南亚热带不同树种人工林生态系统碳库特征

郑 路，蔡道雄，卢立华，明安刚，李朝英

（1.中国林业科学研究院热带林业实验中心，广西 凭祥 532600；2.广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站，广西 凭祥 532600）

南亚热带不同树种人工林生态系统碳库特征

郑 路1,2，蔡道雄1,2，卢立华1,2，明安刚1,2，李朝英1

（1.中国林业科学研究院热带林业实验中心，广西 凭祥 532600；2.广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站，广西 凭祥 532600）

研究比较了我国南亚热带5个树种人工林生态系统的碳储量及分配格局，结果表明：在相似的生境条件下、林龄和经营管理措施相同，不同树种人工林生态系统碳储量表现出较大差异，其中以火力楠林具有最大的储碳能力，其碳储量为359.43 t/hm2，其次是米老排林，为319.80 t/hm2，红椎林、马尾松林和铁力木林碳储量差异不大，分别为225.87 t/hm2、222.43 t/hm2和207.81 t/hm2。乔木层与土壤层是森林生态系统碳储量的主体，占生态系统碳储量总量的95%以上。不同树种林分乔木层碳储量以米老排林最高，为188.09 t/hm2，其次是火力楠林，为176.44 t/hm2，再其次是红椎林，为102.56 t/hm2，马尾松林和铁力木林最低，分别为84.59 t/hm2和84.01 t/hm2。树种不同，树木器官碳储量分配各不相同，但是均以树干最高，其次为根或枝，再其次为干皮，叶最低。林下灌木层和草本层碳储量分别为0.036 t/hm2～1.163 t/hm2和0.027 t/hm2～0.913 t/hm2，地表凋落物层碳储量在9.54 t/hm2～2.37 t/hm2之间。不同树种人工林100 cm厚土壤有机碳储量以火力楠林最大，为179.59 t/hm2，而米老排林、红椎林、铁力木林和马尾松林之间差异不大，在117.21～127.28 t/hm2之间。研究结果表明，南亚热带人工林具有较高的储碳能力，可发展成为高碳汇人工林基地。

人工林生态系统；南亚热带；米老排；火力楠；碳储量；分配格局

森林生态系统是地球上除海洋之外最大的碳库[1-2]，目前森林包含的碳储量约占陆地生物圈地上碳储量的80%和地下碳储量的40%[3-4]。森林作为陆地生态系统的主体，不但能贮存大量的碳，在调节陆地生态系统与大气碳库之间的碳交换中也起着巨大的“生物泵”作用[5-6]，平均每7年陆地植被就可消耗掉大气中全部的CO2，其中70%的交换发生在森林生态系统[7-8]。由于它的巨大碳库及碳交换的活跃性，森林生态系统在维护全球碳平衡中起着举足轻重的作用[9]，森林与气候变化的关系也逐渐成为人类关注的焦点[10-12]。

随着全球社会经济的快速发展以及改善生态环境的需要，众多国家都制定和实施了长期造林计划，世界人工林面积迅速扩大，日益成为全球森林的重要组成部分[13-14]。我国大面积的人工林至今已有几十年的历史，南方人工林已成为该区域森林的重要组成部分,有的地方甚至成为森林的主体[15-16]。人工林在调节全球碳平衡、减缓大气中CO2等温室气体浓度上升以及维护全球气候等方面具有不可替代的作用[17-18]。本研究以中国林业科学研究院热带林业实验中心的人工林为研究对象，通过对马尾松、米老排、红椎等5个树种人工林生态系统碳储量的研究，了解和掌握南亚热带人工林生态系统的储碳能力和碳库特征，期待能够为我国林分尺度的森林生态系统碳汇功能研究提供部分基础研究数据，为在全球气候变化的条件下中国区域生态环境建设、制定区域森林生态系统碳汇管理对策以及为中国政府参与世界“碳汇贸易”谈判提供依据和参考。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国林业科学研究院热带林 业 实 验 中 心 夏 石 那 造 大 山（21°57′47″N，106°59′30″E）， 海 拔 350 m， 年 均 温 21.5℃，≥10℃积温7 500℃，年降水量1 220～1 380 mm，年蒸发量1 370～1 390 mm，干湿季节明显，雨季（4～9月）降水占年总降水量的85%左右，旱季（10月至翌年3月）降水仅占年降水量的15%左右，土壤为花岗岩母质发育的赤红壤。于1984年2月，在同一坡面营造了米老排Mytilaria laosensis林、火力楠Michelia macclurei林、红椎Castanopsis hystrix林，在对坡营造铁力木Mesua ferrea林，在山脊营造马尾松Pinus massoniana林。定植时米老排、马尾松的苗龄为1 a，其它为2 a，造林株行距为1.67 m×1.67 m。栽植后，前三年人工铲草抚育，郁闭成林后自然生长。林分概况见表1。

表1 林分基本情况†Table1 Basic characteristics of the stands

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置及植物样取样

2011年10月，选择米老排、红椎、火力楠、铁力木和马尾松5种人工纯林，每树种设20 m×20 m乔木调查样方三块，以胸径5 cm为起测径级，每木检尺测树高和胸径（树高用瑞典生产的Vertex Ⅳ树木超声波测高测距仪测量）。每样方选一株标准木，分别树叶、枝、主干、干皮和根取样，树叶和枝于树冠外围南面中下部取样，干皮选择树干南面距地面1.2 m处取样，主干用生长锥取树干距地面1.2 m处样，挖取树木南面侧根取样。样品带回实验室65℃烘干并粉碎。在每个乔木样方对角位置设两个5 m×5 m灌木样方，按叶、枝、根分器官收获样方内所有灌木，称鲜重，然后按各器官分别取样，置于65℃烘箱中烘至恒重，求算灌木层生物量并粉碎备用。在每个乔木样方沿对角线等距离设三个1 m×1 m草本样方，分别地上、地下部分收获样方内所有草本，称鲜重，65℃烘干计算草本层生物量并粉碎备用。在草本样方内按未分解、半分解和完全分解分三层全部收获地表凋落物样，称鲜重，65℃烘干计算凋落物现存量，同时样品粉碎备用。

1.2.2 土壤调查及取样

每树种林地内随机挖3个100 cm深土壤剖面，每剖面按0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～50 cm，50～100 cm五层机械分层取样，环刀法测不同深度土壤容重。

1.2.3 乔木生物量计算方法

结合样地调查和建立的单木相对生长方程来计算不同树种生物量，其中米老排、红椎、火力楠和马尾松单木相对生长方程采用已有文献资料和硕博士毕业论文[19-23]。铁力木采用尚未正式发表的自建单木分器官相对生长方程：

式中：Ws、Wba、Wbr、Wl和 Wr分别为树干、干皮、枝、叶和根的生物量。

1.2.4 有机碳含量测定

所有烘干粉碎后样品采用日本岛津总有机碳分析仪TOC-L/SSM5000A进行样品有机碳含量测定。

1.3 数据处理

数据整理、计算与作图均采用Microsoft Excel 2007软件进行。

植物体碳储量(t/hm2)=植物体生物量(t/hm2)×植物体含碳率(%)；

土壤有机碳储量(t/hm2)=土壤有机碳含量(g/kg)×土壤容重(g/cm3)×土层厚度(cm)/10。

2 结果与分析

2.1 不同树种人工林乔木层碳储量特征

表2可见，在相似的生境条件下，林龄和经营管理措施相同，不同树种林分乔木层碳储量表现出较大差异，其中以米老排林最高，为188.09 t/hm2，其次是火力楠林，为176.44 t/hm2，再其次为红椎林，为102.56 t/hm2，马尾松林和铁力木林最低，分别为84.59 t/hm2和84.01 t/hm2。最高的米老排林乔木层碳储量是最低铁力木林的2.24倍。树种不同，树木器官碳储量分配各不相同，但是均以树干最高，所占比例在43.36%～66.17%之间，其次为根（占比12.55%～24.50%）或枝（占比7.84%～33.40%），再其次为干皮，占比4.33%～13.54%，叶所占比例最低，仅占乔木层的1.54%～5.91%。

表2 不同树种人工林乔木层碳的分配†Table2 Carbon distribution of trees in different species plantations (t/hm2)

2.2 不同树种人工林林下灌草碳分配

虽然林下灌木层和草本层碳储量相比乔木层均较低，灌木层平均为0.429 t/hm2，草本层平均为0.236 t/hm2，但不同林分间仍表现出极大差异（表3）。灌木层碳储量以红椎林最高，为1.163 t/hm2，其次为马尾松林，为0.606 t/hm2，最低为铁力木林，仅0.036 t/hm2，最高和最低相差达32.3倍。草本层碳储量以马尾松林最高，为0.913 t/hm2，其次为红椎林,为0.172 t/hm2，火力楠、米老排和铁力木林最低，均在0.030 t/hm2左右,最高的马尾松林是最低铁力木林的33.81倍。灌木层器官碳储量主要分配在根中，平均占50.23%，其次为枝，平均占比为39.29%，叶较低，仅占10.48%；草本层碳储量除马尾松林外，均为地下部分高于地上部分，地下占比平均为64.35%，地上占35.65%。

表3 不同树种人工林灌木层和草本层碳分配Table3 Carbon distribution of shrub and herb in different species plantations (t/hm2)

2.3 不同树种人工林地表凋落物碳储量

不同林分间比较，地表凋落物碳储量以马尾松林最高，为9.54 t/hm2，明显高于其它4个林分，其次为红椎林和米老排林，分别为4.77 t/hm2和4.31 t/hm2，火力楠林和铁力木林最低，分别为3.12 t/hm2和2.37 t/hm2，最高的马尾松林是最低铁力木林的4.03倍。以米老排、红椎等为代表的阔叶树林分，碳素主要储存在未分解层和半分解层，完全分解层碳储量较低（火力楠林和铁力木林由于凋落物分解较快，未见完全分解层）；马尾松林相反，碳素主要储存在完全分解层，其次为未分解层，半分解层储量较低。

2.4 不同树种人工林土壤碳含量和碳储量

由表4可见，对于不同树种人工林，土壤有机碳含量差异较大，但在整个采集剖面上，均表现出随着土壤深度增加，有机碳含量逐步减少，其中以表土层（0～10 cm）有机碳含量最高，底层（50～100 cm）有机碳含量最低，表明土壤有机碳含量具有明显的垂直递减特征。从林地土壤碳储量空间分布来看，土壤有机碳主要储存在上层，其中，0～50 cm层的有机碳储量占1 m厚土层的61.33～64.69%。不同树种人工林1 m厚土壤有机碳储量以火力楠林最大，明显高于其它林分，而米老排林、红椎林、铁力木林和马尾松林之间相差不大，均在120 t/hm2左右。

图1 5种人工林地表凋落物碳储量Fig.1 Carbon storage of litter fl oor in fi ve plantations

2.5 不同树种人工林生态系统碳储量

由图2可见，综合乔木、林下植被、地表凋落物和土壤，不同树种人工林生态系统碳储量有较大差异，其中以火力楠林具有最大的储碳能力，其碳储量为359.43 t/hm2，其次为米老排林，为319.80 t/hm2，其它三个树种人工林碳储量差异不大，在207.81 t/hm2～225.87 t/hm2之间。最高的火力楠林碳储量比最低的铁力木林高72.96%,相差为151.62 t/hm2。

表4 不同树种人工林土壤有机碳含量及储量Table4 SOC contents and storage in different species plantations (g/kg)(t/hm2)

从分配格局（图 2）来看，乔木层与土壤层是森林生态系统碳储量的主体，占生态系统碳储量总量的95%以上。其中，米老排林生态系统碳储量以乔木层贡献率最大，为58.81%，土壤层贡献率为39.80%；火力楠林生态系统碳储量乔木层和土壤层贡献率基本相当，分别为49.09%和49.96%；其它树种生态系统碳储量均以土壤层贡献率最大，在51.89～58.40%之间，乔木层贡献率在38.03～45.40%之间。地表凋落物对生态系统碳储量的贡献率在0.87～4.29%之间，林下灌木与草本对生态系统碳储量贡献微小，最多仅占生态系统碳储量的0.5%。

图2 5种人工林生态系统碳储量Fig.2 Carbon storage in fi ve plantation ecosystems

3 结论与讨论

生境条件相似，林龄相同，经营管理措施一致，不同树种林分乔木层碳储量有较大差异，最高的米老排林是最低铁力木林的2.24倍，相差达104.08 t/hm2。这主要与树木形态特征和生态习性密切相关，如米老排为当地乡土树种，对本地环境适应良好，人工栽种后成活率和保存率较高，加之冠幅较小，属中性偏阳树种，耐蔽荫[24]，生长后期自疏强度低，故保留有较大的林分密度；此外，该树种树体高大，主干通直，极为速生，单株生物量也较大，所以有高的林分生物量，相应的表现出高的碳储量。铁力木材质坚硬，斧锯难入，是我国热带地区著名的硬材、珍贵材树种，但生长缓慢[25]，由表1可以看出，27年生时，林分平均树高仅14.0 m，平均胸径16.4 cm，远低于其它树种，所以生物量不高，相应的碳储量较低。因此，在营造碳汇林时需充分了解不同树种的生长特性和生态习性，选择合适树种，充分发挥人工林固碳效能。

树种不同，树木器官碳储量分配各不相同，这是因为树木器官碳储量分配与树木形态关系密切，如米老排树干通直圆满，枝条较细，冠幅较小，故树干碳素占比最高，为66.17%，叶占比最低，仅为1.54%。马尾松树皮较厚，有铜皮松（薄皮）和铁皮松（厚皮）之分[26]，所以干皮占比较其它树高，达13.54%。铁力木树冠圆锥形，冠高比较大，树冠下部侧枝发达，故枝占比较其它树高，达33.40%。火力楠主根不明显，但侧根发达[27]，所以根占比较高，为24.50%。尽管如此，树木器官碳素分配仍表现出以下规律，即树干最高，其次为根或枝，再其次为干皮，叶最低。

本研究表明，尽管林下灌木层、草本层和地表凋落物层的碳储量在不同林分间表现出极大的差异，如灌木层最高的红椎林是最低铁力木林的32.3倍，草本层最高和最低相差达33.81倍，地表凋落物层最高和最低也相差达4.03倍，但5种人工林生态系统碳储量在207.81 t/hm2～359.43 t/hm2之间，并没有相应的表现出几倍的差异。这是由于灌木层、草本层和地表凋落物层在整个森林生态系统中所占份额极少，三层相加占比不到5%，故对森林生态系统碳储量影响很小。由此看出，南亚热带人工林生态系统碳储量主要由乔木层和土壤层占主导，两者相加占生态系统碳储量总量的95%以上。

火力楠林和米老排林是两个高碳汇树种人工林，经过27年的生长，其生态系统碳储量达到359.43 t/hm2和319.80 t/hm2，远高于我国平均森林碳储量[28]，亦高于同纬度地带[29]和热带天然林平均碳储量[30]。分析比较可以看出，火力楠林的高碳储量主要来自乔木层和土壤层，尤其是土壤层，其土壤层的碳储量明显高于其它四个林分。这可能归功于火力楠发达的根系，表2可见，火力楠根系碳储量为43.23 t/hm2，占乔木层碳储量的24.5%，无论是绝对值还是相对值在5个树种中均最高。根系死亡后残留在土壤中，腐烂分解成为土壤中的碳，因此越是发达的根系，对土壤碳的贡献越大[31-32]。米老排林的高碳储量主要来自乔木层，乔木层碳储量不但在5个林分中最高，而且在米老排人工林生态系统碳储量中贡献最大，占生态系统碳储量的58.81%，同时亦可发现米老排根系碳储量占乔木层的19.58%，虽低于火力楠，但高于其它三个树种。由此我们可以认为，满足高碳汇树种人工林的条件，一方面是树体高大，生长迅速，能快速积累地上有机物质，另一方面要有发达的根系，通过根系的新陈代谢，持续不断地为土壤提供碳素。

由于南亚热带具有丰富的光热资源，气候暖热、夏长冬短, 雨量充沛，光照丰富，且雨热同季[33]，使得南亚热带人工林具有较高的生产力和生物量，以及较高的储碳能力[34]，尤其是本研究中的火力楠和米老排人工林，无论是植被碳储量还是土壤碳储量均高于我国北温带、温带和中亚热带人工林[35-37]。因此，将我国南亚热带建设成为高效人工用材林基地的同时，亦可发展成为高碳汇人工林基地，以充分发挥我国林业在当前和未来应对气候变化的国家战略中的独特作用。

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Carbon pool of different species plantation ecosystems in lower subtropical area of China

ZHENG Lu1,2, CAI Dao-xiong1,2, LU Li-hua1,2, MING An-gang1,2, LI Zhao-ying1
(1.Experimental Center of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Pingxiang 532600, Guangxi, China;2.Guangxi Youyiguan Forest Ecosystem Research Station, Pingxiang 532600, Guangxi, China)

With comparative method，the carbon storage and its distribution pattern of five species plantations system located at Shaopin Experimental Farm of Experimental Centre of Tropical Forestry in Pingxiang, Guangxi, China were investigated and studied.The purpose was to evaluate the potential carbon sinks of large sized trees in plantations, and to provide more perspective about commercial forest plantations that are being adaptively managed for timber production objectives in conjunction with carbon storage objectives. The results show that the carbon storages of different species plantation systems had greater differences under similar habitat,same stand age (27-year-old) and same management history, among them, Michelia macelurei stand had the greatest capacity to store carbon, its carbon storage was 359.43 t/hm2, the next was Mytilaria laosensis stand, being 319.80 t/hm2, carbon storages of Castanopsis hystrix stand, Pinus massoniana stand and Mesua ferrea stand was 225.87 t/hm2, 222.43 t/hm2and 207.81 t/hm2, respectively and theirs difference was insignif i cant; The majority of carbon storage was found in the tree layer and soil layer, accounting for over 95% of the total carbon storage of ecosystems; Litter fl oor contributed 0.87% ～ 4.29% carbon storage to the ecosystems. Under-story shrubs and herbs were in small contribution to ecosystem carbon storage, up to only 0.5%; Carbon storage of tree layer showed larger differences among different species forests, M. laosensis stand was the highest, for 188.09 t/hm2, followed by M. macelurei stand, for 176.44 t/hm2,and then followed by C. hystrix stand, being 102.56 t/hm2, the Pinus massoniana stand and the Mesua ferrea stand were the lowest,for 84.59 t/hm2and 84.01 t/hm2. Different species of trees had the different organ carbon allocation, but they are all the same law, that the trunk’s was the highest, followed by the root’s or the branch’s, and then followed by the bark’s, the leave’s was the lowest; Carbon storage of shrub layer and herb layer was 0.036 t/hm2～ 1.163 t/hm2and 0.027 t/hm2～ 0.913 t/hm2, that of litter fl oor was between 9.54 t/hm2and 2.37 t/hm2; In the case of the soil, the carbon was stored mainly in the 0 to 50 cm layer, which accounted for 61.33% to 64.69% of the carbon stored in 100 cm depth of the soil, carbon storage declined as the depth of soil increased; The carbon storage in the 0 to 100 cm soil layer of M. macelurei stand was the greatest, 179.59 t/hm2, higher than that of the other stands, and that of M. laosensis stand, C. hystrix stand, M. ferrea stand and P. massoniana stand was all most the same, about 120 t/hm2. The fi ndings suggest that the plantations in lower subtropical China have high biomass productivity and higher carbon storage capacity, particularly in M. macelureistand and M. laosensis stand, because of abundant light and heat resources. Therefore, the plantations in low subtropical China can be into develop into high carbon sequestration artif i cial timber base, thus playing an important role for China’s forestry response to climate change in current and future.

artif i cial forest ecosystem; low subtropical China; Mytilaria laosensis; Michelia macelurei; carbon storage; distribution pattern

S718.55

A

1673-923X(2014)12-0110-07

2014-04-09

林业公益性行业科研专项（201104006）

郑 路（1968-），男，河北乐亭人，博士，研究方向：森林生态学；E-mail：zhengluli@163.com

[本文编校：吴 彬]