科尔沁沙地南缘小叶锦鸡儿和黄柳灌丛生态系统碳汇动态研究

王娟，姚云峰*，郭月峰，汤军，常伟东

1. 内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 赤峰市敖汉旗林业局，内蒙古 敖汉旗 024300

科尔沁沙地南缘小叶锦鸡儿和黄柳灌丛生态系统碳汇动态研究

王娟1，姚云峰1*，郭月峰1，汤军1，常伟东2

1. 内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2. 赤峰市敖汉旗林业局，内蒙古 敖汉旗 024300

为了解科尔沁沙地南缘小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）和黄柳（Salix gordejevii）灌丛生态系统的固碳功能，在赤峰市敖汉旗风沙土区分别选择9个林龄序列的小叶锦鸡儿和9个林龄序列的黄柳典型灌丛人工林为研究对象。利用空间代替时间样地测量法来量化两种灌丛人工林灌木层、草本层、凋落物层、土壤层和生态系统的碳密度变化规律，分析了不同林龄灌丛生态系统碳密度和年碳汇速率的变化趋势，并拟合了林龄与碳密度和年碳汇速率方程。结果表明：小叶锦鸡儿和黄柳两种灌丛林灌木层、草本层、凋落物层、土壤层碳密度均随林龄的增加而增大；各层碳密度大小为：土壤层碳密度最大，分别占生态系统碳密度的60%和75%，灌木层碳密度次之，分别占生态系统碳密度的23%和38%，草本层、凋落物层碳密度最小，均占生态系统碳密度的1%左右；灌木层各器官碳密度均为枝>根>叶，草本层各器官碳密度均为地上部分>地下部分；两种灌丛林的碳密度随时间的变化可用对数函数表述，生态系统年碳汇速率的变化可用乘幂式方程表述，林龄<10 a时，年碳汇速率增长迅速，>10 a时，年碳汇速率呈下降趋势。研究认为小叶锦鸡儿和黄柳灌丛群落碳密度随林龄增加的变化规律明显，具有一定的碳汇潜力；林龄<10 a时为年碳汇速率增长迅速期，随着林龄的增加，年碳汇速率有下降的趋势，需对灌丛林进行有效的抚育管理。

小叶锦鸡儿；黄柳；生态系统；碳密度；年碳汇速率

WANG Juan, YAO Yunfeng, GUO Yuefeng, TANG Jun, CHANG Weidong. The Carbon Sink Dynamic Research on the Caragana microphylla and Salix gordejevii Shrub Ecosystem in the Southern Edge of Horqin Sandland [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1785-1790.

在我国，荒漠化和沙化土地面积占国土总面积的45.36%，广阔的沙区具有巨大的碳汇潜力。在全球气候变暖的背景下，研究沙区生态系统植被的固碳功能具有重要意义（Vagen et al.，2005；Preger et al.，2010；Lal，2002；Lal，2004）。在干旱半干旱的沙地上，主要植被是灌木，因此研究沙区碳汇的重中之重是研究灌木碳汇。小叶锦鸡儿（Caragana microphylla）和黄柳（Salix gordejevii）是科尔沁沙地分布最广的灌木，分别属于豆科和杨柳科。它们地上枝条再生能力强，地下根系庞大，具有耐干旱沙埋、耐风蚀、耐贫瘠的生态学特性，是赤峰市敖汉旗防治土地荒漠化最为理想的造林树种之一（李清河等，2006；苗纯萍等，2012；杨新国等，2015）。

在沙丘上建植小叶锦鸡儿和黄柳等灌丛固沙林是科尔沁沙地多年来生态环境整治的一项有效措施（苏永中等，2004）。相关学者对该地区灌木小叶锦鸡儿和黄柳地上部分生物量及土壤理化性质进行了研究，深入分析了灌木对该地区开展植被恢复工程所作出的贡献（Zhao et al.，2007）。还有学者对该地区小叶锦鸡儿的生物量分配及其更新途径进行了研究，探讨了不同龄级小叶锦鸡儿人工林群落生物量的季节性动态（蒋德明等，2009）。相关学者还研究了该地区黄柳地上生物量分配情况及生长格局，结果发现黄柳叶片生物量从流动─半流动沙丘顶部至背风坡地部逐渐降低（李晓兰等，2006）。还有学者对小叶锦鸡儿等灌丛的土壤理化性质进行了研究，得出栽植灌丛可以逐步恢复、改善土壤肥力和主要理化性状，同时这种效应在空间上会发生较为明显的分异，灌丛出现不同程度的肥岛效应（安韶山等，2006；牛西午等，2003；苏永中等，2002；李香真等，2002）。目前针对不同林龄小叶锦鸡儿和黄柳灌丛生态系统碳汇功能的研究鲜见报道。不同年代种植的灌丛林，其各碳库层及生态系统碳密度的分布规律还需要开展进一步的研究。不同年代种植的灌丛林为研究严重退化沙地生态系统的恢复动态提供了良好的样地。因此本文选择科尔沁沙地南缘敖汉旗风沙土区上的小叶锦鸡儿灌丛人工林和黄柳灌丛人工林为研究对象，利用空间替代时间样地测量法量化灌木层、草本层、凋落物、土壤层和生态系统碳密度的变化规律，旨在对半干旱区小叶锦鸡儿灌丛人工林和黄柳灌丛人工林固碳功能进行深入的研究，为半干旱地区土壤碳库的有效管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1研究区概况

研究地点为赤峰市敖汉旗风沙土区。该区位于敖汉旗的中北部，地理坐标为北纬41°50′～43°01′、东经119°32′～120°25′，面积约2056.60 km2。地处温带半干旱大陆性季风气候区，年均降雨量为 350 mm，年均蒸发量为2450 mm，年平均气温为7 ℃，10 ℃以上有效积温为 3200 ℃。人工植被以水源涵养林、水土保持林和防风固沙林为主，主要树种为小叶杨（Populus simonii）、山杏（Prunus sibirica）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、小叶锦鸡儿、黄柳及山竹子（Hedysarum fruticosum）等，零星分布一部分樟子松（Pinus sylvestris var. mongholica）。主要草本植物为胡枝子（Lespedeza davurica）、大籽蒿（Artemisia sieversiana）、碱蒿（Art.anethifolia weber）、沙蒿（Art.desertorum）、块蓟（Cirsium salicifolium）、雾冰藜（Bassia dasyphylla）、狗尾草（ Setaria viridis）、 虫 实 （ Corispermum hyssopifolium）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）。

海拔高度在400～500 m。风沙土区以流动、半流动、固定沙地和覆沙地为主，土壤质量较差，pH值8.2～8.6，土壤有机质含量在0.10%～0.54%，全氮含 量 在0.002%～0.030% ， 全 磷 含 量 在0.007%～0.032%，全钾含量在 2.22%～3.05%，速效磷含量在 0.4～2.4 mg·kg-1，速效钾含量在 54～101 mg·kg-1。研究区有较完整的小叶锦鸡儿和黄柳灌丛群落时间序列。2014年7─8月，在赤峰市敖汉旗风沙土区分别设置9个不同龄级的小叶锦鸡儿灌丛林样地和9个不同龄级的黄柳灌丛林样地，分别组成1个从3 a到38 a的小叶锦鸡儿灌丛林时间序列（表1）和1个从4 a到33 a的黄柳灌丛林时间序列（表1）。

表1 研究区样地基本情况Table 1 Basic conditions of the research area

1.2样品采集和测试

1.2.1 样地选择和样方布设

灌木样地设置：研究区小叶锦鸡儿和黄柳的栽植始于20世纪60年代前后，20世纪80年代后进行了大规模的种植。研究区有较完整的小叶锦鸡儿和黄柳灌丛群落时间序列。根据研究区森林资源分布图和敖汉旗林业局提供的不同造林时期的林分分布情况，选择了9个林龄序列的小叶锦鸡儿和9个林龄序列的黄柳典型灌丛人工林，并根据立地条件、样地情况等确定调查样地。采用随机法布设样地，每块样地的面积设置为30 m×30 m，同时在样地内设置3个10 m×10 m的灌丛样方，在每个灌丛样方的对角线4角各1 m处及样方中心位置布设5个1 m×1 m的草本样方进行调查。在每个草本样方内布设0.25 m×0.25 m的凋落物样方。在实际取样时，根据各林地实际情况，对部分样方数量和大小进行了适当调整，详情见表1。

1.2.2 样品采集和测定

（1）标准灌丛的选取及林龄的确定

在每个小叶锦鸡儿林和黄柳林样地，根据株高、冠幅、覆盖度等测树因子，在每个样方内分别选取长势良好且株高、冠幅等测树因子相近的标准灌丛3丛。林龄由敖汉旗林业局提供。

（2）灌木层、草本层、凋落物层生物量及土壤样品的测定方法。

灌木生物量测定采用伐倒标准木后称其各器官（枝、叶、根）生物量，并取混合样 250 g，带回实验室 80 ℃烘至恒重后备测；草本生物量测定采用全部收获法（地上部分、地下部分）并称重，根据各草种比例取样品 250 g，并带回实验室烘干备测；凋落物生物量测定采用收集样方内全部枯枝落叶的方法，并带回实验室烘干备测。

在各标准株冠幅边缘用剖面法采集土壤样品，每个样点分0～10、10～20、20～30、30～50、50～100及100～150 cm土层进行环刀取样。同一层土壤样品四分法取出足够样品。

（3）样品含碳率测定

对灌木（分枝、叶、根）、草本植物（地上部分和地下部分）、凋落物、土壤样品分别进行测定。植物、凋落物和土壤样品的有机碳含量均采用湿烧法，即重铬酸钾-硫酸氧化法测定。

1.3统计分析

1.3.1 植被碳密度

植被碳密度(g·m-2)=植物生物量(g·m-2)×含碳率(%)（郭月峰，2013）。

1.3.2 土壤碳密度

土壤碳密度计算参考程先富（程先富等，2004）的方法，略作修改：

式中：SOC为土壤有机碳密度（g·m-2）；n为土层数，本文为6；Di为不同土层的厚度（cm）；θi为土壤容重（g·cm-3）；Ci为不同土层土壤有机碳的质量分数（g·kg-1）；δi为>2 mm砾石体积分数（%）。由于研究区属于流动、半流动、固定沙地和覆沙地，土壤以风沙土为主，砾石含量极少；因此公式（1）中的δi为0。

1.3.3 生态系统碳密度

灌丛生态系统碳密度(g·m-2)=灌木层碳密度(g·m-2)+草本层碳密度(g·m-2)+凋落物碳密度(g·m-2)+土壤有机密度(g·m-2)。

1.3.4 生态系统年碳汇速率

年碳汇速率(g·m-2·a-1)=灌丛生态系统碳密度(g·m-2)/林龄(a)。

1.3.5 数据处理

所有试验数据采用Excel 2003、SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果

2.1灌木层及草本层碳库

两种灌丛林植被层碳库的变化特征如图 1、2所示，灌木层是植被层碳库的主体，草本层碳库较小。两种灌丛林灌木层和草本层碳密度均随林龄的增加而增大。从不同林分的碳密度来看，相同林龄下，黄柳灌木层碳密度大于小叶锦鸡儿灌木层碳密度，如29 a生的黄柳灌木层碳密度为（1211±53）g·m-2，而 29 a生的小叶锦鸡儿灌木层碳密度为（561±24）g·m-2。草本层碳密度差异不大。

图1 灌木层不同器官碳密度Fig. 1 Carbon densities for different organs of the shrub layers

两种灌丛林灌木层各器官碳密度均为枝>根>叶，从表2可以看出，枝在各器官中占绝对优势，小叶锦鸡儿和黄柳枝的碳密度分别占灌木层碳密度的53%和44%；根的碳密度分别占灌木层碳密度的33%和41%；叶的碳密度最少，分别占灌木层碳密度的14%和15%。

两种灌丛林草本层各器官碳密度均为地上部分>地下部分，从表 2可以看出，地上部分是草本层碳密度的主体，均占草本层碳密度的77%以上。

图2 林草本层不同器官碳密度Fig. 2 Carbon densities for different organs of the shrub and herb layers

表2 灌木层和草本层不同器官碳密度分配比例Table 2 Proportion of the carbon densities for different organs of the shrub and herb layers

2.2凋落物层及土壤层碳密度

从图3可以看出，灌丛林凋落物的碳密度基本呈现随林龄的增加而增大的趋势，小叶锦鸡儿灌丛林的凋落物碳密度大于黄柳灌丛林，小叶锦鸡儿林凋落物碳密度在6～41 g·m-2，而黄柳林凋落物碳密度在2～25 g·m-2。可能是由于黄柳凋落物的分解速率较小叶锦鸡儿快导致。

从图3可以看出，灌丛林土壤层的碳密度呈现随林龄的增加而增大的趋势，相同林龄下，小叶锦鸡儿土壤碳密度大于黄柳林，如29 a生小叶锦鸡儿土壤碳密度为（1563±68）g·m-2，29 a生黄柳土壤碳密度为（1442±63）g·m-2。

图3 凋落物层及土壤层碳密度Fig. 3 Carbon densities for the litter layer and the soil layer

2.3生态系统主要碳库层碳密度

从表3可以看出，在灌丛林生态系统碳密度中，主要碳库层碳密度均为土壤层>灌木层>草本层、凋落物层，土壤层占绝对优势，两种灌丛林土壤层碳密度均占生态系统碳密度的 60%以上，灌木层次之，约占生态系统碳密度的 23%～38%，而草本层和凋落物层的碳密度相对较少，均低于生态系统碳密度的1%。

2.4生态系统碳密度及年碳汇速率

从图4和图5可以看出，两种灌丛林生态系统碳密度随林龄增加而增大的趋势，且为先快速增大然后趋于稳定。两种灌丛林的碳密度变化趋势均可用对数式来描述，小叶锦鸡儿林的拟合方程为y=549.49lnx+309.03（R2=0.9799），黄柳林的拟合方程为y=972.84lnx-668.04（R2=0.9731）。

表3 生态系统碳密度分配比例Table3 Proportion of the carbon densities in the ecosystem

图4 小叶锦鸡儿林生态系统碳密度Fig. 4 Carbon density in the Caragana microphylla forest ecosystem

图5 黄柳林生态系统碳密度Fig. 5 Carbon density in the Salix gordejevii forest ecosystem

从图6和图7可以看出，两种灌丛林生态系统年碳汇速率随林龄的增加呈现下降的趋势，其年碳汇速率变化趋势均可用乘幂式来描述，小叶锦鸡儿林的拟合方程为y=686.11x-0.656（R2=0.9995），黄柳林的拟合方程为y=380.88x-0.417（R2=0.9857）。林龄小于10 a时，年碳汇速率增长迅速；大于10 a时，年碳汇速率呈下降趋势。随着林龄的增加，年碳汇速率有下降的趋势，需对灌丛林进行有效的抚育管理。

图6 小叶锦鸡儿林生态系统年碳汇速率Fig. 6 The annual carbon sink rate for the Caragana microphylla forest ecosystem

图7 黄柳林生态系统年碳汇速率Fig. 7 The annual carbon sink rate for the Salix gordejevii forest ecosystem

3 讨论

研究表明，在相同的立地条件下，林龄是影响灌丛林生态系统碳密度和年碳汇速率的主导因子。本研究中小叶锦鸡儿灌丛林生态系统及各碳库层碳密度低于郭月峰（2013）的研究结果，这可能与研究区所处的土壤类型不同所致。郭月峰等（2013）对燕山流域不同林龄时间序列的小叶杨和山杏进行了研究，得出山杏林各器官碳储量为枝>根>叶，草本层各器官碳储量为地上部分>地下部分，本研究结果与其结果基本一致。刘涛等（2013）对黄土丘陵区3种退耕灌木林生态系统碳密度进行研究，得出生态系统各碳库层碳密度为土壤层>灌木层>草本层>凋落物层，本研究结果与其结果基本一致。黄土区退耕柠条林的碳汇效应是当前研究的一个热点。有研究认为柠条林地土壤养分状况与生长年限关系不大（牛西午等，2003），而有学者发现柠条林的碳汇效应因林龄的不同而不同（刘增文等，1997；王生芳等，1998）。本研究中，0～150 cm土壤层碳密度随林龄的增加而增大，说明小叶锦鸡儿和黄柳灌丛林对半干旱区土壤碳库有明显的影响。

4 结论

（1）灌木层是植被层碳密度的主体，分别占两种灌丛生态系统碳密度的23%和38%，灌木层各器官碳密度大小顺序均为枝>根>叶，草本层各器官碳密度大小顺序均为地上部分>地下部分。

（2）两种灌丛林灌木层、凋落物层、草本层和土壤层碳密度均随林龄的增加而增大。灌丛林生态系统各碳库层碳密度的大小顺序为土壤层>灌木层>草本层、凋落物层，土壤层占绝对优势，分别占生态系统碳密度的60%和78%。

（3）两种灌丛林的碳密度随时间的变化可用对数函数表述，生态系统年碳汇速率的变化可用乘幂式方程表述。

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The Carbon Sink Dynamic Research on the Caragana microphylla and Salix gordejevii Shrub Ecosystem in the Southern Edge of Horqin Sandland

WANG Juan1, YAO Yunfeng1*, GUO Yuefeng1, TANG Jun1, CHANG Weidong2
1. Department of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University; Hohhot 010018, China; 2. Forest Bureau in Ao Hanqi of Chifeng, Aohan Banner 024300, China

To understand the carbon sequestration of the Caragana microphylla and Salix gordejevii shrub ecosystem in the southern edge of Horqin Sandland, we choose the Caragana microphylla and Salix gordejevii shrub ecosystem plantation both of nine forest age sequences from the Aohanqi wind-sand region of Chifeng City as the study target. We use the Space for Time sample land approach to quantify the carbon density change rule of these two types of bush wood plantation in the level of shrub layer, herb layer, litter layer, soil layer and the ecosystem, analyze the carbon density and the annual carbon density change trend of shrub ecosystems with different planting years and make the equation for the planting years, carbon density and annual carbon sequestration rate. The results showed that: The carbon density for the shrub layer, herb layer, litter layer and the soil layer of the Caragana microphylla and Salix gordejevii increases as the planting years; the carbon density for each layer: the soil layer is the biggest, accounting for 60% and 75% of the ecosystem’s carbon density respectively; followed by carbon density of the shrub layer, accounting for 23% and 38% of the ecosystem’s carbon density respectively; the carbon density of the herb layer and the litter layer are minimum, both accounting for 1% of the ecosystem’s carbon density; The shrub layer carbon densities in various organs are branch > root > leaf, the herb layer carbon density in various organs are ground > underground; the carbon density changes of two shrubs over time could be expressed in log functions, the annual carbon sink rate for the ecology could be expressed by the power formula, when the planting years <10a, the annual carbon sink rate has a rapid growth, when the planting years > 10 a, the annual carbon sink rate declines. Our study suggests that the carbon density for the Caragana microphylla and Salix gordejevii shrub groups has obvious variation rules with certain carbon sink potentialities; when the planting years < 10a, the annual carbon sink rate has a rapid growth; with the growth of the planting years, the annual carbon sink rate declines, and it’s suggested to make effective forest management and tending measures on the forests and shrubs.

Caragana microphylla; Salix gordejevii; ecosystem; carbon density; the annual carbon sink rate

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.005

S718.55；X171.1

A

1674-5906（2015）11-1785-06

国家自然科学基金项目（31500584）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA05060602）；内蒙古应用研究与开发计划项目（20110732）

王娟（1983年生），女，博士研究生，主要从事水土保持与荒漠化防治领域的工作。E-mail: wanghaijuan1109@126.com *通信作者：姚云峰（1959年生），男（蒙古族），教授，博士生导师，主要从事水土保持与荒漠化防治领域的工作。E-mail: 18904718855@163.com

2015-08-31

引用格式：王娟, 姚云峰, 郭月峰, 汤军, 常伟东. 科尔沁沙地南缘小叶锦鸡儿和黄柳灌丛生态系统碳汇动态研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(11): 1785-1790.