徐州市石灰岩山地不同植被恢复模式的碳储量

董 波, 万福绪, 严 妍, 蒋丹丹, 刘建中, 刘天池

(1.南京林业大学 森林资源与环境学院, 江苏省林业生态工程重点实验室,

江苏 南京 210037; 2.徐州市铜山区林业局, 江苏 徐州 221116)



徐州市石灰岩山地不同植被恢复模式的碳储量

董 波1, 万福绪1, 严 妍1, 蒋丹丹1, 刘建中2, 刘天池2

(1.南京林业大学 森林资源与环境学院, 江苏省林业生态工程重点实验室,

江苏 南京 210037; 2.徐州市铜山区林业局, 江苏 徐州 221116)

摘要：[目的] 研究不同造林模式的碳储量，为区域碳汇森林的营建提供理论依据。 [方法] 以江苏省徐州市石灰岩山地分布普遍的6种植被恢复模式为研究对象，对其碳储量及其分配格局进行了计算。 [结果] 6种植被恢复模式总碳储量的变化范围在28.379～46.561 t/hm2之间，表现为侧柏(Platyclatdusorientalis)×梧桐(Firmianasimplex)>侧柏×女贞(Ligustrumlucidum)>侧柏×枫香(Liquidambarformosana)>侧柏>侧柏×栾树(Koelreuteriapaniculata)>侧柏×黄栌(Cotinuscoggygria)。土壤碳储量占总碳储量的54.333%～78.290%。植被碳储量占总碳储量的20.213%～44.414%。枯落物碳储量占总碳储量的0.582%～3.897%。 [结论] 土壤碳储量是不同植被恢复模式总碳储量的主体。保护石灰岩山地现有土层，防治水土流失及频繁的人为扰动对于维持土壤碳储量具有重要作用。加强对侧柏的养护管理，配置适宜的阔叶树种可以有效地增加植被的固碳潜力。

关键词：碳储量; 侧柏; 植被恢复模式; 石灰岩山地

森林生态系统是地球生物圈的重要组成部分，储存了陆地生态系统中有机碳地上部分的80%，地下部分的40%[1]，其在调节全球碳平衡、减缓大气中CO2等温室气体浓度上升和维护全球气候等方面具有不可替代的作用[2]。人工林作为陆地森林生态系统中的重要组成部分，其碳汇作用被认为是减缓全球变化的一种可能机制和最有希望的选择[3]，提高人工林碳汇功能的关键在于选择适宜的造林模式及树种。近年来，许多学者在森林植被碳储量、碳密度和固碳潜力等方面开展大量研究工作[4-10]，但由于研究方法、对象和区域的差异，导致森林生态系统碳储量研究结果存在较大差异。侧柏(Platycladusorientalis)人工林是黄、淮河平原东部石灰岩残丘分布的一种重要植被类型，分布范围广、面积大，是徐州市丘陵地区的主要森林类型。近年来，徐州大力实施“市区山地绿化工程”和“二次进军荒山绿化工程”，通过不同的树种配置，对现有的大面积侧柏纯林进行更新改造，高标准营造生态风景林，促进人工侧柏林向地带性落叶阔叶林的演替。以往关于侧柏生物量和碳储量的研究主要集中在侧柏纯林[11-13]，缺乏对侧柏与阔叶树混交林生态系统碳储量的研究。对徐州石灰岩山地不同植被恢复模式的碳储量进行研究，有助于客观认识不同造林模式的碳储量及其分配特征，从而选择出最适宜的配置模式，为区域碳汇森林的营建提供理论依据和技术支持。

1研究区概况

研究区位于徐州市吕梁林场(117°28′34″—117°28′41″E，34°10′42″—34°10′51″N)，海拔95～136 m。气候属暖温带半湿润季风气候，光照充足，降水量较为充沛，四季分明。年均气温13.9 ℃，全年无霜期200～220 d，年日照时数为2 284～2 495 h，年均降水量800～930 mm，雨季降水量占全年的56%。研究区土层含石率达30%，土壤类型为石灰岩发育而成的粗骨褐土和淋溶褐土，土层薄，腐殖质少，保水保肥能力差。

侧柏与阔叶树混交林是研究区山体的主要林分类型，林分密度1 224～2 250株/hm2，常采用行间混交或块状混交种植模式。林下灌草稀少，发育较差。灌木主要有火棘(Pyracanthafortuneana)、柘树(Cudraniatricuspidata)、牡荆(Vitexnegundo)、酸枣(Ziziphusjujuba)等，草本主要有狗尾草(Setariaviridis)、鬼针草(Bidenspilosa)、茅莓(Rubusparvifolius)、马兜铃(Aristolochiadebilis)等。

2研究方法

2.1　样地设置

2013年10月，选择侧柏纯林、侧柏×黄栌混交林、侧柏×女贞混交林、侧柏×梧桐混交林、侧柏×栾树混交林和侧柏×枫香混交林等6种植被恢复模式作为研究对象。每种模式各设3块20 m×20 m乔木样方，每个乔木样方内沿对角线布设3个5 m×5 m灌木样方，每个灌木样方内布设1个1 m×1 m草本样方，每个草本样方内布设1个0.25 m×0.25 m枯落物样方。在枯落物样方内采集土壤样品。样地基本情况见表1。

表1　样地基本情况

2.2　碳储量计算

2.2.1乔木碳储量计算记录乔木样方内胸径(DBH)≥3 cm的所有乔木树种的株数、树高、胸径等，利用李朝[13]的侧柏各器官生物量模型，计算侧柏的生物量。其他5种阔叶乔木树种则在样地内根据测定的平均胸径和平均树高选取1株标准木，共选取标准木5株，采用全挖实测法测定标准木的生物量，按林木的根、干、枝、叶等部分分别称量鲜重，每部分取一定量样品带回实验室，在60 ℃下烘干称量得干重，根据干重/鲜重比计算得到标准木的生物量，依据样方内每种阔叶树的数量可得到样方内阔叶树种的生物量。乔木层生物量乘以0.5的碳转化率[14]，得到乔木层碳储量。

2.2.2林下灌、草层碳储量计算林下灌、草层生物量的测定采用全部收获法。称量鲜重后，将一定量样品带回实验室，在60 ℃下烘干称量得干重，根据干重/鲜重比计算得到单位面积内灌、草层生物量。林下灌草层采用0.45为碳转化率[15]，碳储量是根据单位面积灌草层生物量乘以其碳含量而求得。

2.2.3枯落物碳储量计算采用全部收获法对枯落物样方内的枯落物进行收集，将全部样品带回实验室，在60 ℃下烘干，称量得干重，计算单位面积内枯落物量。不同植被恢复模式枯落物含碳率测定采用重铬酸钾加热法，结果见图1。枯落物干重再乘以相应含碳率得到枯落物碳储量。

注：植被恢复模式中1指侧柏； 2指侧柏×黄栌； 3指侧柏×女贞；

4指侧柏×梧桐； 5指侧柏×栾树； 6指侧柏×枫香。下同。

图16种植被恢复模式的枯落物含碳率

图2　6种植被恢复模式的土壤有机碳含量

2.2.4土壤碳储量测定在实验室将土壤样品风干，研磨过0.149 mm土壤筛，采用重铬酸钾氧化法测定不同植被恢复模土壤有机碳含量C(g/kg)，结果见图2。同时用环刀法测定土壤容重θ(g/cm3)。D为土层厚度(cm)，δ为>2 mm砾石含量(体积%)。因本区属于石灰岩山地，砾石含量较高，δ值统一采用30%。土层较薄，平均土层厚度只有10 cm，所以未对土壤做分层处理。土壤有机碳储量SOC(t/hm2)的计算式公式参考徐艳等[16]的方法，略作修改：

SOC=10-1×D×θ×C×(1-δ)

2.2.5不同植被恢复模式总碳储量的计算不同植被恢复模式总碳储量为植被碳储量、枯落物碳储量和土壤有机碳储量之和。

2.3　数据处理与分析

用Microsoft Excel 2007进行数据处理，通过SPSS 18.0软件的单因素方差分析(ANOVA)检验不同植被恢复模式间碳储量的差异(α=0.05)。图表用Origin 9.0进行绘制。

3结果与分析

3.1　植被碳储量

植被碳储量包括乔木、灌木和草本碳储量(表2)。6种恢复模式的植被碳储量差异显著，平均为12.278 t/hm2。最大的为侧柏×梧桐模式，达20.680 t/hm2；其次是侧柏×女贞模式，为16.911 t/hm2；最小的是侧柏×黄栌模式，仅为6.823 t/hm2，只占侧柏×梧桐模式植被碳储量的32.993%。从植被碳储量的组成来看，乔木碳储量占总植被碳储量的82.788%～95.775%，具有绝对优势。这是由于石灰岩山地立地条件恶劣，林下灌草稀少所致。在5种针阔混交林模式中，侧柏碳储量占乔木碳储量的59.042%～96.845%，明显高于其他阔叶树，这是由于侧柏为5种针阔混交林模式中的优势树种，其树龄高于其他阔叶树，生长情况也优于阔叶树种。不同植被恢复模式中灌木和草本的碳储量间差异显著，平均仅为0.066 t/hm2和0.802 t/hm2。这与研究区裸岩率高及较为频繁的人工抚育有密切关系。灌木碳储量表现为侧柏>侧柏×女贞>侧柏×枫香>侧柏×栾树>侧柏×黄栌>侧柏×梧桐模式。草本的碳储量以侧柏×女贞模式最高，为1.420 t/hm2；侧柏×枫香模式最小，碳储量仅为0.379 t/hm2。

表2　6种植被恢复模式的碳储量　t/hm2

注：表中数据为平均值±标准差； 同列不同字母代表模式间差异显著，p<0.05。

3.2　枯落物碳储量

由表3可知，6种植被恢复模式枯落物碳储量的变化范围在0.213～1.106 t/hm2之间，表现为：侧柏×黄栌>侧柏×女贞>侧柏×梧桐>侧柏×栾树>侧柏×枫香>侧柏。5种针阔混交林模式的枯落物碳储量普遍大于侧柏纯林，侧柏纯林的枯落物碳储量只占5种针阔混交林模式的19.259%～45.127%。由于针阔混交林相对于侧柏纯林模式枯落物输入多，所以其碳储量也较高。5种针阔混交林模式间枯落物碳储量的差异主要取决于阔叶树枯落物生物量和分解速率。

3.3　土壤碳储量

6种植被恢复模式的土壤碳储量(见表3)平均为24.756 t/hm2。最大的是侧柏×枫香模式，为28.125 t/hm2；侧柏×黄栌模式的碳储量最小，为20.450 t/hm2。6种植被恢复模式的土壤碳储量的差异主要取决于不同植被恢复模式的土壤含碳率和土壤容重。

3.4　不同配置模式的总碳储量及分配格局

由表3可知，6种植被恢复模式总碳储量差异显著，变化范围在28.379～46.561 t/hm2，平均为37.625 t/hm2，表现为：侧柏×梧桐>侧柏×女贞>侧柏×枫香>侧柏>侧柏×栾树>侧柏×黄栌。植被碳储量对总碳储量的排序贡献较大，除侧柏模式外的其余5种针阔混交林总碳储量和其植被碳储量的变化趋势一致。这是由于各植被恢复模式间土壤碳储量差异相对较小，而枯落物的碳储量在总碳储量中所占比例相对较少所致。侧柏纯林的碳储量大于侧柏×栾树和侧柏×黄栌模式，小于其余3种植被恢复。可见，现阶段针阔混交林相比针叶纯林在总碳储量方面并无优势。这是由于研究对象处于幼龄林阶段，而阔叶树种多在中后期进入快速生长阶段，进而才能在生物量和碳储量方面显示出较大的优势。从总碳储量的分配来看，表现为土壤层>植被层>枯落物层。土壤碳储量占总碳储量的54.333%～78.290%，是不同植被恢复模式总碳储量的主体。其次是植被层，占总碳储量的20.213%～44.414%。枯落物碳储量对总碳储量贡献较小，只占总碳储量的0.582%～3.897%。

表3　6种植被恢复模式的碳储量

4结 论

6种恢复模式的植被碳储量差异显著，表现为：侧柏×梧桐>侧柏×女贞>侧柏>侧柏×枫香>侧柏×栾树>侧柏×黄栌。乔木碳储量占总植被碳储量的82.788%～95.775%，具有绝对优势。侧柏碳储量占5种针阔混交林模式中乔木碳储量的59.042%～96.845%，明显高于其他阔叶树。不同植被恢复模式中灌木和草本的碳储量间差异显著，平均仅为0.066 t/hm2和0.802 t/hm2。6种植被恢复模式枯落物碳储量的变化范围在0.213～1.106 t/hm2之间，表现为：侧柏×黄栌>侧柏×女贞>侧柏×梧桐>侧柏×栾树>侧柏×枫香>侧柏，5种针阔混交林模式的枯落物碳储量均高于侧柏纯林。土壤碳储量最大的是侧柏×枫香模式，为28.125 t/hm2；最小的是侧柏×黄栌模式，为20.450 t/hm2。土壤碳储量的差异主要取决于不同植被恢复模式的土壤含碳率和土壤容重。6种植被恢复模式的总碳储量差异显著，变化范围在28.379～46.561 t/hm2，表现为：侧柏×梧桐>侧柏×女贞>侧柏×枫香>侧柏>侧柏×栾树>侧柏×黄栌。

从总碳储量的分配来看，土壤碳储量占总碳储量的54.333%～78.290%，是不同植被恢复模式总碳储量的主体。因此，保护石灰岩山地现有土层，防治水土流失及频繁的人为扰动对于维持土壤碳储量具有重要作用。林下灌草清理、整地等频繁的人为扰动虽有利于林木的成活与快速生长，但这些措施使土壤微生物类群与活动增加，导致土壤有机碳大量释放[5]。植被碳储量占总碳储量的20.213%～44.414%，对总碳储量的影响仅次于土壤碳储量。侧柏碳储量在植被碳储量中占有举足轻重的地位。因此，加强对现有侧柏的养护管理对于维持植被碳储量具有重要作用。现阶段，虽然阔叶树种在在植被碳储量中贡献较小，但配置适宜的阔叶树种可以增加石灰岩山地植被的固碳潜力。从研究结果来看，梧桐和女贞相比黄栌和枫香具有更好的固碳潜力。枯落物碳储量对生态系统碳储量贡献较小，只占总碳储量的0.582%～3.897%。但其在生物碳库向土壤碳库转移过程中具有关键作用，还可有效保持水土，对维持人工林生态系统的碳库也有重要的作用。

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Carbon Storage of Different Forest Restoration Patterns in Limestone Mountains of Xuzhou City

DONG Bo1, WAN Fuxu1, YAN Yan1, JIANG Dandan1, LIU Jianzhong2, LIU Tianchi2

(1.CollegeofForestResourcesandEnvironment,NanjingForestryUniversity,JiangsuKeyLaboratoryofForestryEcologicalEngineering,Nanjing，Jiangsu210037,China; 2.ForestryBureauofTongshanDistrict,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Abstract：[Objective] To investigate the carbon storage of different forest restoration patterns in order to provide theoretical basis for the construction of regional forest carbon sinks. [Methods] The storage and distribution was calculated based on different forest restoration patterns that widely distributed in limestone mountains of Xuzhou City. [Results] The carbon storage of different forest restoration patterns was in the range of 28.379～46.561 t/hm2, followed a sequence ofPlatyclatdusorientalis×Firmianasimplex>P.orientalis×Ligustrumlucidum>P.orientalis×Liquidambarformosana>P.orientalis>P.orientalis×Koelreuteriapaniculata>P.orientalis×Cotinuscoggygria. The carbon storage of soil occupied 54.333%～78.290% of the total carbon storage. The carbon storage of vegetation occupied 20.213%～44.414% of the total carbon storage, and the carbon storage of litter only occupied 0.582%～3.897% in total carbon storage. [Conclusion] Soil carbon storage is an important component of the total carbon storage. It is an effective way to maintain soil carbon storage by protecting surface soil, controlling soil and water losses, and reducing artificial disturbance on limestone mountains. Furthermore, strengthening maintenance forPlatyclatdusorientalisand selecting the suitable broadleaved tree species can effectively increase the carbon sequestration potential.

Keywords:carbon storage;Platyclatdusorientalis; forest restoration pattern; limestone mountain

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0288-05

中图分类号：S718.55

通信作者：万福绪(1952—),男(汉族),江苏市赣榆县人,教授,硕士,博士生导师,从事林业生态工程研究。E-mail:Fxwan@njfu.edu.cn。

收稿日期：2014-05-13修回日期：2014-05-16

资助项目：国家林业局“948”项目“用于石灰岩山地植被恢复及石漠化治理的墨西哥柏良种引进”(2009-4-17); 江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

第一作者：董波(1981—),男(汉族),陕西省宝鸡市人,博士研究生,研究方向为林业生态工程。E-mail:78691217@qq.com。