喀斯特地区3种针叶林林分生物量及碳储量研究

刘之洲 ，宁 晨 ，闫文德 ，倪晓薇 ，陈 毅 ，宁晓波

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3.贵州省林业厅，贵州 贵阳 550001）

喀斯特地区3种针叶林林分生物量及碳储量研究

刘之洲1，2，宁 晨1，2，闫文德1，2，倪晓薇1，2，陈 毅1，2，宁晓波3

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；3.贵州省林业厅，贵州 贵阳 550001）

以贵州喀斯特地区3种针叶林为研究对象，采用标准样地调查和生物量实测数据，对各生态系统的生物量、碳含量以及碳储量进行研究分析。结果表明：马尾松天然林、马尾松人工林和湿地松人工林生态系统乔木生物量分别为103.46、140.55、164.15 t/hm2；林下植被及死地被物层生物量分别为7.762、6.994、8.622 t/hm2。林木各器官含碳量：马尾松天然林0.427～0.530 gC/g、马尾松人工林0.443～0.574 gC/g、湿地松人工林0.444～0.466 gC/g。3种森林生态系统碳储量分别为：马尾松天然林678.025 t/hm2、马尾松人工林777.11 t/hm2、湿地松人工林834.135 t/hm2。其中植被层分别为48.199、70.788、76.438 t/hm2；死地被物层为0.667、0.659、0.742 t/hm2；土壤层为629.159、705.664、756.955 t/hm2。碳储量分布格局为土壤层＞植被层＞死地被物层。研究结果可以为贵州喀斯特地区针叶林管理及运营提供基础数据。

针叶林生态系统；碳含量；生物量；碳储量；马尾松；湿地松；

随着社会的发展科技的进步，人们在享受着各种工业产物的便利的同时也在排放大量的CO2[1-3]。全球气候变暖已经威胁到了人类的健康及其赖以生存的环境，如何解决温室效应已经成为各国科学家和政府的关注和研究的焦点[4-8]。森林被称作地球的肺[9]，它维持着86%以上的全球植被碳库，同时也维持着约73%全球土壤碳库，并且森林每年固定的碳约占整个陆地生态系统的三分之二[10-11]。因此森林在缓解温室效应调节全球碳平衡方面具有着非常重要的作用[12-13]。

针叶林是森林生态系统中一种重要的类型，是我国的重要森林资源之一，与灌木林、阔叶林、竹林共同组成了我国森林的四大林型[14]。马尾松Pinus massomiana是造林面积仅次于杉木的本土造林树种，占全国总造林面积的20%[15-17]。马尾松也是我国种植的松树当中数量最多、分布最广的,马尾松的耐干旱，适应能力等特性使得它成为我国南方低山丘陵区荒山绿化造林的主要树种，它在我国的覆盖面积为已经超过1 000万hm2[18]。我国自1930年开始引进的湿地松Pinus elliottii原产于美国东南部，由于它适应性强、木材用途广、生长快，目前是我国南方主要的造林先锋树种[19]。作为乡土树种的马尾松与外来树种属于同一属，在对其林分生物量碳储量差异等方面国内没有太多的研究。

本研究以喀斯特地区贵州省龙里县响水林场的马尾松人工林、马尾松天然林、湿地松人工林为研究对象，使用生物量数据和标准样地调查来研究3种针叶林的有机碳含量、碳储量以及生物量和其分布特征，为喀斯特地区森林规划与管理提供基础数据依据。

1 试验区概况与研究方法

1.1 试验区概况

实验样地设置在贵州省龙里林场，地理位置为 26°22′～ 26°45′N，106°45′～ 107°11′E 之 间，处于苗岭山脉中段，长江流域乌江水系与珠江流域红水河水系的分水岭，乌江三级支流三元河从林区流过，地势西北高、东南低，属中亚热带季风湿润气候，多年平均气温14.8℃，降水量1 089.3 mm，相对湿度77%。龙里林场成土母岩主要为砂页岩。土壤以黄壤为主，另有少量黄棕壤、草甸土。pH值在5.5～6.5之间，呈微酸性。

1.2 研究方法

1.2.1 标准样地设置

在3种不同的针叶林类型中分别设置标准样地。在马尾松天然林、马尾松人工林、湿地松人工林内分别设置3个20 m×20 m的标准样地，共9块。对标准地内的马尾松天然林、马尾松人工林、湿地松人工林进行每木检尺，测得林木树高、胸径等，由每木检尺结果，计算从而出各树种的平均树高和平均胸径。各标准样地林分特征见表1。

表1 各标准样地林分结构特征†Table 1 Stand structure characteristics of sample plot

1.2.2 生物量测定

采用分层切割的方法测量林木地上各器官的生物量。从根干交界处伐倒各标准木后，截取1 m长的各段的树枝、树干、树叶，称取其各项鲜质量，每一个种类采集样品1千克。

根系则使用分层挖掘的方法测量土壤及根系生物量。马尾松天然林、马尾松人工林、湿地松人工林的标准木都是按照树冠投影区域来挖掘，每层深度为0.5 m，并且按照根系的粗度等级分层进行挖取，大根的直径大于0.5 cm、粗根的直径为0.2～0.5 cm、细根的直径小于0.2 cm，取不同粗度等级的根系称量记其鲜质量，取样品1 kg；将采取的各器官样品，放到烘箱中以105 ℃的温度杀青5 min 后，再置于烘箱中以80℃烘干至恒重，求各器官含水率，并且计算标准木的各器官生物量。

1.2.3 土壤样品采集

在马尾松天然林、马尾松人工林、湿地松人工林的标准样地内，随机取3个采样点，对土壤进行坡面，按0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm、45 cm以下的土层，分层取土样各500克，共采土壤99个。将土壤中的根系和石砾等杂物去除石砾后，置于风干室里风干，然后进行粉碎，使用2 mm的筛子过筛以后用于测定有机碳含量。土壤容重的测量准备则使用环刀取样，放到烘箱中设置105℃烘干至恒重。

1.2.4 碳含量测定

采用重铬酸钾-油浴加热法来测定土壤和植物样品的有机碳含量。

1.3 数据处理与计算

实验数据的整理和分析是使用的Excel以及SPSS软件。实验数据的差异显著性的检验采用的是最小显著差异法（LSD）和单因素方差分析（ANOVA），对马尾松天然林、马尾松人工林、湿地松人工林的林分碳含量、碳储量及生物量进行了比较，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同林分的生物量

2.1.1 不同林分乔木层生物量及其分配

表2中可以得出，湿地松人工林乔木层生物量最高，为164.15 t/hm2，其次为马尾松人工林140.55 t/hm2，马尾松天然林生物量最低，为103.46 t/hm2。在各林分中树干生物量显著高于树枝、树叶和树根（P＜0.05），树干的生物量占总生物量的一半以上。

2.1.2 灌木层、草本层和死地被物层生物量

从表3中得出，马尾松天然林林下植被层生物量为7.762 t/hm2，死地被物层生物量为1.489 t/hm2，高于草本层1.147 t/hm2。马尾松人工林林下植被层生物量为6.994 t/hm2，草本0.881 t/hm2，死地被物层生物量为1.811 t/hm2，高于草本层。湿地松人工林林下植被层生物量为8.622 t/hm2，且灌木丛显著高于草本层（p＜0.05），死地被物层生物量为1.557 t/hm2，高于草本层。从总体上看，三种林分之间各林下植被层次均无差异显著性（p＞0.05）。

表2 不同林分乔木层的生物量及分配比例†Table 2 Stand biomass and its distribution ratio in organs for different forest types

表3 林下植被层和死地被物层生物量及其分配(t/hm2)†Table 3 Biomass and its distribution ratio in undergrowth an litter layer

2.2 植被和死地被物碳素含量

2.2.1 乔木层林木各器官碳素含量

从表4中可以看出，马尾松天然林各器官碳含量在0.427～0.530 gC/g之间，树根碳含量＞树干碳含量＞树叶碳含量＞树枝碳含量；马尾松人工林各器官碳含量在0.443～0.574 gC/g之间，树根碳含量＞树干碳含量＞树叶碳含量＞树枝碳含量；湿地松人工林各器官碳含量在0.444～0.466 gC/g之间，以树叶含量最高，树枝含量最低。表明不同林型，碳含量不同，且在树木各器官中存在差异。

2.2.2 灌木层、草本层和死地被物层碳含量

由表5可得出，湿地松人工林灌木层碳含量最高，为0.431 gC/g，马尾松人工林次之，为0.425 gC/g，马尾松天然林最低，为0.396 gC/g；草本层碳含量同样以湿地松林最高，为0.379 gC/g，而马尾松天然林其次，为0.372 gC/g，马尾松人工林最低，为0.369 gC/g。各森林类型中灌木层的林植被碳含量均大于草本层林下植被碳含量；死地被物层平均碳含量在0.419～0.464 gC/g之间。

表4 不同林木各器官碳素含量†（gC / g）Table 4 Carbon contents of different organs in different forest types

表5 不同林分林下植被层和死地被物层碳含量†（gC / g）Table 5 Carbon contents of under growth and litter layer in different forest

2.3 土壤层碳含量

由表6可以看出，马尾松天然林土壤有机碳含量大于2.977 gC/g小于8.149 gC/g，土壤有机碳含量于土层深度成反比。0～15 cm 及15～30 cm土壤有机碳含量均与30～45 cm及45 cm以下土层存在显著差异（p＜0.05）。马尾松人工林土壤有机碳含量在4.843～9.603 gC/g之间，0～15 cm土壤有机碳含量与15～30 cm土壤有机碳含量存在显著差异（p＜0.05），表层土壤（0～15 cm）与45～60 cm土壤有机碳含量也存在显著差异（p＜0.05）；湿地松林土壤有机碳含量最高，但由于喀斯特地貌的影响45 cm土层以下均为岩石阻隔所以只取了0～15 cm、15～30 cm、30～45 cm 3层土层的土壤，土壤有机碳含量在8.116～13.629 gC/g之间，且土壤有机碳含量均无显著差异。3种针叶林分土壤有机碳平均含量大于5.592 gC/g小于11.327 gC/g，湿地松人工林＞马尾松人工林＞马尾松天然林，差异不显著。

表6 不同林分土壤有机碳含量（gC / g）†Table 6 Soil carbon content in different forest types

2.4 森林生态系统碳储量及空间分布

2.4.1 不同林分乔木层碳储量

从表7可得，湿地松人工林乔木层的总碳储量高于其他2种森林类型，为83.776 t/hm2，其次为马尾松人工林67.276 t/hm2，最低为马尾松43.1 t/hm2，3种森林生态系统总碳储量间没有显著差异。

3种林分的各器官碳储量树干碳储量显著高于其他器官（P＜0.05），树干碳储量占乔木层总碳储量的53%以上。其次是树枝的碳储量，占8.6%～25.4%，树叶碳储量最低，为2.922～6.413 t/hm2，只占了总碳储量的3成。

由表7可得，3种林分地上部分碳储量大小均为树干最高，3种林分的树枝、树叶碳储量之间无显著差异（p＞0.05）。

2.4.2 森林生态系统碳储量及空间分布

由表8可得，马尾松天然林生态系统碳储量为678.025 1 t/hm2，植被层碳储量为48.20 t/hm2，占 7.1%；死地被物层最低为0.667 t/hm2，仅占0.09%；土壤层最高为629.158 9 t/hm2，显著高于其他层次碳储量（p＜0.05），占系统总碳储量的92.7%；

马尾松人工林生态系统，其总碳储量为777.110 t/hm2；植被层为70.788 t/hm2，占9.11%；死地被物层最低为0.659 t/hm2，占生态系统碳储量的 0.08%；土壤层碳储量最高为705.664 t/hm2，显著高于其他层次碳储量（p＜0.05），占系统总碳储量的90.8%。

表7 不同林分乔木层碳储量（t/hm2）†Table 7 Carbon storage of different organs in different forest types

表8 森林生态系统碳储量及空间分布†（t/hm2）Table 8 Carbon storage and distribution for different Forest types

湿地松人工林生态系统总碳储量为834.135 2 t/hm2，植被层为76.438 t/hm2，占7.96%；死地被物层碳储量最低为0.742 t/hm2，只占0.08%；土壤层碳储量最高为756.995 t/hm2，占系统总碳储量的90.7%。

从表8还可以看出，3种森林生态系统碳储量的空间分布格局均为：土壤层＞植被层＞死地被物层。而总碳储量则以湿地松人工林最高，马尾松天然林最低。

3 讨 论

3.1 林分生物量

本文所测得19年生马尾松人工林林生物量为140.45 t/hm2，分别高于长沙市区13年生和广西隆林县14年生马尾松林63.42和114 t/hm2[20-22]。同时，20年生湿地松林生物量164.04 t/hm2，高于屏南县15年生湿地松人工林32.82 t/hm2，低于五台山国有林场30年生湿地松人工林431.83 t/hm2[23-24]。表明生物量是随林分年龄的增大而增加。18年生马尾松天然林生物量为103.46 t/hm2，远高于江西吉安市18年生马尾松38.88 t/hm2[25-26]。表明，不同地区、不同立地类型、不同气候都会影响到森林生物量的多少。

植物呼吸作用的产物，除了呼吸作用消耗的部分以外，还有部分有机物质是按照一定比例流动到各个植物器官种去的。本文所测得的各林分生物量中都是树干最高，且显著高于树枝、树叶和树根（P＜0.05），总生物量的57%以上都是树干生物量，接下来是。与冯宗炜等人在湖南会同所测的树干生物量最大，占乔木层生物量的55%的结论大致相同[25]。但本文所测的林木各器官生物量从大到小依次为树干、树枝、树根、树叶，而冯宗炜等人在湖南会同所测的则为树干、树根、树枝、树叶，张成典等[23]在福建五台山国有林场所测的30年生湿地松林则为树干＞树枝＞树根＞树叶。上述表明，树干生物量通常是器官生物量中最大的且常占50%以上，且表明林龄不同、地区不同、气候不同都会影响生物量的多少。

在本文中湿地松林树干生物量125.16 t/hm2远大于马尾松人工林80.81 t/hm2和马尾松天然林66.31 t/hm2。早期湿地松干材的高产量能够缓解市场的需求；马尾松碳储量虽低，但生态环境稳定程度高[26]，且在林龄超过30以后马尾松生物量累积超越湿地松，因此具有长远生态服务功能[18]。

3.2 森林的碳储量及其分配格局

本研究中的马尾松天然林碳储量为47.279 t/hm2，远高于潘鹏等人在赣中地区所测量的18年生马尾松天然林15.58 t/hm2，略微高于宜昌市20年生马尾松天然林33.97 t/hm2[27-28]。

本文种的马尾松人工林碳储量为70.096 t/hm2，高于长沙市13年生马尾松人工林32.42 t/hm2，小于贵阳市33年生的麻栎林71.60 t/hm2[21,29]。

本研究中湿地松人工林碳储量为75.595 t/hm2，低于千烟洲20年生湿地松林碳储量为106.4 t/hm2，高于贵阳25年生杨树林59.84 t/hm2[30-31]。

相同一树种的不同器官碳储量和李斌等人在湖南所研究所得出的规律一样，不同地区、不同气候条件将会影响碳储量的变化[32]。

上述表明，各地马尾松天然林、马尾松人工林和湿地松人工林生态系统的碳储量各有不同，这表明不同的研究地区不同的气候条件甚至和各地的经营方式都有关系。但是不同的地区不同的森林类型的碳储量分布都有一个共同点，即：土壤层＞植被层＞凋落物层。

本研究只是测量了一年的森林生物量和碳储量，并没有进行长期取样观察，以后应该进行多年取样，做出长期变化的观测，并且总结3种针叶林的生物量、碳储量的长期变化，为针叶林森林资源经营提供依据。

4 结 论

（1）贵州省马尾松天然林、马尾松人工林和湿地松人工林生态系统乔木生物量分别为103.46、140.55、164.15 t/hm2；林下植被及死地被物层生物量分别为7.762、6.994、8.622 t/hm2。

（2）林木各器官含碳量：马尾松天然林0.427～0.530 gC/g、马尾松人工林0.443～0.574 gC/g、湿地松人工林0.444～0.466 gC/g。

（3）3种森林生态系统碳储量分别为：马尾松天然林678.025 t/hm2、马尾松人工林777.11 t/hm2、湿地松人工林834.135 t/hm2。其中植被层分别为48.199、70.788、76.438 t/hm2；死地被物层为0.667、0.659、0.742 t/hm2； 土 壤 层 为 629.159、705.664、756.955 t/hm2。碳储量分布格局为土壤层＞植被层＞死地被物层。

（4）马尾松天然林、马尾松人工林和湿地松人工林生态系统乔木生物量分别为103.46、140.55、164.15 t/hm2。湿地松成材比较快，碳吸存功能明显，适量种植能够提供大量木材，马尾松幼林时期生长略慢于湿地松但更加适合当地环境，并且在30年后生物量累计将超过湿地松。马尾松和湿地松的种植在提高森林碳汇功能，减缓气候负面变化等具有重要意义。

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[本文编校：吴 彬]

Three kinds of pine forest biomass and carbon storage research in karst landform

LIU Zhizhou1,2, NING Chen1,2, YAN Wende1,2, NI Xiaowei1,2, CHEN Yi1,2, NING Xiaobo3
(1. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. National Engineering Lab. for Applied Technology of Forestry and Ecology in South China, Changsha 410004, Hunan, China;3. Forestry Bureau of Guizhou Province, Guiyang 550001, Guizhou, China)

Afforestation and restoration are vital contributors for offsetting greenhouse gas emissions. However, when compared to native species, how fast-growing exotic tree species will influence the local ecosystem process remains poorly understood. In this study, the carbon storage and biomass in vegetation and soil were compared one of three ways, natural native masson pine (Pinus massoniana), planted native masson pine, or exotic slash pine (Pinus elliottii) plantation. The results showed that biomass of overstory vegetation was 103.46、140.55、164.15 t/hm2in natural masson pine forest, masson pine plantation, and slash plantation, respectively. The mean carbon storage was 678.025 t/hm2in natural masson pine forest, 777.11 t/hm2in masson pine plantation, and 834.135 t/hm2in slash pine plantation. Carbon content ranges from 0.427-0.530 gC/g in natural masson pine forest, 0.443-0.574 gC/g in masson pine plantation, and 0.444-0.466 gC/g in slash pine plantation. For understory vegetation, 0.659-0.742 gC/g in litter layer, and 629.159-756.955 gC/g in the soil. The carbon (C) content of soil of the three forest types decreased with soil depth. The distribution of C storage was soil＞vegetation＞litter. The results provide a scientific basis and reference for coniferous forest management and long-term location monitoring.

Pinus massoniana;Pinus elliottiibiomass; carbon content; carbon storage; coniferous forest ecosystem

S718.55+6 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2017)10-0105-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.10.017

http: //qks.csuft.edu.cn

2017-03-16

国家林业公益性行业科研专项（201404316）；国家自然科学基金项目（31070410，30571487，30870455）

刘之洲，硕士研究生

闫文德，教授，博导；E-mail：csfuyywd@hotmail.com

刘之洲，宁 晨，闫文德，等. 喀斯特地区3种针叶林林分生物量及碳储量研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(10):105-111.