3种林农复合模式碳储量及分布比较

王红玲，芮雯奕，张 珏，季永华

(江苏省林业科学研究院，江苏 南京 211153)

3种林农复合模式碳储量及分布比较

王红玲，芮雯奕，张 珏，季永华

(江苏省林业科学研究院，江苏 南京 211153)

采用生物量法，测定分析江苏沿海常见的3种林农间作模式的碳含量、碳储量及分布。结果表明：在墨西哥落羽杉—作物(大麦和冬瓜)复合模式(M模式)、苦楝—作物(小麦和玉米)复合模式(K模式)、杨树—作物(小麦和玉米)复合模式(Y模式)中，0～50 cm土层的土壤有机碳储量分别达到29.39、23.63、31.55 t·hm-2。3个树种及其不同器官碳含量差异显著，苦楝果的碳含量最高，达47.17%；其次为墨西哥落羽杉叶片，碳含量为46.93%；杨树叶片的碳含量最低，为42.33%。4种间作作物各器官碳含量差异显著，收获部分碳储量最高，占50%左右；其次是叶片和茎秆。3种模式各组分碳储量大小均是土壤>树木>农作物，3种模式的碳储量，Y模式最高，K模式最低。

林农复合；生物量；有机碳；碳储量

随着全球气候变化，“碳”相关的研究正受到越来越多的关注；林农复合经营模式作为解决当前资源枯竭、农林用地矛盾等问题的可持续土地管理模式，其在固碳和减缓温室效应等方面的作用得到了极大的重视[1-3]。我国学者在固碳方面也进行了大量的研究，主要涉及陆地碳储量、碳汇等，更多的集中在植被或土壤碳方面的研究[4-5]。国内外对不同农林复合经营系统的水土保持功能、养分循环、光照、水分竞争、立地生产力和经济效益等方面[6-10]进行了较为深入系统的研究，而对其在固碳方面的研究相对薄弱。

江苏宜林地资源匮乏，沿海滩涂资源是最重要的后备土地资源之一，对其综合利用开发也受到广泛重视。林农复合经营模式，兼具沿海滩涂修复作用和显著经济效益，其碳储量对整个生态的贡献不可小觑。

随着江苏沿海大开发战略的深入实施，沿海滩涂绿化正在朝生物多样性、经济效益高的方向发展，不同类型的林地及其间作模式在盐城市射阳县、大丰市、东台市等地得到大力推广，为江苏碳汇作了巨大贡献。本研究以生态系统为整体，比较研究不同农林复合配置模式的碳储量及分布，为我国沿海碳储量估算研究提供基础数据。

1 试验地概况

试验地位于盐城市射阳林场，射阳县位于苏中平原的东部，苏北灌溉总渠的南侧，东临黄海，是北亚热带和暖温带的过渡地带，属季风气候区，季风环流支配本地区主要气候要素的变化。气候温和，季风盛行，夏季炎热，冬季较冷，四季分明，热量充裕，光照充足，受季风早、迟和强、弱年际变化的影响，旱涝、低温、阴雨、大风、冰雹等灾害时有发生。年平均气温14 ℃，年降水量1000 mm左右。试验林前茬是一片水杉林，林地规整，背景一致；土地为沙壤土，pH 8.52，全氮1 g·kg-1，全磷0.605 g·kg-1，全钾21.5 g·kg-1，有机质16.6 g·kg-1。

试验林营建于2008年，用于农林复合模式营建的有3个树种，即35杨、苦楝、墨西哥落羽杉，栽植密度分别为4 m×6 m、3 m×4 m、3 m×3 m，同年开始持续林农间作种植。35杨树林下间作大麦和冬瓜(简称Y模式)；苦楝林下间作小麦和玉米(简称K模式)；墨西哥落羽杉林下间作小麦和玉米(简称M模式)，林木及套种作物的田间管理均常规管理，适时除草、施肥等。2012年春，测定土壤有机碳等数据。

2 调查研究方法

2.1 土壤有机碳含量的测定和估算

2012年1月6日，每个模式挖取1 m×1 m 的土壤剖面3个，间隔20 m；按0～15、15～30，30～50 cm土层分层取样。采用环刀法测定各土层土壤容重[11]，采用LY/T 1237—1999森林土壤有机质的测定及碳氧比的计算[12]方法测定土壤有机碳含量。根据容重和有机碳含量，分别计算各土层和50 cm土层的有机碳储量。

2.2 植物碳含量的测定

林木碳储量与林木生物量密切相关，准确测定林木生物量即可估算林木碳储量。林分现存量中各器官的生物量与其相应碳密度之积，即为树木各器官碳储量；各器官碳储量的和，即为林木碳储量。

2.2.1 植物生物量的测定 2012年初选取样地，10月收获树木。依据待测树种的径阶分布，按权重分别各选取3株径阶标准木。采用全挖法，地上部分平均区分成4段，分层切割，分层测定各个组分(枝、干、叶、根、果、果梗)生物量；根系以各伐倒木为中心，取横向50 cm、纵向1/2株距、深1 m范围内的根，按根桩和根测定地下部分生物量。按各层、各器官的生物量在整株生物量中所占权重收集少量样品，按器官合并称重，65 ℃恒温烘干至恒重，推算各树种、各器官干物质量。其中，杨树生长快，根系发达、分布广，挖根范围较大，对林下作物生长影响太大，且根生长受林下种植作物的机械损伤较小等原因，本文以江苏杨树异速生长方程计算器官生物量公式[13]：WR=0.055106(D2H)0.7061作为杨树根生物量计算依据。

作物生物量采用样地单位面积的生物量来估算，每个模式随机设置1 m×1 m的正方形样方3个。2012年7月初、10月底分别收获春季、夏季作物，按根、茎、叶、果和穗(玉米)收获样方中的全部作物生物量(采样前，作物未经采收)。取200 g左右的新鲜样品，在65 ℃下恒温烘干至恒重，推算各树种各器官干物质量。

2.2.2 植物碳含量的测定 所有植物干物质分别研磨，并过20目筛后，采用元素分析仪(Vario MAXCN)测定其碳含量。

2.3 数据处理

采用SPSS 1.6进行数据分析。

3 结果与分析

3.1 3种模式土壤各层有机碳含量及碳储量

土壤的碳储量是整个林农复合系统碳库的重要组成部分，不同土质或土层，土壤的容重、有机碳含量和有机碳储量均是不同的。3种林农复合经营模式土壤各层碳含量、碳储量的测定结果见表1。

分析结果表明，各土层对土壤的总碳储量贡献不一；不同模式下，不同土层的贡献率也不一致。0～50 cm土层内，随着土层加深土壤容重逐步增加；碳含量则逐步降低，变化范围为0.20%～0.60%，碳主要集中在0～30 cm的土层中，占70%以上。多重比较结果表明，同一模式不同土层的碳含量和碳储量差异不显著。土壤容重，M模式0～15 cm土层与其它土层间差异极显著；而Y模式0～15 cm土层与15～30 cm土层间差异不显著，与30～50 cm土层间差异显著；K模式不同土层间差异不显著。这与李海玲等[2]研究结果不同。可能是因为造林年限较短，土层枯落物仅对表层土壤的容重产生一定影响，而对土壤的碳含量和碳储量影响不显著。Y模式土壤碳储量最高，为31.55 t·hm-2；M模式次之，为29.39 t·hm-2；K模式最低，为23.63 t·hm-2；0～30 cm土层碳储量分别占73.96%、69.12%、73.18%。

表1 不同模式土壤容重、有机碳含量、碳储量的垂直分布

*：小写字母为土壤层在0.05水平下差异，大写字母为0.01水平下的差异。

3.2 树木各器官碳含量及其储量

杨树根的碳含量是根与根须碳含量的均值。图1 3种模式中各树种、器官的碳含量

3.2.1 不同植物器官碳含量差异 不同树种、不同器官碳含量差异显著(图1)。不同树种之间，叶片碳含量差异最大，变化范围为41.6%～47.1%，其中以墨西哥落羽杉(墨杉)叶片碳含量最高，苦楝叶片次之，杨树叶片最低。各树种器官碳含量规律不完全一致，如墨西哥落羽杉各器官碳含量大小为：叶片>根>干>枝>根桩，而苦楝各器官碳含量大小为：果>果梗>干>枝>根>叶>根桩，杨树各器官碳含量大小为：枝>干>根>叶。所有测定的植物器官中，苦楝果的碳含量最高，为47.17%；其次是墨西哥落羽杉的叶，为46.93%；杨树叶片的碳含量最低，为42.33%。双因素方差分析结果表明：各树种不同器官间碳含量差异达极显著水平(P=6.88×10-7)，树种间差异不显著。

一般而言，干的碳含量高于枝，墨西哥落羽杉和苦楝也是如此，但是杨树枝碳含量高于干，这与前人研究有出入[2]。可能是因为本文中干包括木材和皮2个部分，皮中有机碳含量相对较低，拉低了干的有机碳含量。墨西哥落羽杉是杉科落羽杉属，叶片中的有机碳含量高于苦楝、杨树这类落叶阔叶树种，可能与其针叶表面附有油脂有关。

3.2.2 3种林农复合模式林木碳储量估算 由表2可知，碳含量在树种、器官之间差异不显著，而生物量差异显著，是碳储量的决定因素。如杨树和墨杉的生物量较高且接近，两者的总碳储量分别为8.28 t·hm-2和8.08 t·hm-2；各器官的表现也符合这样的规律，如树干部分生物量占树木总生物量的比例最大，依次为42.55%(墨杉)、55.42%(苦楝)和50.88%(杨树)，而树干碳储量所占比例最高，分别为42.42%、55.83%和51.34%。

不同树种器官组分间生物量和碳储量分配不一致，如墨杉各器官碳储量大小依次为：干>枝>根(根桩、根须总和，下同)>叶，苦楝各器官碳储量大小依次为：干>根>枝/叶>果>果梗；杨树各器官碳储量大小依次为：干>根>枝>叶。虽然苦楝果和果梗的碳含量很高，然而生物量相对较低，对整个系统的碳储量贡献非常少；杨树单株生物量明显高于墨西哥落羽杉和苦楝，但是因其栽植密度较小，生物量和碳储量只是略高于墨西哥落羽杉。

3.3 农作物各器官碳含量及碳储量

在3种模式样地中，分别对一季作物小麦和大麦、二季作物玉米和冬瓜进行取样分析，得各作物器官碳含量和碳储量(表3)。结果表明：除Y模式秋季作物冬瓜外，另外3种作物(大麦、小麦和玉米)皆是叶的碳含量最低；M模式二季作物玉米穗碳含量最高，为(43.67±0.15)%，Y模式二季作物冬瓜茎碳含量最低，为(34.37±1.79)%。

表2 3种模式林木各器官生物量和碳储量 t·hm-2

*：杨树没有区分根桩和根须。

表3 3种模式作物各器官生物量、碳含量和碳储量

图2 不同林农复合经营碳储量比较

对4种作物、2季栽培条件下的碳储量进行比较，发现K模式一季作物小麦的碳储量最高，Y模式一季作物大麦的碳储量最低。这与作物本身的干物质量有关，此外也受到上层林木郁闭度的影响，郁闭度较大的杨树林下光线远不如墨西哥落羽杉和苦楝林下光线，因而杨树林下宜种植较耐荫蔽的作物。在根、茎秆、叶和果实4个器官中，根是作物碳储量最少的器官，占整个作物碳储量的5%左右，这与李海玲等[2]结果一致；果实的碳储量最高，占50%左右；其次是叶片和茎秆。玉米采收时还未成熟，生物量较低，与上述统计结果略有出入。

3种林农复合模式的二季作物碳储量总和以K模式最高，为3.90 t·hm-2；M模式略低，为3.62 t·hm-2；Y模式最低，为2.79 t·hm-2。显著低于农田生态系统作物的最大值9.27 t·hm-2[11]，主要受林分密度影响，得不到足够的光照，加之林地本身处于沿海，土壤营养较差，不利作物生长。

3.4 3种模式各组分碳储量及分布

林农复合生态系统碳储量主要包括树木、农作物和土壤3部分，各模式和各组分碳存量之间存在差异。由图2可以看出：3种模式各组分碳储量大小均是土壤>树木>农作物，2季作物之间碳储量差异不显著；土壤碳储量占整个生态系统碳储量比例最大(超过70%)，这与前人的研究一致[12-14]。3种模式中Y模式碳储量最高，K模式最低；M、K、Y模式碳储量分别为41.08、32.71、42.62 t·hm-2。

4 结论与讨论

许多学者系统地研究了林农复合经营体系，尤其是杨农复合经营的结构设计和复合经营体系建立的设计原理等，并且在资源利用效率、经济效益等多方面均有较为全面的研究和总结[8，15]。本研究分析比较了3种类型的林农复合配置模式，在相同的立地条件下经营4 a后，土壤及地上植物碳储量及其分布差异。研究表明，M、K、Y 3种模式的碳储量分别为41.08、32.71、42.62 t·hm-2，即系统的总碳储量大小依次为Y模式>M模式>K模式，而作物的碳储量大小依次为K模式>M模式>Y模式。3种模式的有机碳储量，与干物质量紧密相关。然而这3个树种中杨树为速生树种，郁闭快，10～13 a即可采伐；而4年生墨西哥落羽杉还处于苗期，生长速度较慢，但其林间种植作物的经济效益更高。农户可根据立地条件和实际需求选择性种植不同树种，并套种适宜的作物，达到效益最大化。

在农田土壤中，0～100 cm水稻土土壤有机碳占近95%。很多学者将有机碳储量作为土壤的碳储量，用于实验研究[2，16]；在本研究中，土壤有机碳储量占整个系统碳储量的70%，其中0～30 cm土层有机碳储量占测定土层的70%左右，与前人研究一致[16]；林分碳储量占整个系统碳储量的15%～20%，其中植物干的碳储量占林分总碳储量的比例最大，为50%左右；2季作物碳储量占系统碳储量的10%左右，籽粒的碳储量最高，占作物碳储量的50%以上。

就植物的单个组织器官碳含量而言，果实的碳含量相对比较高，其次是枝干/茎秆>根>叶片；墨西哥落羽杉例外，其叶片碳含量高于干。前人多将树皮与木材分开测定其中的碳含量，本文将其作为整体研究，主要是因为3个树种均未到成材龄，仅用于比较在相同立地条件下，不同树种的林农复合配置模式碳储量之间的差异。且此3个树种的生长习性等方面存在较大差异，过细的器官分类之间不具可比性。

本研究中杨树的碳储量(4年生)高于李海玲等[2]在江苏省宿迁市营建的杨农间作模式(6年生)，这主要是由于本研究中采用了较高的栽植密度。高密度林有可能获得更高的林分碳储量，但不利于套种作物的生长，加之本研究区处于我国东部沿海射阳县，土壤贫瘠，氮含量较低，极大地限制了小麦和玉米等作物的生长；这也是3种模式中作物的碳储量较低原因之一。

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Comparison of Carbon Storage and Distribution in Three Patterns of DifferentForest-Crop Intercropping Patterns

WANG Hong-ling，RUI Wen-yi，ZHANG Jue，JI Yong-hua

(ForestResearchInstituteofJiangsuProvince，Nanjing211153，Jiangsu，China)

Based on the biomass of three forest-crop intercropping patterns on the Jiangsu coast，carbon storage and distribution were determined and analyzed.In the three patterns，Taxodiummucronatum(Pattern M)，Meliaazedarach(Pattern K) and poplar (Pattern Y) were the dominant species respectively，and the intercropping were barley and wax gourd in Pattern Y，and wheat and maize in the Pattern K and M.The results indicated that total soil carbon in 50 cm of Pattern M，K and Y are 29.39，23.63 and 31.55 t·hm-2respectively.There was a highly signification difference of carbon density among tissues of trees.And the carbon density of the neem nut reached 47.17% which was also the highest in all the density.The second one was the leaf ofTaxodiummucronatum，46.93%，and the lowest was the poplar leaf，42.33%.There was also a signification difference of carbon density among tissues of crops.Carbon storage in the harvested parts of crops was significantly higher than other parts according for about 50% approximately，and carbon storage in leaf and stalk were lower.Carbon storage in the various parts of the agroforestry system was in an order of soil>forestry>crop，while carbon storage in the Patterns Y was the highest，and the Patterns K was lowest.

agroforestry system；biomass；organic carbon；carbon storage

2014-04-05；

2014-05-23

“十二五”农村领域国家科技计划课题研究任务(黄淮海平原农区高效可持续农林复合系统调控技术研究，2011BAD38B0205)

王红玲(1982—)，女，江苏扬州人，江苏省林业科学研究院助理研究员，硕士，从事林木遗传育种研究。E-mail：whl_ling@126.com。

季永华(1968—)，男，江苏南通人，江苏省林业科学研究院研究员，从事林木生态学研究。E-mail：327955393@qq.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.01.005

S718.55

A

1002-7351(2015)01-0020-06