湘潭锰矿废弃地不同林龄栾树人工林碳储量变化趋势

2014-05-05田大伦李雄华罗赵慧闫文德

生态学报 2014年8期

田大伦，李雄华，罗赵慧，闫文德，3

(1.中南林业科技大学，长沙 410004;2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，长沙 410004;3.湖南会同杉木林生态系统国家野外科学观测研究站，会同 418307)

工业革命后，大气中CO2浓度急剧上升，其浓度以 1.9mL m－3a－1的线性速率增加［1］，温室效应日益明显，这些变化直接影响人类生存环境、人类身体健康以及全球的可持续发展。森林中的绿色植物可通过光合作用固定大气中的CO2，因此，森林作为陆地生态系统的主体，在调节全球碳平衡、维持全球气候和维护区域生态环境方面具有不可替代的作用［2-3］。森林生态系统碳储量是研究森林生态系统与大气之间碳交换的基本参数［4-5］，也是估算森林生态系统向大气吸收和排放含碳气体的关键因子［6］。

近年来，国内外有关不同森林类型的生物量和碳储量研究取得了重大进展［7-9］，但大多限于某一林龄下的生物量和碳储量的研究，对基于不同时间序列上生物量和碳储量变化研究的不多［10-12］，而对矿区废弃地不同林龄人工林生物量和碳储量的研究就更为少见。由于矿区废弃地土壤结构性差，养分含量低，重金属含量高，植被稀少，不仅导致大量土地资源的浪费和闲置，也造成了严重的水土流失和土壤碳储量的减少。目前，我国矿区废弃地面积已达40000 km2，而且正在以每年330km2的速度增长［13］，这部分土地拥有较大的碳储存潜力和空间。因此，对矿区废弃地进行植被恢复，不仅可以改善矿区生态环境，防止水土流失，而且对储存和固定大量的碳，减缓碳排放，缓解温室效应具有重要意义。

栾树(Koelreuteria paniclata)为无患子科栾树属落叶乔木，根系深长，萌蘖性强，具有较强的抗污染和适应性等特点［14］。因此，通过栾树对湖南湘潭锰矿区废弃地进行植被恢复，并以该区3、5、9年生的栾树林为研究对象，研究其生物量和碳储量功能，不仅可以较大限度的缓解矿区土壤碳流失，增加矿区人工林碳汇功能，而且可以揭示栾树在生长过程中生物量和碳储量的积累特点和变化趋势，为我国森林资源尤其是矿区植被恢复地森林资源的经营管理和可持续发展提供科学依据，还可为应对未来气候变化响应和我国碳汇管理及气候变化外交谈判提供参考数据。

1 研究地概况

湘潭锰矿矿渣废弃地矿区位于湖南省湘潭市北部约 14km处，年均气温 17.4℃;年均降水量1431.4mm。区域内由矿石废弃物、矿渣和选矿后的尾矿泥、城市生活生产垃圾等形成的一种特殊的退化生态系统，主要是草本植物种类，如艾蒿(Artemisia argyi)、灯心草(Juncus effusus)、五节芒(Miscanthus floridulus)、一年蓬(Erigeron annuns)等。

分别于2004年、2008年和2010年在矿区的矿渣废弃地采用2年生栾树(K.paniclata)(苗高约1.3 m，地径约 1.5 cm)实生苗，挖穴(0.5m×0.5m×0.5m)，客土1.0kg，苗木根系蘸黄土浆进行人工造林恢复，株行距为1.0 m×1.3 m，各林龄造林面积均为500亩，且造林后均请专业人员进行专门看护和日常管理。2011年10月在造林地设置标准地测定林木胸径和树高，并计算林分的平均胸径、平均树高、单株生物量、林分生物量和林分生产力(表1)。

表1 不同林龄栾树人工林林分特征Table 1 Characteristics of different aged K.paniclata tree

2 生物量测定及样品采集

2.1 林分生物量测定及乔木样品采集

在各林龄研究区林分内，设置固定标准地2块，样地面积均为600 m2。样地内林木按克拉夫特分级法进行每木调查，求算林分平均测树因子。然后依据林木各生长级的Ⅰ至Ⅴ级和平均木的测树因子各选择其标准木1株，共6株，在现场将标准木从树干基部伐倒，用分层切割法，按1m区分段，测定标准木枝、叶、干(包括树皮)和根的鲜重，根系采取全挖法，分层分级(根头、大根(d＞0.5cm)、粗根(0.2＜d＜0.5cm)、细根(d＜0.2cm))测定鲜重。然后按各器官分别采取小样本1.0kg，置于80℃烘箱中烘至恒重，求出各器官的干重［15］。

2.2 林分枯枝落叶层现存量测定

在各样地内随机设置4个1m×1m的小样方，样方内凋落物按未分解、半分解和已分解3个层次采用全收获法测定其鲜重，再抽取亚样本1.0 kg带回实验室，置于80℃烘箱中烘至恒重，最后用中药粉碎机将其粉碎，供后续化学分析使用。

2.3 土壤样品采集

在植被恢复地和距样地400m外空旷对照地各设置4个样地，每个样地按“品”字形设置3个采样点，每个采样点按 0—15、15—30、30—45cm 层次，分别取土样1kg，共采土样144个。去除石砾与杂物，风干后过20目和100目筛，备用。在取样地采取环刀法，取各点各层土样，用于测定土壤容重。

3 样品测定

所有样品均采用重铬酸钾-水合加热法测定有机碳含量［16］，每个样品重复3次。其中，因没有预先通过HCl去除土壤中的无机碳，因此本文中土壤有机碳含量可能还包括了土壤无机碳含量。

4 数据处理

数据用 Excel2003和SPSS13.0软件处理;显著性分析采用SPSS13.0软件包进行。

林木单株生物量由12株标准木的平均值求得;林分生物量由林木单株生物量乘以林分株数求得;林分生产力采用年平均生长量估算。

5 结果与分析

5.1 生物量及其分配

51.1 乔木层生物量及其分配

林木生物量是通过光合作用固定太阳能的结果，是不断积累有机质的过程。由表2可知，3、5、9年生栾树林生物量分别为 3.16、34.11和 102.06t/hm2，且林分生物量随林龄的增加而增加(P＜0.05)，9年生栾树林生物量是5年生的2.99倍，是3年生的32.30倍。3年生栾树林各器官生物量中，干与枝间生物量差异不显著(P＞0.05)，但显著大于其他器官(P＜0.05);5年生和9年生栾树林干生物量均最大，且显著大于其他器官(P＜0.05)。各林龄生物量均以地上部分占优势，且随着林龄增加，地上部分生物量占总生物量的比重呈增加趋势，分别由3年生的65.82%增加到5年生的76.72%再到9年生的 82.93%。

不同林龄林分中，各器官生物量大小依次排序为:3年生为干＞枝＞根头＞大根＞叶＞粗根＞皮＞细根;5年生和9年生为为干＞枝＞根头＞叶＞皮＞大根＞粗根＞细根。

表2 不同林龄栾树林各器官生物量及分配比例Table 2 Stand biomass and its distribution ratio indifferent aged K.paniclata tree organs

5.1.2 植被层和死地被物层生物量

由表3可以看出，不同林龄栾树林生态系统中植被层均以乔木层生物量占绝对优势，其生物量为3.16—102.06t/hm2，占植被层总生物量 99.10% 以上，而草本层和灌木层生物量仅占0.01%—0.06%。从表3还可以看出，林下植被以草本植物为主，林分5年生时，林地才开始出现灌木，虽然灌木层生物量随林龄增加而增加，但其生物量以及在林分内所占比重仍低于草本层;而且5年生林地才具有死地被物层，死地被物层生物量随林龄增长而增加，生物量由5年生林地的0.02t/hm2增长到9年生林地的0.16t/hm2，说明植被恢复5a后，林地开始出现了养分归还，且随着林龄的增长，归还量也在逐渐增加。

表3 栾树人工林植被层和死地被物层生物量及分配Table 3 Biomass and its distribution ratio in vegetation layer(t/hm2)

5.2 植被层和死地被物层碳素含量

3.2.1 乔木层碳含量

对3年生、5年生和9年生栾树不同器官碳含量的测定结果(表4)表明，3年生栾树各器官碳含量变化范围为 0.50—0.54 gC/g，5 年生为 0.52—0.55 gC/g，9 年生的为 0.48—0.56 gC/g。3 年生和 5 年生栾树碳含量以树干最高，9年生以树枝最高，各林龄碳含量高低排列顺序分别为:3年生为干＞大根＞枝＞粗根＞叶＞细根＞根头＞皮，5年生为干＞大根＞叶＞枝＞细根＞根头＞粗根＞皮，9年生为枝＞根头＞大根＞干＞叶＞粗根＞细根＞皮，各林龄器官碳素含量虽存在差异，但差异不显著(P＞0.05)。从各林龄碳素平均含量来看，随着林龄的增长，林木碳含量有小幅增长，但差异不显著(P＞0.05)。

5.2.2 林下植被层和死地被物层碳含量

林下植被层碳素含量测定结果见表5。可以看出，5年生灌木层碳素含量为0.47 gC/g，略高于9年生灌木层碳素含量;各林龄草本层碳素含量在0.41—0.49 gC/g之间，5年生草本层碳素含量低于灌木层，而9年生则相反;死地被物层碳素含量中，5年生林地上未分解层碳素含量高于半分解和已分解层，而9年生林中，则是已分解层碳素含量略高于未分解层和半分解层。

表4 不同林龄栾树各器官碳素含量Table 4 Carbon contents of different organs in different aged K.paniclata trees(gC/g)

表5 不同林龄栾树林下植被层和死地被物层碳含量Table 5 Carbon content of underscore and litter layer in different aged K.paniclata trees(gC/g)

5.3 土壤层碳含量

由表6可以看出，未经植被恢复的对照地土壤层有机碳含量在9.83—10.62gC/kg之间，在植被恢复地中，不同林龄土壤层有机碳含量为13.36—26.96gC/kg之间，高于对照地土壤层有机碳含量。各林龄不同深度土壤碳含量差异不显著(P＞0.05)，不同林龄相同深度土壤碳含量存在差异(P＜0.05)，且不同林龄土壤碳平均含量随着林龄的增加而增加，9年生林地土壤碳含量显著高于对照地、3年生和5 年生林地(P＜0.05)。

表6 不同林龄土壤碳含量Table 6 Soil carbon content in different aged stand forest(gC/kg)

5.4 栾树人工林生态系统碳储量及空间分布

5.4.1 栾树林各器官碳储量

林木各器官碳储量是各器官碳素含量和生物量共同作用的结果，因此，各器官碳储量和生物量紧密相关。从表7可以看出，3年生、5年生和9年生栾树碳储量分别为 1.66、18.32 和 49.87t/hm2，并随着林龄的增长而增加(P＜0.05)。各林龄树干碳储量最高且显著高于其他器官碳储量(P＜0.05)，树干碳储量占整个乔木层碳储量的比例随着林龄的增长而增加，由3年生的27.71%增加到9年生的43.43%，这是与树干生物量增加而紧密相关的。

方差分析结果表明，3年生栾树树干和树枝的碳储量没有显著差异，但树干碳储量却高于其他器官，各器官碳储量按高低依次排序为干＞枝＞根头＞大根＞叶＞粗根＞皮＞细根;5年生栾树枝、叶、皮、根头碳储量差异不显著，但与细根、粗根、大根差异显著，各器官碳储量依次排序为干＞根头＞枝＞叶＞皮＞大根＞粗根＞细根;9年生栾树枝和根头碳储量差异不显著，但与其他器官均存在差异显著，各器官碳储量依次排序为干＞枝＞根头＞皮＞大根＞叶＞粗根＞细根，可见，栾树碳储量主要集中在干中，其次为枝中。

表7 不同林龄栾树各器官碳贮量Table 7 Carbon storage in different organs of different aged K.paniclata trees(t/hm2)

5.4.2 栾树林生态系统碳储量及空间分布

栾树人工林生态系统中碳库主要为3个部分:植被层、死地被物层和土壤层。3个林龄的栾树人工林总碳储量分别为 77.76、101.63 t/hm2和 149.86 t/hm2(表8)，其中林地土壤层碳储量分别为76.09 t/hm2、83.29 t/hm2和 99.93 t/hm2，占总储量的66.68%—97.85%，因而林地土壤层对总碳储量的贡献最大，作为碳的重要存储库，在平衡大气中CO2方面起着重要的作用;植被层碳储量为1.67—49.89 t/hm2，占总碳储量的 2.15%—33.29%，在植被层中乔木层为1.66—49.87 t/hm2，占植被层碳储量的99%以上，可见乔木层是植被层主要碳库;死地被物层碳储量为 0.01—0.04 t/hm2，占总储量的0.001%—0.02%，死地被物层总碳储量虽少，在整个生态系统碳储量中所占比重较低，但它是土壤有机碳的重要来源，在土壤有机碳的积累过程和系统碳循环中起着重要作用。不同林龄栾树林生态系统碳储量的分布格局为:土壤层＞植被层＞死地被物层(图1)。

表8 不同林龄栾树林不同层次碳储量及空间分布Table 8 Carbon storage and distribution in different layer of different aged K.paniclata trees(t/hm2)

图1 栾树林生态系统碳储量分配比例Fig.1 Distribution ratio of carbon storage in different aged K.paniclata tree

同一林龄栾树林下灌木层、草本层和死地被物层碳储量间差异不显著(P＞0.05)，但土壤层、乔木层和林下植被层碳储量间差异显著(P＜0.05)。不同林龄生态系统总碳储量间存在差异显著(P＜0.05)且总碳储量和各层次碳储量均随林龄增长而增加。

6 结论与讨论

3年生、5年生和9年生栾树人工林生态系统乔木层生物量分别为 3.16、34.11 和 102.06t/hm2，且随林龄的增加而不断积累，9年生栾树林分生物量是5年生的2.99倍，是3年生的32.30倍，占植被层总生物量的99%以上;林木树干生物量最高，占林木总生物量的27%—41%。栾树人工林生物量的空间分布为:乔木层＞草本层＞死地被物层＞灌木层。

不同林龄栾树人工林乔木层平均碳含量在0.51—0.53gC/g之间，在世界范围森林乔木层含碳率范围内［17］，与长沙市区马尾松碳含量0.51 gC/g［18］相近;不同林龄栾树各器官碳含量变化范围为0.48—0.56gC/g，与广西8年生黑木相思人工林不同器官波动范围 0.47—0.51 gC/g［19］较接近，但高于广西10年生巨尾桉人工林不同器官碳含量(0.44—0.48 gC/g)［20］，说明地域和林木类型的变化可能对林木各器官碳含量产生一定影响;不同林龄器官碳素含量平均值在0.48—0.56 gC/g之间，与8年生楠木人工林 0.48—0.49 gC/g［11］近似;不同林龄乔木层各器官碳素含量均值均随着林龄的增长呈现出稍有增加的趋势，却与不同林龄华北落叶松各器官碳素变化部分相反［21］。不同林龄灌木层碳素含量为 0.46—0.47 gC/g，草本层为 0.41—0.49gC/g，死地被物层为0.23—0.57 gC/g，栾树人工林林碳含量空间上表现出乔木层＞林下植被层，这可能是因为栾树树冠较为开张，且随着林龄的增加，林分郁闭度也不断增加，从而影响到林分内的光热和水分等生态条件的空间分配，进而影响到林下灌木和草本植物的生长以及枯枝落叶的分解，最终形成上述栾树林碳的空间分配特征。

不同林龄土壤层有机碳平均含量为13.36—26.96gC/kg之间，明显低于植被层和死地被物层。同一林龄不同深度土壤碳含量差异不显著(P＞0.05);不同林龄相同深度土壤碳含量间存在差异(P＜0.05)。田大伦等［22］对11 年生杉木林土壤碳的研究表明0—45cm土壤碳含量随深度增加而表现出先增加后减少的趋势，齐光等［23］对10年生兴安落叶松人工林0—40cm土壤有机碳研究也有相同结果，本研究仅5年生土壤有机碳含量随深度变化与上述研究结果相一致。各林龄不同深度土壤碳含量变化的主要原因在于研究地为矿区废弃地，土壤中矿渣和生活垃圾堆积较多，土壤碳含量随深度变化趋势受人为因素干扰较大，所以不同深度土壤碳含量并没有表现出一致的规律性。各林龄土壤碳平均含量表现为9年生土壤碳平均含量与3年生和5年生林土壤碳平均含量间存在差异，呈现出土壤碳平均含量随林龄变化而逐渐增加。Stevenson［24-25］认为，土壤有机碳的积累在造林后前几年会逐渐增加，然后增加的速度逐渐减慢，并最终达到平衡，本研究结果的趋势与其基本相符。因此，对矿区废弃地的植被恢复，不仅可以改善矿区环境，有效地防止水土流失，而且可以保存矿区土壤碳量。

因林龄和器官不同，栾树各器官碳储量也存在差异，不同器官碳储量在0.06—21.66 t/hm2之间。不同林龄乔木层总碳储量变化范围为1.66—49.87t/hm2，低于热带、亚热带针叶林乔木层碳储量63.70t/hm2［26］。随着林龄的增长栾树林乔木层碳储量显著增加(P＜0.05)，其中树干贡献率最大，占整个乔木层碳储量比例由3年生的27.71%增长到9年生的43.43%。

土壤层碳储量变化范围为76.09—99.93 t/hm2之间，高于10年生巨尾桉人工林土壤平均碳储量(69.38t/hm2)［20］，低于我国森林土壤平均碳储量193.55t/hm2［27］。土壤碳库是陆地生态系统碳库的主体，在固定 CO2，减缓温室效应中发挥着重要作用。

在湘潭锰矿区矿业废弃地植被恢复的栾树人工林内，不同林龄的栾树林生态系统总碳储量分别为77.76、101.63 和 149.86t/hm2，均远低于我国森林生态系统的平均碳储量 258.83t/hm2［27］，但 9 年生的栾树林总碳储量(149.86t/hm2)却高于10年生巨尾桉人工林生态系统总碳储量(123.11t/hm2)［20］。

栾树具有耐贫瘠，适应性强等特点，在矿区合理经营和发展栾树人工林，对丰富矿区造林树种，改良矿区土壤，维护生态环境，增强人工林碳汇功能等具有重要的科学和实践意义。因此，建议栾树作为锰矿区植被恢复的优选树种并加以推广。由于人工林土壤有机碳含量受诸多因素影响［28］，除气候和土壤性质外，还受树种本身的影响。造林后土壤碳变化与树龄有关［29］，不同林龄(如幼龄林和成熟林)、林地植被凋落物、断根含量和根际微生物分解能力以及土壤微生物含量［30-31］等因素差异等都会影响土壤有机碳含量。鉴于本研究对象尚处于幼龄林阶段，有关其生物量及碳汇功能变化趋势还需进行长期定位研究。

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