Soil density and organic carbon content of Phyllostachys pubescens forest under different management measures

图2 不同经营措施下毛竹林地不同土层中的碳储量Fig.2 Carbon storage in different soil layers of Phyllostachys pubescens forest under different management measures

3.6 毛竹林碳储量分配及碳素年固定量推算

由图1和图2可知，采用3种不同措施经营的毛竹林其总碳储量分别为154.96、235.83和229.18t·hm-2。粗放经营的毛竹林的总碳储量与湖南会同的15年生杉木林[1](152.52t·hm-2)接近，但低于23年生的杉木纯林(169.53t·hm-2)和火力楠纯林(170.37t·hm-2)[20]；而采用垦复、施肥等措施经营的毛竹林其林分碳和土壤碳的双重效应，使得经营后的毛竹林的总碳储量均有显著的提高，分别是粗放经营毛竹林总碳储量的1.52和1.48倍。3种经营措施下毛竹林的土壤碳储量都要高于林分碳储量，是林分碳储量的3～4倍，这与李默然等人[21]对黔东南地区的5种森林生态系统类型的研究结果以及李素敏等人[22]对喀斯特地区城市杨树人工林的研究结果相一致，即土壤层是森林生态系统的最大碳库。因此，从竹林的长期经营效益和生态效益来看，应采取合适的管理与施肥(尤以农家肥为佳)措施，在提高毛竹林生产力的同时增强毛竹林的固碳能力。

森林生态系统生产力研究的主要内容就是确定生态系统同化CO2的能力。3种不同经营措施下毛竹林乔木层的碳储量依次为37.34、44.00和41.47t·hm-2，其同化CO2的量分别相当为136.91、161.33和152.07t·hm-2。由于采取经营措施和粗放经营的毛竹林隔年均伐去3度以上竹株，因此从生态系统的角度看，毛竹林分永远处于生长动态平衡之中，并可以近似地认为每次采伐的毛竹生物量均相当于现存林分生物量的1/3。据此推算出的毛竹林乔木层的年碳固定量是现存乔木层碳储量的1/6。以此推算，采用3种措施经营的毛竹林其乔木层年碳固定量依次为6.22、7.33和6.91t·hm-2a-1，其每年同化CO2的量分别相当为22.81、26.88和25.34t·hm-2a-1。采取经营措施的毛竹林其平均每年同化CO2的量(26.11t·hm-2a-1)是粗放经营毛竹林(22.81t·hm-2a-1)的1.14倍，两者分别是苏南地区27年杉木人工林的3.01和2.63倍，是40年次生栎林的2.90和2.53倍，是18年国外松人工林的1.23和1.08倍[23]，是尖峰岭热带山地雨林的1.91和1.67倍[24]，是速生阶段杉木林的2.89和2.53倍[25]。可见，毛竹林比其他林种的固碳能力要强，采取合理的经营措施能提高毛竹林乔木层的固碳能力。

4 小结

1)粗放经营的毛竹林其平均胸径为9.55cm，其生长级属Ⅱ级；其平均立竹度为0.28，属低产林分。采取经营措施的毛竹林其平均胸径为11.04cm，其生长级属Ⅰ级；其平均立竹度为0.35，属中产林分。因此，采取经营措施又利于提高毛竹立竹度，提高竹林生产力。

2)调查区毛竹林地土壤中全氮、全磷、速效磷、可溶性有机碳的含量都表现出随着土层深度的加深而降低的变化特点；研究中发现，表层土壤中的钾含量最低，这与钾在土壤中大多呈游离状态，易淋溶和转移有关。而采取经营措施的毛竹林地土壤各养分的含量明显高于粗放经营的毛竹林地，在提高土壤肥力方面，农家肥的效果更优于配比肥。

3)各经营措施下毛竹林各器官的生物量及碳储量的大小顺序均为：竹秆＞竹根＞竹枝＞竹叶。经营措施对碳储量的影响与对生物量的影响是一致的，采取垦复-施农家肥与垦复-施配比肥两种措施经营的毛竹林其生物量分别为90.03和84.86t·hm-2，其碳储量分别为44.00 和41.47t·hm-2，均高于粗放经营毛竹林的生物量和碳储量(76.69和37.34t·hm-2)，且农家肥的效果要好于配比肥。

4)采取不同措施经营的毛竹林其总碳储量由高到低依次为：施农家肥的竹林(235.83t·hm-2)＞施配比肥的竹林(229.18t·hm-2)，粗放经营竹林(154.96t·hm-2)。而且，其土壤碳储量均高于林分碳储量，是林分碳储量的3～4倍，土壤碳储量在不同经营措施下的竹林碳储量中起着更为重要的作用。根据竹龄和采伐习惯估算，采取经营措施的毛竹林平均每年同化CO2的量(26.11t·hm-2a-1)是粗放经营毛竹林(22.81t·hm-2a-1)的1.14倍。因此，从竹林的长期经营效益和生态效益来看，应采取适度或适当的管理与施肥(尤以农家肥为佳)措施，这样才可在提高毛竹林生产力的同时增强毛竹林的固碳能力。

[1] 肖复明,范少辉,汪思龙,等.毛竹、杉木人工林生态系统碳平衡估算[J].林业科学,2010,46(11): 59-65.

[2] 尹少华,周文朋.湖南省森林碳汇估算与评价[J].中南林业科技大学学报,2013,33(7):136-139.

[3] Alexeyev V,Birdsey R,Stakanov V,et al.Carbon in vegetation of Russian forests: Methods to estimate storage and geographical distribution [J].Water,Air,and Soil Poll,1995,82(1/2):271-282.

[4] Turner D P,Koepper G J,Harmon M E,et al.A carbon budget for forests of the conterminous United States [J].Ecological Application,1995,5(2):421-436.

[5] 李海奎,雷渊才.中国森林植被生物量和碳储量评估[M].北京:中国林业出版社,2010:32-42.

[6] Du H Q,Zhou G M,Fan W Y,et al.Spatial heterogeneity and carbon contribution of aboveground biomass of moso bamboo by using geostatistical theory [J].Plant Ecol,2010,207: 131-139.

[7] Chen X G,Zhang X Q,Zhang Y P,et al.Changes of carbon stocks in bamboo stands in China during 100 years [J].For Ecol Manage,2009,258:1489-1496.

[8] 徐秋芳,徐建明,姜培坤.集约经营毛竹林土壤活性有机碳库研究[J].水土保持学报,2003,17(4):15-17.

[9] 彭在清,林益明,刘建斌,等.福建永春毛竹种群生物量和能量研究[J].厦门大学学报:自然科学版,2002,41(5):579-583.

[10] 李正才,杨校生,蔡晓郡,等.竹林培育对生态系统碳储量的影响[J].南京林业大学学报,2010,34(1):24-28.

[11] 周国模,吴家森,姜培坤.不同管理模式对毛竹林碳贮量的影响[J].北京林业大学学报,2006,28(6): 51-55.

[12] 孙刚,邓文鑫,王陆军,等.安徽肖坑天然毛竹林生产力及其土壤养分特点[J].经济林研究,2009,12(3): 72-76.

[13] 丁正亮,王雷,刘西军,等.安徽霍山毛竹林生产力及其土壤养分的特点[J].经济林研究,2011,29(1):172-178.

[14] 周国模,姜培坤.毛竹林的碳密度和碳贮量及其空间分布[J].林业科学,2004,40(6):20-24.

[15] 刘西军.亚热带北缘毛竹林群落生产力、有机碳及养分动态[D].合肥:安徽农业大学,2011.

[16] 温太辉.竹林生产力因子的评价[J].竹子研究汇刊,1990,9(2): 1-10.

[17] 陈辉,洪伟,兰斌,等.闽北毛竹生物量与生产力的研究[J].林业科学,1998,34(S1): 61-64.

[18] 曹娟,田大伦,闫文德,等,喀斯特城市刺槐梓木混交林生物量与碳储量研究[J].中南林业科技大学学报,2011,31(5):135-139,