不同银杏复合经营系统对碳储量的影响

陈 雷 ，孙 冰 ，曹福亮 ，汪贵斌 ，封超年

（1.南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037；2.中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520）

不同银杏复合经营系统对碳储量的影响

陈 雷1，2，孙 冰2，曹福亮1，汪贵斌1，封超年1

（1.南京林业大学 林学院，江苏 南京 210037；2.中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520）

通过对3种不同的银杏复合经营模式（银杏-油菜-花生、银杏-小麦-花生、银杏-桑树）及3种纯农经营模式（油菜-花生、小麦-花生、桑树）下碳储量的研究，旨在探讨不同银杏复经营及农地对系统碳储量的影响。结果表明：不同银杏复合经营模式下碳储量显著高于农地。其中GRP模式生物碳储量最高，为27.13 t/hm2；GM模式下，凋落物和土壤碳储量显著高于其它系统，分别为7.64和79.07 t/hm2；GM模式碳储量达到了122.54 t/hm2，显著高于其它模式，不同模式间总碳储量从大到小为别为：GM＞GRP＞GWP＞M＞RP＞WP。土壤碳储量分配比例最多，占到了58.03～74.45%；在复合系统中，银杏碳储量分配比例仅次于土壤，占到了17.96～25.73%。总的来说，银杏复合系统碳储量高于农地，特别是GM模式。

银杏； 林农复合经营系统； 碳储量； 土壤

随着全球气候变暖，森林固碳作用也逐渐被人所熟知，并逐渐成为碳汇相关研究的热点问题。林农复合系统作为集林业和农业优势于一体的系统，已经被证实不仅能够提高系统生产力和农民收入[1]，而且还具有优秀的固碳功能。研究显示在地上部分中，复合系统比农业系统更具固碳能力， IPCC指出林农复合系统的地上部分中存储了约40～150 t/hm2的碳[2]。同时，复合系统也会显著提升土壤中的碳储量[3]。考虑到林农复合系统多集中在平原区，因此开展复合系统中碳储量的研究对提升平原区农林系统生态价值有重要的意义。

银杏Ginkgo biloba是我国传统的经济林树种，泰兴市是传统的银杏之乡，种植面积达2.1万hm2[4]。由于该区域地处平原区，银杏林经营方式以复合经营为主。然而，由于不同复合经营系统间单位土地面积生产力、土壤肥力等因子差距较大，这对银杏复合经营的可持续性发展造成严重的影响[5-6]。因此对银杏复合系统生态效益的进行合理的研究评价成为现阶段急需解决的问题。森林固碳效益作为森林生态效益的重要组成之一，具有极高的生态和经济价值[7]，因此我们亟需对这些银杏复合系统的固碳效益进行研究，为全面评价和推广优秀的银杏复合经营模式提供科技支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况与样地设置

试验地位于江苏省泰兴市的银杏实验园(32°06 ～ 26′N，120°04 ～ 21′E)， 年 均 温 度 为14.9℃，年降水量为1 031.8 mm，无霜期220 d。泰兴市银杏栽培历史悠久，形成了多种多样的银杏复合经营模式。

在建立银杏园之前样地经营传统农业，实验区于1994年开始建立银杏园并进行复合经营，银杏行间距为7 m×8 m。样地采用完全随机实验设计，设计3种复合模式，分别是银杏-桑树（Morus alba）（GM），银杏-小麦（Triticum aestivum cv.“Yangmai 16”）-花生（Arachis hypogaea cv. “Taihua 3”）（GWP），银杏-油菜（Brassica campestris cv. “Ningyou 18”）-花生（GRP）模式，并在周边选择土壤条件一致的小麦-花生（WP）、油菜-花生（RP）和桑树（M）样地作为对照。在GM模式和M模式中，桑树行间距为0.3 m×1 m，分别栽植于1994和2005年，并与每年的11月开始修剪。在GWP和GRP模式中，小麦、油菜播种于11月，播种量分别为90～100 kg/hm2（小麦），4～6 kg/hm2（油菜）。作物收获后，花生开始种植，播种量为120～130 kg/hm2，采收于9月。

1.2 银杏复合经营系统生物碳储量测定

1.2.1 银杏生物量测定

在每种银杏复合模式中随机设立20 m×30 m的样地，在样地内进行每木调查，测量地径。并参考彭方仁等[8]回归模型计算生物量：

树干：W=31.011 89D1.5804。

树枝 ：W=2.533 63D0.1265。

树根：W=33.791 69D1.2905。

树叶：W=1.18099D3.9217。

式中：D为实测银杏的地径，W为相应器官的生物量。

1.2.2 林下作物生物量测定

油菜、小麦、花生生物量测定：当林下作物成熟时，在样地内沿对角线的四等分点（3个点）设1 m×1 m小样方，对小样方内林下作物植株进行完全采收，洗净、风干后称其重量，再取部分样品在70 ℃恒温下烘干至恒重，获得含水量，并求得林下作物生物量[2]。

桑树的生物量测定：随机选取样地中桑树5～10棵，全部采收植株，称其鲜质量，采用烘干法测其各器官的生物量。

1.2.3 生物碳储量计算

生物碳储量包含银杏和林下作物碳储量。银杏及林下作物样品经烘干、粉碎、过筛后用重铬酸钾加热法测定含碳率，生物碳储量通过其生物量和含碳率计算。

1.3 凋落物碳储量测定

在样地内设置2 m×2 m的小样方，并重复4～5次，收集凋落物并测定其鲜质量，取少量样品在70℃下烘干至恒质量，计算其生物量。然后采用重铬酸钾加热法测定含碳率，并计算获得凋落物碳储量。

1.4 土壤碳储量测定

1.4.1 土壤含碳率测定

在每个样地分别设置3个土壤取样点，在每个样点挖取深约80 cm的土壤剖面，每个剖面按0～20 cm，20～40 cm，40～60 cm，60～80 cm层环刀土取样，测定各层土壤容重。在各层取新鲜土样，风干过筛后用重铬酸钾加热法测定含碳率。

1.4.2 土壤碳储量计算

土壤碳储量通过土壤容重及其含碳率计算参考陶玉华等方法[9]，具体公式如下：

其中：SSOD为特定深度的土壤有机碳储量（t/hm2），Ci为第i层土壤有机碳含量（g·kg-1），Pi为第 i层土壤容重（g·cm-3），Ti为第 i层土层厚度（cm），n为土层数。

1.5 数据分析

采用SAS软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 银杏复合经营系统生物的碳储量

不同银杏复合经营系统显著影响了银杏碳储量（P＜0.05）。可以看出，GRP模式下银杏碳储量要显著高于其它两个模式（P＜0.05），达到了27.13 t/hm2，其次为GM何GWP模式。

在林下作物碳储量方面，不同银杏复合经营系统和农地显著影响了林下作物碳储量（P＜0.05）。其中3种农地中林下作物碳储量显著高于复合系统（P＜0.05），特别是WP模式，其碳储量达到了15.39 t/hm2，其次是M模式，为14.93 t/hm2而GRP模式固碳能力最差，仅13.99 t/hm2。

从图1中可以看出，银杏复合经营系统生物碳储量显著高于农地（P＜0.05）。在银杏复合系统间，GRP模式碳储量达到了38.12 t/hm2，显著高于GWP模式，其次是GM模式，为35.82 t/hm2。不同模式间生物碳储量从大到小为别为：GRP＞GM＞GWP＞WP＞M＞RP。

图1 银杏复合经营系统对银杏碳储量、林下作物碳储量及生物碳储量的影响Fig.1 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on Ginkgo carbon stocks, crops carbon stocks,and plants carbon stocks

2.2 不同银杏复合系统凋落物的碳储量

凋落物主要包括样地中银杏的枯枝落叶以及农作物收获后的残体。银杏复合模式凋落物碳储量要显著高于农地（P＜0.05）。特别是GM模式中，其凋落物碳储量显著高于其它系统（P＜0.05），达到了7.64 t/hm2。在农地中，M模式凋落物达到了4.90 t/hm2，显著高于RP和WP模式。模式间凋落物碳储量从大到小为别为：GM＞GRP＞GWP＞M＞RP＞WP。多重对比表明，GRP和GWP模式、RP和WP模式间不存在在显著差异。

2.3 不同银杏复合系统土壤的碳储量

从图3中可以看出，不同系统间土壤碳储量存在显著差异（P＜0.05）。除了M模式外，银杏复合系统土壤固碳量要显著高于其它农地（P＜0.05）。其中，GM模式下土壤固碳量最高，达到了79.07 t/hm2，显著高于其它系统，其次是GRP模式，为61.18 t/hm2。此外，M模式下，土壤碳储量达到了58.10 t/hm2，显著高于RP和WP模式（P＜0.05）。模式间土壤碳储量从大到小为别为：GM＞GRP＞GWP＞M＞RP＞WP。

图2 不同银杏复合经营系统对凋落物碳储量的影响Fig.2 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on litters Carbon stocks

图3 不同银杏复合经营系统对土壤碳储量的影响Fig.3 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on soil carbon stocks

2.4 不同银杏复合系统总固碳量

银杏复合经营系统总碳储量主要包括生物碳储量、凋落物碳储量和土壤碳储量。从图4中可以看出，复合系统中总碳储量要显著高于农地（P＜0.05），其均值达到了109.28 t/hm2，而相对农地均值仅为64.01 t/hm2。在复合系统中，GM模式的总碳储量显著高于GRP和GWP模式（P＜0.05），为122.54 t/hm2，其次为GRP模式，为105.41 t/hm2， GWP模式总碳储量在复合模式中最低，但也有99.88 t/hm2，这比农地中碳储量最高的M模式高出了28.16%。WP模式的碳储量最低，仅为56.21 t/hm2，不到GM模式碳储量的一半，仅为该模式的45.87%。总的来说，模式间总碳储量从大到小为别为：GM＞GRP＞GWP＞M＞RP＞WP。

图4 不同银杏复合经营系统对总碳储量的影响Fig.4 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on total carbon stocks

2.5 不同银杏复合系统碳储量的分配

从图5中可以看出，不同银杏复合经营系统及农地系统中碳分配比率存在一定的差异。其中，土壤碳储量最多，占到了58.03%～74.45%；在银杏复合系统中，银杏碳储量仅次于土壤，占到了17.96%～25.73%。而在农地中，农作物碳储量的分配比例相对高于复合系统，占到19.16%～27.37%，而在复合系统中，农作物碳储量仅占到了10.43%～14.02%。凋落物碳储量分配比例最低，仅为5.11%～6.39%。

3 讨 论

3.1 不同银杏复合系统对碳储量的影响

图5 不同银杏复合经营系统对碳储量分配比例的影响Fig.5 Effect of different Ginkgo agroforestry systems on distribution and percentage of carbon stocks

在不同陆地生态系统中，由于其植被构成、人为干扰因素差异，导致其碳储量存在巨大差异[7,10]。研究显示，单位面积森林生态系统碳储量约是农地的1.4～3倍[11-12]，本次研究有类似的结果。在银杏复合经营系统中，平均碳储量达到了109.28 t/hm2，特别是在GM模式中，达到了122.54 t/hm2。这一数值与亚热带地区其它人工林较为接近[13]，研究显示，江苏省林地单位面积平均碳储量约为146.70 t/hm2[11]；而在不同林龄杉木Cunninghamia lanceolata人工林中，单位面积平均碳储量约为112.76 t/hm2[13]。这也说明，银杏复合系统在固碳能力上与人工林系统较为接近，特别是GM模式。此外，本次研究发现，M模式碳储量与GWP和GRP模式碳储量并不存在显著差异，而且该系统碳储量也接近一些人工林生态系统，这可能是因为桑树为灌木或小乔木，与RP和WP相比，植被构成更加接近人工林生态系统的缘故。

3.2 不同银杏复合系统碳储量的组成及分配

在陆地生态系统中，土壤碳库是其主要组成部分。之前的研究已经证实林农复合经营能够证实能够显著影响土壤碳储量，Baah-Acheamfour等[14]指出，在0～10 cm林草复合经营土壤中，碳储量达到101.0 t/hm2，而相同草地中仅为75.6 t/hm2。在本次研究中，银杏复合经营系统土壤碳储量显著高于RP和WP模式，这一结果与之前研究一致。这也说明复合经营能够提升土壤碳储量，特别是在森林生态系统中。研究显示，范叶青等[15]人对竹林系统碳储量的研究显示，土壤碳储量占到系统总碳储量的79.76%，在本研究中，土壤碳储量约占到了58.03～74.45%，这与范叶青等和王兵等人[10,15]比较接近，这也说明了在复合经营系统地中，土壤是最为重要的碳库。

生物碳储量是构成陆地生态系统碳储量的关键因素。由于森林生态系统林分层次负责，生物量高，该类生态系统生物碳储量普遍高于其它生态系统[11]。在本研究中，银杏复合经营生物碳储量达到33.18 t/hm2，显著高于农地，这一数值接近一些亚热带地区中幼林碳储量，如4年生杂种桉Eucalyptus grandis×E. urophylla人工林[16]、13 年生马尾松Pinus massoniana人工林[17]等等，这也说明银杏复合经营能够提升生物碳储量，但是与一些成熟林分，如杉木林之间仍然存在较大差距[16]。农复合系统较高的生物碳储量也导致该部分碳储量的比率高于农地。本次研究发现，复合系统中，平均生物碳储量约占31.55%，而相比之下，农地生物碳储量却仅为23.32%左右。与之前人工林生态系统相比，复合系统与一些人工中幼林生态系统生物碳储量比例较为接近[16]，结合其较为接近的生物碳储量，这也说明复合系统在生物碳储量上已经能够达到中幼林的水平。

虽然凋落物碳储量在系统中比率偏低，但是这部分碳储量却是生物碳储量和土壤碳储量的中间环节，在其转化过程中起到重要作用，也是维持土壤碳储量的关键因素。在本研究中，复合经营系统凋落物显著高于农地，这也说明复合系统能够在一定程度上维持土壤碳库的稳定。但是，本研究中凋落物比率却比一些人工林凋落物碳储量要高，复合系统中凋落物碳储量比例约为5.91%～6.39%，而在对马尾松林、马尾松阔叶树混交林和常绿阔叶林这3个林分的研究显示，凋落物碳储量在全部碳储量中的比率均低于3%[18]，这远低于本次研究。其原因在于，本次研究林下植被为农作物，而农作物因受人为管理，其生物量显然要高于林下植被。

4 结 论

通过对复合系统和农地碳储量的研究，可以得出：不同模式对碳储量影响显著（P＜0.05）。在银杏碳储量上，GRP模式显著高于GM和GWP；在农作物碳储量上，农地系统要显著高于复合系统；复合系统中生物碳储量要显著高于农地；GM模式下凋落物和土壤碳储量最高，而WP模式最低。总的来说，GM模式总碳储量最高，GRP和GWP模式次之，而WP模式最低。这也说明银杏复合经营系统比农地系统碳储量更高，能够固定更多碳，其固碳效益显著。在复合系统中，GM模式最为优秀，值得进一步推广利用。

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[本文编校：吴 彬]

The effect of carbon stocks in different Ginkgo agroforestry systems

CHEN Lei1,2, SUN Bing2, CAO Fuliang1, WANG Guibin1, FENG Chaonian1
(1.College of Forestry, Nanjing Foestry University, Nanjing 210037;2. Research Institute of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Guangzhou 510520,）

In order to study the effects of carbon stock in Ginkgo agroforestry systems and agriculture systems, we established three Ginkgo agroforestry systems and three agriculture systems. They are GRP (Ginkgo-Rapeseed-Peanut), GWP (Ginkgo- Wheat-Peanut),GM (Ginkgo-Mulberry), RP (Rapeseed-Peanut), WP (Wheat-Peanut), and M (Mulberry). The result showed that significantly higher carbon stocks were obtained in Ginkgo agroforestry systems than agriculture systems. The highest trees and crops C stock was in GRP with 27.13 t·hm2, while GM had highest litter and soil C stock with 7.64, 79.07 t·hm2, respectively. The total C stock in GM system was reach to 122.54 t·hm2which was significantly higher than other systems. The total C stock from high to low were list as: GM ＞ GRP ＞GWP＞M＞RP＞WP. Soil C stock was the highest stock which contained 58.03-74.45% to total C stock. In Ginkgo agroforestry systems, Ginkgo C stock contained 17.96-25.73% C stock which higher than other stocks except soil C stock. In general, the carbon stocks in Ginkgo agroforestry systems were better than in agriculture systems, especially in GM system.

ginkgo; agroforestry systems; C stock; soil

S718.56 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2017)10-0112-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.10.018

http: //qks.csuft.edu.cn

2016-05-25

国家科技支撑计划“银杏和印楝珍贵材用和药用林定向培育关键技术研究与示范”（2012BAD21B04）

陈 雷，博士，助理研究员

曹福亮，教授，博士；E-mail：njfucao@126.com

陈 雷，孙 冰，曹福亮，等. 不同银杏复合经营系统对碳储量的影响[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(10): 112-117.